Hyundai покаже чотириногий роботизований всюдихід
6 Січня , 2019
Samsung показала нові модульні мікросвітлодіодні телевізори
7 Січня , 2019

Чому майбутнє сонячної енергії спрямоване в космос

Понад сімдесят років тому, у 1941 році, Айзек Азімов написав оповідання, в якому енергію сонця передавали через мікрохвильові промені на сусідні планети за допомогою космічної станції. Пройшли роки, і сьогодні вчені намагаються втілити цю наукову фантастику в реальність на Землі. Концепції використання сонячної енергії, одержуваної з космосу, або безпосередньо в космосі розробляються з середини 20 століття. Безліч проектів чекають свого часу.

Сонячна енергія це майбутнє

Використовуючи сонячну енергію в космосі (SBSP), ми могли б вирішити наші проблеми з енергією і викидами парникових газів з мінімальним впливом на навколишнє середовище. Професор Серджіо Пеллегріно з Калтеха нещодавно заявив, що масштабне виробництво енергії системи SBSP і той факт, що наше сонце буде працювати ще 10 мільярдів років, дозволяють нам припустити, що джерело енергії у нас не вичерпається ще довго.

Одне з найбільших досліджень NASA за весь час, Satellite Power System Development Concept and Program Evaluation, було присвячене конкретно SBSP і обійшлося більше ніж у 50 мільйонів доларів, воно проводилося з 1976 по 1980 рік. Інше фундаментальне дослідження, що фінансується NASA, для переоцінки і розуміння здійсненності SBSP, називалося Space Solar Power Exploratory Research and Technology. Дослідження включало величезну кількість наукових досліджень, але в цілому висновок був таким:

«Великомасштабна SSP — це дуже складна інтегрована система систем, яка вимагає численних значних проривів в сучасних технологіях і можливостях. Розроблена технологічна карта, яка визначає потенційні шляхи для досягнення всіх необхідних проривів — хоча і протягом декількох десятиліть». — Джон С. Манкінс, 7 вересня 2000 року.

Зрозуміло, що нічого не зрозуміло. Давайте зануримось глибше в основу цієї експоненційної технології та її реалізованості.

Що таке сонячна енергія, одержувана з космосу?

Сонячна енергія, що видобувається в космосі, це концепція захоплення сонячної енергії в космічному просторі і передачі її прямо на Землю або інші найближчі планети.

Простіше кажучи, ми могли б помістити який-небудь механізм в космічний простір, щоб майже безперервно вловлювати енергію Сонця і передавати цю енергію на Землю. Це може відбуватися вдень або вночі, в дощ або при ясному небі. Як тільки ми отримуємо енергію на Землі на ректенну (спеціальна антена для отримання енергії), ми зможемо легко розподілити її за допомогою звичайних методів. Все дуже просто.

Існує маса ідей, пов’язаних з конфігурацією і архітектурою механізму SBSP, які ми могли б використовувати. Місце розміщення системи, архітектура супутників, збір енергії та передача енергії — це основні великі пункти, на які слід звернути увагу при розумінні різних систем SBSP. Враховуючи кількість пропонованих концепцій, ми розглянемо лише деякі з найбільш помітних варіантів.

Де розмістити систему видобутку сонячної енергії?

Геосинхронна, вона ж геостаціонарна, (ГСО) орбіта, середня навколоземна (СНО) і низька навколоземна орбіта (ННО) — ось варіанти до розгляду. Найбільш перспективною є ГСО через спрощену геометрію і вирівнювання антени по відношенню до ректенни, масштабованості і майже безперервної передачі енергії. Основна проблема ГСО — велика кількість радіаційного випромінювання. Загальні космічні небезпеки, такі як мікрометеорити або сонячні спалахи, також представляють загрозу.

Супутникова архітектура

Створити місячні фабрики з великою кількістю перевезень або ж розробити астероїди для складання або самозбирання супутників SBSP — в будь-якому випадку, створення автономних космічних фабрик буде складним завданням. Будь-яке будівництво в космосі потребує використання місцевих і безкоштовних матеріалів (тобто місячних), при цьому накладає певні обмеження на складність конструкцій, якщо порівнювати з тими, що можна побудувати на Землі.

Одна цікава установка, яку ми зараз будуємо на Землі, це модульна сонячна батарея розробки Калтеха і Northrop Grumann. Подивіться на неї на відео нижче.

Інша цікава концепція від приватної компанії Solaren. У майбутньому вона планує провести експеримент з будівництва сонячної електростанції SBSP потужністю 250 МВт на геостаціонарній орбіті. У 2009 році Solaren уклала угоду з найбільшою енергетичною компанією Каліфорнії PG&E на забезпечення її космічною сонячною енергією.

Навіть NASA з концепцією довільно великої фазованої решітки (розробленої в 2012 році) привернула до себе увагу Джона С. Манкінса, одного з провідних експертів SBSP в світі.

