Передача сонячної енергії з космосу на Землю незабаром може стати реальністю

Ідея космічної сонячної енергії (SBSP) – використання супутників для збору енергії від Сонця та «передачі» її до точок збору на Землі – існує принаймні з кінця 1960-х років.

Незважаючи на свій величезний потенціал, концепція не набула достатньої популярності через вартість і технологічні перешкоди.

Чи можна вирішити деякі з цих проблем зараз? Якщо це так, SBSP може стати важливою частиною переходу світу від викопного палива до зеленої енергії.

Ми вже збираємо енергію від Сонця. Його збирають безпосередньо через те, що ми зазвичай називаємо сонячною енергією. Це включає в себе різні технології, такі як фотоелектричні (PV) і сонячно-теплова енергія .

Енергія Сонця також збирається опосередковано: прикладом цього є енергія вітру , оскільки бризи утворюються внаслідок нерівномірного нагрівання атмосфери Сонцем.

Але ці зелені форми виробництва електроенергії мають обмеження. Вони займають багато місця на суші і обмежені наявністю світла та вітру. Наприклад, сонячні електростанції не збирають енергію вночі та збирають її менше взимку та в похмурі дні.

PV на орбіті не буде обмежено настанням ночі. Супутник на геостаціонарній орбіті (GEO) – круговій орбіті приблизно в 36 000 кілометрів над Землею – піддається впливу Сонця понад 99 відсотків часу протягом цілого року. Це дозволяє виробляти зелену енергію 24/7.

GEO ідеально підходить для випадків, коли необхідно відправити енергію з космічного корабля на колектор енергії або наземну станцію, оскільки супутники тут нерухомі відносно Землі. Вважається , що до 2050 року доступна сонячна енергія від GEO у 100 разів перевищує очікувані глобальні потреби людства в електроенергії.

Для передачі енергії, зібраної в космосі, на землю потрібна бездротова передача енергії. Використання для цього мікрохвиль мінімізує втрату енергії в атмосфері, навіть у хмарне небо.

Мікрохвильовий промінь, який посилає супутник, буде сфокусований на наземну станцію, де антени перетворюють електромагнітні хвилі назад в електрику. Наземна станція повинна мати діаметр 5 кілометрів або більше на високих широтах.

Однак це все ще менше, ніж площа землі, необхідна для виробництва такої ж кількості електроенергії за допомогою сонця або вітру.

Концепції, що розвиваються

З моменту першої концепції Пітера Глейзера в 1968 році було запропоновано багато дизайнів .

У SBSP енергія перетворюється кілька разів (світло в електрику, мікрохвилі в електрику), і частина втрачається у вигляді тепла. Для того, щоб ввести 2 гігавати (ГВт) електроенергії в мережу, супутник повинен зібрати приблизно 10 ГВт електроенергії.

Недавня концепція під назвою CASSIOPeiA складається з двох керованих відбивачів шириною 2 кілометри. Вони відбивають сонячне світло в масив сонячних панелей. Ці передавачі потужності діаметром приблизно 1700 метрів можуть бути спрямовані на наземну станцію. За оцінками, супутник може мати масу 2000 тонн.

Інша архітектура, SPS-ALPHA , відрізняється від CASSIOPeiA тим, що сонячний колектор є великою структурою, утвореною величезною кількістю маленьких модульних відбивачів, які називаються геліостатами, кожен з яких можна переміщувати незалежно. Вони виробляються масово для зниження собівартості.

У 2023 році вчені з Каліфорнійського технологічного інституту запустили MAPLE , маломасштабний супутниковий експеримент, який передав невелику кількість енергії в Каліфорнійський технологічний інститут. MAPLE довів, що цю технологію можна використовувати для доставки енергії на Землю.

Національний і міжнародний інтерес

SBSP може відіграти вирішальну роль у досягненні Великобританією цілі чистого нуля до 2050 року , але поточна стратегія уряду не включає це.

Незалежне дослідження показало, що SBSP може генерувати до 10 ГВт електроенергії до 2050 року, що становить чверть поточного попиту Великобританії. SBSP забезпечує безпечне та стабільне енергопостачання.

Це також створить багатомільярдну індустрію з 143 000 робочих місць по всій країні. Європейське космічне агентство наразі оцінює життєздатність SBSP за допомогою ініціативи SOLARIS . За цим може виникнути повний план розвитку технології до 2025 року.

Інші країни нещодавно оголосили про намір передати електроенергію на Землю до 2025 року, переходячи до більших систем протягом наступних двох десятиліть.

Масивний супутник

Якщо технологія готова, чому не використовується SBSP? Основним обмеженням є величезна кількість маси, яку потрібно запустити в космос, і її вартість за кілограм.

Такі компанії, як SpaceX і Blue Origin, розробляють важкі ракети-носії, зосереджуючись на повторному використанні частин цих транспортних засобів після того, як вони полетять. Це може знизити вартість підприємства на 90 відсотків.

Навіть з використанням корабля SpaceX Starship , який може вивести на низьку навколоземну орбіту 150 тонн вантажу, супутник SBSP потребуватиме сотень запусків. Деякі компоненти, такі як довгі структурні ферми – структурні елементи, призначені для охоплення великих відстаней – можуть бути надруковані на 3D-друкі в космосі .

Виклики та ризики

Місія SBSP буде складною, і ризики ще потрібно повністю оцінити. Хоча електроенергія, що виробляється, є повністю екологічною, вплив забруднення від сотень запусків важких вантажів важко передбачити .

Крім того, керування такою великою структурою в космосі вимагатиме значної кількості палива, для чого інженери працюють із іноді дуже токсичними хімікатами. Фотоелектричні сонячні панелі зазнають деградації, що з часом зменшить ефективність на 1–10 відсотків на рік. Проте обслуговування та дозаправка можуть бути використані для продовження терміну служби супутника майже на невизначений термін.

Промінь мікрохвиль, достатньо потужний, щоб досягти землі, також може завдати шкоди всьому, що стане на шляху. З міркувань безпеки щільність потужності променя повинна бути обмежена.

Завдання побудови подібних платформ у космосі може здатися складним, але космічна сонячна енергетика технологічно здійсненна. Щоб бути економічно життєздатним, він потребує великомасштабного проєктування, а отже, довгострокових і рішучих зобов’язань з боку урядів і космічних агентств.

Але враховуючи все це, SBSP може зробити фундаментальний внесок у забезпечення чистого нуля до 2050 року за допомогою стійкої, чистої енергії з космосу.