Энергетика космического базирования
№04 (126) апрель 2017
В номере
Акцент
Новый офис
Светотехника
Внимание к деталям
Кабельное хозяйство
Электрооборудование
Технология
- Энергетика космического базирования
Энергетика космического базирования
В нашей стране традиционно сложилось, что каждый год в апреле мы поднимаем наш взор к небу, а если говорить точнее, то даже выше неба – в космос. И это повод для гордости. Потому что 12 апреля первый человек совершил космический полет, и это был наш соотечественник – Юрий Гагарин. С тех пор человечество сделало огромный шаг вперед в освоении космоса. И в сегодняшней статье мы попытаемся рассказать пусть и о перспективных направлениях, но все же чисто прикладных – о генерации электрической энергии на орбите и передаче ее на Землю.Современная цивилизация пока не умеет эффективно получать и преобразовывать энергию. Несовершенство технологий и техники приводит к прогрессирующему загрязнению всех сфер окружающей среды и к приближению глобальной экологической катастрофы. Топлива на планете ограниченное количество, и его требуется для выработки требуемой энергии все больше и больше. Выход из энергетического и экологического тупика состоит в поиске и создании новой экологически чистой энергетики и качественно новых чистых безотходных технологий получения и преобразования энергии.Может ли энергоснабжение, получаемое от космических источников энергии, решить все энергетические проблемы человечества? Вопросы эффективности создания и использования космических энергетических систем для широкого круга транспортных прикладных задач космической техники – одна из самых актуальных проблем современной космической науки.
В настоящее время наиболее обсуждаемой концепцией является создание космических солнечных электростанций (SBSP — Space Based Solar Power) мощностью от 1 до 10 гигаватт для трансляции электроэнергии наземным потребителям и в перспективе электроснабжения экологически вредных производств в космосе. Коротко, проект представляет из себя по задумкам создателей сеть энергетических спутников, расположенных на геосинхронных орбитах. Эти спутники cобирают солнечную энергию и передают ее вниз, на поверхность Земли.
Различные проекты космических станций выдвигались с начала 1970-х годов, но, ни один из них не был экономически оправдан при современном уровне развития космической инфраструктуры.
Тем не менее, концепция SBSP привлекательна, поскольку космос имеет несколько основных преимуществ по сравнению с земной поверхностью для сбора солнечной энергии. В космосе можно получать гораздо более интенсивный солнечный свет из-за отсутствия рассеивания в виде атмосферных газов, облаков, пыли или других погодных явлений. То есть интенсивность солнечного света на орбите будет составлять примерно 144% от максимально достижимой интенсивности на поверхности Земли. Спутник будет освещен более чем 99% времени, поскольку нахождение в тени Земли составит максимум 72 минуты за ночь при весеннем и осеннем равноденствиях. Таким образом, орбитальные спутники могут собирать солнечную энергию высокой интенсивности в течение 24 часов в день, тогда как средние солнечные панели на поверхности Земли в настоящее время собирают энергию в среднем на 29% в день. Энергия может быть относительно быстро перенаправлена в наиболее нуждающиеся области. Спутник сможет направлять электропитание по требованию на различные территории исходя из их базовых нагрузок или потребностей в пиковой нагрузке. Минимальное воздействие на окружающую среду. В случае масштабной реализации, особенно на более низких высотах, это потенциально может уменьшить приходящую солнечную радиацию, достигающую земной поверхности, что позволит предотвратить глобальное потепление.
Концепция создания космических энергетических станций активно продвигается Японией, Китаем и Россией. В 2008 году Япония приняла Основной космический закон, который установил получение космической солнечной энергии, в качестве национальной цели. В 2015 году Китайская академия космических технологий (CAST) на Международной конференции по освоению космоса (ISDC) кратко изложила свою «дорожную карту» по созданию к 2050 году коммерческой системы мощностью 1 ГВт.
В общем случае Космическая солнечная электростанция состоит из трех основных элементов: системы сбора солнечной энергии в космосе в виде отражателей или надувных зеркал на солнечных элементах, системы беспроводной передачи энергии на Землю.
Были предложены два основных метода преобразования: фотоэлектрический метод и с помощью солнечной тепловой энергии. Большинство проектов фокусировалось на использовании фотоэлементов, как на единственном способе эффективного получения энергии. Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии.
Передачу электроэнергии от космической или Лунной станции к Земле предлагалось осуществлять с помощью лазерного излучения или СВЧ на различных частотах в зависимости от конструкции системы. Верхний предел для частоты излучения должен быть таким, чтобы энергия на один фотон не вызывала возможных нарушений экологии или биологической системы региона получения энергии. Ионизация биологических материалов начинается только с ультрафиолетового излучения и, как следствие, проявляется при более высоких частотах, что способствует тому, что для передачи энергии будет доступно большое количество радиочастот.
Главным преимуществом размещения космической электростанции на геостационарной орбите является то, что геометрия антенны остается постоянной, и поэтому поддержание направления антенн является более простым. Другим преимуществом является то, что непрерывная передача электроэнергии осуществляется сразу же, как только первая космическая электростанция оказывается на орбите, другие космические электростанции имеют гораздо более длительное время запуска.
Одной из проблем концепции SBSP является стоимость космических запусков и объем материалов, которые необходимо будет перевезти. Так как нельзя сразу доставить большую часть материалов на конечную орбиту, то существует вероятность, что доставка высокоэффективными (но более медленными, например ионными или ядерными) двигателями сделает стоимость энергии от такой системы намного дороже, чем стоимость энергии современных атомных электростанций.
Другая проблема связана с габаритными размерами антенны, передающей энергию на поверхность земли. Исследователи просчитали, что при передаче энергии микроволнами с частотой 2.45 ГГц диаметр передающей антенны будет близок к одному километру. При этом диаметр принимающей энергию области на поверхности Земли должен составлять не менее 10 километров, что потребует привлечения значительных земельных ресурсов. Эти размеры могут быть несколько уменьшены за счет использования более коротких волн, хотя они увеличивают поглощение в атмосфере и даже возможную блокировку луча в случае осадков. Создание небольших космических энергетических систем возможно, но экономически нецелесообразно.
Чтобы дать представление о масштабе проблемы, предположим, что масса солнечной панели составляет 20 кг на киловатт (без учета массы несущей конструкции, антенны или фокусирующих зеркал), тогда для строительства системы мощностью 4 ГВт необходимо будет отправить с Земли материалов общим весом около 80000 тонн. Очень легкие конструкции, вероятно, могут достичь показателя в 1 кг/кВт, что означает 4000 тонн для той же станции мощностью 4 ГВт. Это будет эквивалентно 40-150 запускам тяжелых грузовых кораблей для отправки материала на низкую околоземную орбиту, где он будет преобразован в подсборку солнечных батарей, которая затем с помощью высокоэффективных ионных двигателей достигнет геостационарной орбиты. Исходя из этого, по расчетам специалистов, предполагаемая стоимость серии запусков может составить от 11 до 320 млрд. долларов. К этим расходам необходимо добавить воздействие на окружающую среду выбросов в результате запуска тяжелых космических грузовиков. Для сравнения: прямые затраты на новую тепловую или атомную электростанцию составляют от 3 до 6 млрд. долларов ГВт (без учета затрат на защиту окружающей среды от выбросов CO2 или хранения отработанного ядерного топлива соответственно). К тому же срок службы космических коллекторов в условиях проблем, связанных с долгосрочным воздействием космической среды, в том числе деградацией от радиации и повреждением от космического мусора, также может стать проблемой для SBSP.
Джерард О'Нилл , отметив проблему высоких затрат на запуск в начале 1970-х годов, предложил строить космические энергетические станции на орбите из материалов с Луны. Стоимость запуска с Луны потенциально намного ниже, чем с Земли, из-за меньшей гравитации и отсутствия атмосферного сопротивления. Это предложение предполагало использование космических челноков, что в свою очередь потребовало бы значительных начальных капиталовложений для создания челноков. Тем не менее, в заключительном отчете об использовании лунных ресурсов для космического строительства был сделан вывод о том, что использование лунных ресурсов будет дешевле, чем на Земле.
В 1980 году стало очевидным, что оценка стоимости запуска космических челноков была крайне оптимистичной. О'Нилл и его коллеги опубликовали еще один способ производства с использованием лунных материалов и со значительно меньшими затратами на запуск. Эта концепция предполагала снижение присутствия человека в космосе и в большей степени ориентировалась на использование автономных систем на поверхности Луны под дистанционным управлением рабочих, размещенных на Земле.
В 2010 году компанией Shimizu был представлен проект космической энергетической установки, представляющей собой пояс из солнечных батарей, протянутый по всему экватору Луны (11 тыс. километров) и шириной 400 километров. Основное преимущество размещения солнечных панелей на Луне в том, что большая часть их может быть построена из местных материалов, вместо земных ресурсов, что значительно снижает массу и, следовательно, расходы по сравнению с другими вариантами космических солнечных электростанций. К тому же на Луне нет атмосферы и погодных явлений, поэтому энергию можно будет вырабатывать почти круглосуточно и с большим коэффициентом эффективности.
Также серьезно рассматривалось использование астероидов. Суть идеи состоит в том, чтобы использовать транспортное средство, которое будет собрано на орбите, для захвата и доставки фрагмента астероида на геостационарную орбиту. Такой способ предполагает сокращение затрат на запуск почти на 95%. Однако окончательно оценить достоинства такого метода можно будет только после тщательного изучения минерального состава астероидов-кандидатов. До сих пор мы имеем лишь оценки их состава. Одно из предложений состоит в том, чтобы захватить астероид Апофис и преобразовать его в 150 солнечных энергетических спутников по 5 ГВт каждый или использовать более крупный астероид 1999 AN10, размер которого в 50 раз превышает размер Апофиса и является достаточным, чтобы построить 7500 солнечных батарей мощностью 5 ГВт.