Як збирати енергію сонця в космосі?

Дві основні концепції, що пов’язані зі збиранням енергії, це використання фотогальванічних елементів (сонячних батарей) або сонячного тепла. Можна вловлювати сонячне тепло (а отже, і енергію), використовуючи дзеркала для концентрації світла та нагрівання рідини. Пар, у свою чергу, буде обертати турбіну і виробляти електрику. Ця концепція має деяку перевагу в порівнянні з сонячними панелями, оскільки знижує загальну масу на ват. Однак у більшості концепцій передбачається використовувати надлегкі і високоефективні фотоелектричні елементи.

Як передавати енергію сонця з космосу?

Мікрохвильова передача енергії — типовий вибір в конструкціях SBSP через загальну ефективність, але використання передачі енергії по лазерному променю — ще одна цікава опція через зниження ваги та вартості. Проте, при думці про потужний лазерний промінь виникає побоювання, що його можна перетворити на космічну зброю (промінь смерті). Однак протоколи безпеки могли б усунути цю загрозу. Конструкції можна створювати з урахуванням всіх вимог до безпечних рівнів мікрохвильової енергії. Не буде ніякої загрози для жителів міст і живих істот на шляху променів до землі. Простий зворотний зв’язок між антеною та ректенною дозволив би вимикати передачу, якщо вона відхилиться від курсу.

Тепер, коли ми краще зрозуміли, що таке SBSP, давайте зануримося в її найбільші обмеження.

Вартість установки передачі космічної енергії

Може здатися, що все прекрасно і сонце буде мільярди років забезпечувати нас безкоштовною енергією. Проте завжди є “але”. Ми вже відзначили ряд проблем безпеки, але головна перешкода пов’язана з витратами на відправку всіх матеріалів, необхідних для SBSP. Поточний кошторис витрат на відправку приблизно 1 кг корисного вантажу в космос варіюється від 9000 до 43 000 доларів США в залежності від використовуваної ракети і космічного апарату.

Якщо ми поглянемо лише на відправку сонячних панелей, нижня межа спектру витрат на запуск надлегкої системи SBSP потужністю 4 МВт становить 4000 метричних тонн. Але найімовірніше SBSP буде в діапазоні 80000 метричних тонн.

Низька оцінка: 4000 метричних тонн х 9000 доларів за кілограм = 36 000 000 000 доларів

Висока оцінка: 80 000 метричних тонн х 43 000 доларів за кілограм = 3 440 000 000 000 доларів

Хоча ці цифри будуть дуже приблизними, ми все ще отримуємо приблизну вартість від 36 мільярдів доларів до 3,4 трильйона доларів, і використання фабрики на Місяці або астероїді вже не здається таким дорогим.

Результати дослідження NASA показують, що космічна сонячна енергія є «економічно життєздатною», якщо стартові витрати будуть коливатися в межах 100-200 доларів за кілограм. Хоча ціни продовжують падати, в тому числі завдяки багаторазовим ракет SpaceX, доведеться пройти ще довгий шлях. Проте, ця тенденція буде слідувати закону прискореної віддачі Рея Курцвейла, і ціни на запуски будуть продовжувати знижуватися з мільярдів і мільйонів до декількох сотень доларів.

Зайве говорити, що проблема не в технології, а в її вартості.

Майбутнє сонячної енергії

Здатність SBSP забезпечувати чисту і надійну електроенергію для планети цілодобово і без вихідних дешевше будь-якого іншого джерела — абсолютно реальна. Але будуть потрібні десятиліття інвестицій, збирання, тестування та успішного впровадження, перш ніж система почне окупати свої початкові витрати.

І все ж, найважливішим компонентом просування SBSP як фактичного джерела енергії є правильний політичний клімат.

Навіщо нам енергія сонця?

Якщо не брати до уваги політику, отримавши SBSP (або ядерний синтез) в наступному десятилітті, ми могли б почати освоювати такі наукові концепції:

  • Космічні ліфти і космічні вежі
  • Орбітальні кільця — використовуючи космічні ліфти, створити кільце навколо Землі замість космічної станції для дешевого пересування вантажів і освоєння космосу
  • Сфери Дайсона — гігантські оболонки, що охоплюють цілу зірку і поглинають весь її вихід енергії
  • Мозок-матрьошка — мегаструктури на основі сфери Дайсона для перетворення зірок у масивні комп’ютери з використанням всієї енергії, що виділяється зіркою
  • Світи-кільця — штучні кільцеві планети, що будуються навколо зірки

Джерело

Author: LEU

Головний редактор сайту uaengineer.com.ua

LEU
LEU
Головний редактор сайту uaengineer.com.ua

1 Коментарій

Залишити відповідь

Увійти за допомогою: