Google PlusFacebookTwitter

Энергетические установки на орбите. Солнечные электростанции

Окт 25, 2017 в Перспективы орбитальных сборочно-сервисных комплексов | один комментарий

Share On GoogleShare On FacebookShare On Twitter

Работы в области разработки КСЭС (космические солнечные электростанции, — ред.) активно проводятся за рубежом в ведущих научно-исследовательских центрах и фирмах НАСА, а также в Японском и Европейском космических агентствах. Солнечные электростанции являются самым экологически чистым способом получения энергии.

Все энергоносители на Земле, кроме ядерных, являются производными Солнца. Лауреат Нобелевской премии по физике академик Ж.И. Алферов считает, что «Ставка на солнечную энергетику должна рассматриваться как беспроигрышный вариант, но в долговременной перспективе и как безальтернативный выбор для человечества».

П Р И Н Ц И П   Р А Б О Т Ы

Основная идея солнечных космических электростанций заключается в том, что установки, расположенные на геостационарной орбите, концентрируют солнечное излучение. Геостационаарная орбита — это круговая орбита, расположенная над экватором Земли (0° широты), находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси. Солнечная энергия будет преобразовываться в электричество уже в космосе, а на Землю его станут передавать посредством микроволнового передатчика или с помощью лазера.

На Земле электричество запустят в сеть. Прототип электростанции будет значительно меньших размеров и должен показать, реально ли воплотить эти замыслы в жизнь. В целом космическая энергосистема выглядит так: зеркала-концентраторы направляют на солнечную панель излучение, которое преобразуется в мощный микроволновый луч с частотой 2,5–6 Ггц, который и направляют на приемную станцию, расположенную на поверхности Земли.

Такая система позволяет концентрировать зеркалами на 35% больше излучения – как известно солнечное излучение рассеивается при попадании в атмосферу Земли. Микроволновая передача энергии позволяет довести КПД передачи до 80–90%, однако использование микроволнового излучения накладывает ряд ограничений. Во-первых, это размер передатчика – даже при низшей границе частоты передачи в 2,5 Ггц он составит около километра.

Приемник еще больше – около 10 километров. Во-вторых, электронные компоненты, позволяющие преобразовывать свет в микроволновое излучение и работать при огромных температурах, пока существуют лишь в виде малопригодных к промышленному использовании лабораторных прототипов. В-третьих, размеры зеркал и солнечных батарей оказываются в разы больше передатчика. Все вместе это километры материалов, которые нужно не только поднять на орбиту, но и собрать и настроить.

По словам экспертов, теоретически эффективность космических солнечных электростанций может быть вдвое выше по сравнению с наземными. На орбите спутник освещен солнцем круглогодично и круглосуточно, тогда как наземная солнечная электростанция может работать только днем в отсутствие сильной облачности.

П Р О Е К Т Ы   Р О С С И И

Российские ученые предлагают создать космическую солнечную электростанцию на орбите Земли, поскольку такой способ получения энергии дешевле, чем добыча углеводородного топлива. Об этом, по сообщению ТАСС, говорится в докладе представителей головного научного института Роскосмоса ЦНИИмаш, Московского авиационного института и НПО имени Лавочкина на Академических чтениях по космонавтике.

«Космическая техника способна решить проблемы энергообеспечения землян электроэнергией и стабилизации погоды путем создания космических солнечных электростанций (КСЭС). Необходима государственная программа создания КСЭС в России, как это сделано в Японии, и первым этапом этой программы (должно стать) создание экспериментального маломасштабного (порядка 10 кВт) центробежного лазерного прототипа КСЭС на грузовом корабле «Прогресс» или специализированной платформе», – говорится в документе.

Как отмечают ученые, в Японии после аварий на трех атомных реакторах была принята программа создания Космической СЭС, сроки намечены на 2025 год. «Поскольку цена «космического электричества» ожидается в 6 раз дешевле земного, то возможно быстрое завоевание Японией мирового энергетического рынка. При этом такие организации, как «Газпром», «Роснефть», Росатом с большими человеческими ресурсами и планами станут не востребованы и наступит конец эры углеводородов», – говорится в докладе. Солнечные электростанции на околоземной орбите будут установлены через 10-20 лет.

Российская академия наук совместно с предприятиями ракетно-космической отрасли, электроники и рядом вузов планируют реализовать проект по разработке космической солнечной электростанции. По словам специалистов, мощность КСЭ может достигать 10 гигаватт, что соответствует мощности двух Братских ГЭС. Основной сложностью остается разработка технологии передачи энергии на землю. Например, в ЦНИИ машиностроения считают наиболее рациональным путем передачи энергии из космоса на Землю использование инфракрасного лазера, который более безопасен, чем СВЧ-система.

Такие разработки ведутся в Ракетно-космической корпорации «Энергия» и НПО имени Лавочкина. «Мы хотим организовать своеобразный космический кластер по этому проекту, куда войдут предприятия отрасли, предприятия электроники, вузы. Если в США к 2016 году сделают эту станцию, как они в свое время объявили, а мы к тому времени только начнем ее делать, будет уже поздно», – заявил во вторник главный научный сотрудник российского Центрального научно-исследовательского института машиностроения Виталий Мельников.

Пока в России «проектируется демонстрационный прототип КСЭС мощностью 100 киловатт». В этой работе участвует ряд предприятий ракетно-космической отрасли, в том числе РКК «Энергия» и НПО имени Лавочкина. «В настоящее время мы находимся на этапе становления кластера из заинтересованных предприятий», – сказал Мельников. Создание КСЭ, по его словам, решит проблему глобального энергетического кризиса и проблему экологических и климатических последствий воздействия сегодняшней энергетики на окружающую среду.

Как отмечает РИА «Новости», в США разработки такой станции ведутся с 1968 года, в Японии – с 90-х годов прошлого века. Последняя планирует создать станцию к 2025 году, что обойдется стране примерно в 21–24 млрд долларов. «По данным японцев, вырабатываемое на КСЭ электричество будет в шесть раз дешевле, чем электричество, производимое на Земле», – заметил Мельников. По его мнению, если Россия опоздает с развертыванием КСЭ, а в космосе появятся зарубежные электростанции, то ее «ждет обесценивание ресурсов». «Поэтому надо успеть занять свое место на рынке космического электричества. Россия является единственной страной в мире, имеющей опыт создания бескаркасных центробежных космических крупногабаритных конструкций», – приводит его слова «Интерфакс».

А М Е Р И К А Н С К И Й   О П Ы Т

Реализация идеи размещения солнечных электростанций на околоземной орбите будет технически возможна уже через 10 — 20 лет. В этом убеждена группа экспертов, подготовивших по заданию Международной академии астронавтики доклад о потенциальных способах улавливания солнечной энергии в космосе и ее беспроводной передачи на Землю.

«Совершенно ясно, что солнечная энергия может сыграть чрезвычайно важную роль в удовлетворении глобальных энергетических потребностей в XXI-м веке», — заявил глава группы экспертов бывший глава отдела новых технологий НАСА Джон Мэнкинс. В докладе, однако, не указывается, какую сумму нужно потратить, чтобы претворить в жизнь эту концепцию.

Но речь, безусловно, идет о многих миллиардах долларов, необходимых для разработки многоразового носителя, который доставлял бы спутники с солнечными панелями на орбиту, производства самих спутников и панелей, создания наземной и космической инфраструктуры. Без помощи со стороны государства частный сектор вряд ли будет в одиночку заниматься этими вопросами из-за «экономических неопределенностей», связанных с периодами разработки соответствующих технологий и их испытаний, говорится в 248-страничном докладе.

Концепция предполагает размещение на геосинхронной орбите над экватором спутников, каждый из которых будет оснащен солнечными батареями. Общая площадь будет достигать нескольких квадратных километров. Выработанную электрическую энергию планируется передавать на Землю с помощью электромагнитных волн СВЧ-диапазона или лазера. Одно из главных преимуществ орбитальных электростанций по сравнению с наземными солнечными батареями, как указывают эксперты, заключается в том, что они смогут улавливать энергию Солнца в течение всего времени суток.

НАСА, в свое время, подписало контракт на 100 тыс долларов с консультационной компанией, которую он сейчас возглавляет — «Артемис инновэйшн мэнеджмент солюшнс», на дальнейшую проработку концепции. Американское правительство выделило 20 млн долларов агентству NASA и компании Boeing для расчёта целесообразности проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite). Как показали расчеты, такой спутник вырабатывал бы 5000 мегаватт энергии, после передачи на Землю оставалось бы 2000 мегаватт. Для сравнения: мощность одной лишь Красноярской ГЭС составляет 6000 мегаватт.

При этом стоимость космического проекта тогда оценили в 1 трлн долларов, что и послужило причиной закрытия программы. В 2009 году молодая калифорнийская компания Solaren пообещала запустить в космос коммерческую солнечную электростанцию на 200 мегаватт уже в 2016 году. В процессе работы специалисты Solaren поняли, что для постройки и запуска солнечных орбитальных электростанций не потребуется создавать какие-то невероятные новые технологии или новые ракеты-носители. Можно обойтись уже имеющимися.

В том же 2009 году Solaren обещала привлечь к этой работе таких промышленных гигантов, как Boeing и Lockheed Martin. Для решения проблемы космических солнечных электростанций фирма «Боинг» рекомендует провести исследования в следующих направлениях:

1 Солнечные элементы. Максимальные усилия должны быть направлены на разработку технологии изготовления элементов солнечных батарей низкой стоимости с совершенными рабочими характеристиками при малой массе. Для этого необходимо изучить возможности уменьшения стоимости элементов посредством автоматизации их производства и применения перспективных преобразователей, таких, как тонкопленочные элементы из арсенида галлия.

2 Тепловые двигатели. Следует создать материалы, необходимые для регулирования температур спутников как с тепловыми двигателями, так и с солнечными фотопреобразователями, а также материалы для тепловых двигателей, предназначенных для космических солнечных электростанций.

Хотя исследования показывают, что космические солнечные электростанции на основе фотопреобразователей имеют определенное преимущество по сравнению с электростанциями на основе тепловых двигателей, было бы желательно получить исчерпывающие данные по обеим системам для окончательное выбора.

3 Передача энергии в микроволновом диапазоне. Биологическое влияние микроволнового излучения, а также нормы и инструкции по защите от него были исследованы министерством энергетики и НАСА. Было рекомендовано направить дальнейшие исследования на выяснение влияния микроволнового излучения спутниковых солнечных электростанций на ионосферу Земли.

Необходимы также исследования в области усиления мощности микроволнового излучения и регулирования фазы для правильной оценки влияния системы передачи энергии на живые организмы и системы связи. Полученные данные послужат основой для более детальных изучений влияния микроволнового излучения на миграцию птиц, развитие растений, возможность использования Земли под ректеннами для сельскохозяйственных нужд.

Хотя в предварительных исследованиях не была выявлена опасность микроволнового излучения для внешней среды, эта проблема должна быть полностью решена до перехода к стадии создания демонстрационной космической электростанции.

4 Космические конструкции. Долговечность материалов в космических условиях является весьма важным требованием. В отчетах фирм предлагается подвергать композиционные материалы, предназначенные для конструкционных элементов электростанции всесторонним

испытаниям в больших вакуумных камерах, моделирующих космические условия.

5 Системы управления полетом. Важной технической проблемой является управление большими гибкими системами в космосе. Системы ориентации должны управлять положением в пространстве огромных солнечных батарей площадью около 100 км2 для непрерывного слежения за Солнцем и направления микроволновых пучков на ректенны.

6 Методы строительной техники. Следует разработать автоматизированное строительное оборудование для околоземной сборочной базы. Примерами такого оборудования являются установки для сборки конструкций, развертывания солнечных батарей, средства транспортировки обслуживающего персонала и оборудования, системы контроля и отображения информации.

7 Транспортные системы. Следует создать ракетные и авиационно-ракетные системы, способные выводить на низкую околоземную орбиту больше полезных грузов при минимальной их стоимости, а также высокоэффективные электроракетные двигатели для межпланетных транспортных аппаратов.

8 Система распределения энергии. Необходима значительно большая информация для создания преобразователей энергии малой массы и оценки взаимодействия с системами терморегулирования и аппаратурой высоковольтных выключателей. Преобразование электрической энергии в энергию микроволнового излучения потребует разработки клистронов (высокочастотных усилителей) с характеристиками, на несколько порядков превышающими характеристики современных систем.

Процедура сборки КСЭ на геостационарной орбите (по материалам фирмы «Боинг»)

1 Тяжелые транспортные корабли многоразового использования (МТКК) запускаются с мыса Канаверал, шт. Флорида и выводят на низкую орбиту астронавтов-монтажников, грузы, запасы пищи и расходуемые материалы.

2 На орбитальной космической платформе с оборудованием для астронавтов-монтажников, запасом топлива, установками производится сборка элементов конструкции и другим промышленным оборудованием.

3 Пассажирский межорбитальный транспортный корабль совершает частые перелеты на геостационарную орбиту, доставляя астронавтов-монтажников, инструменты и оборудование.

4 Электроракетный межорбитальный транспортный корабль, медленно набирая высоту, достигает геостационарной орбиты примерно через 140 сут. Доставляет секции КСЭ для окончательной сборки.

5 Окончательная сборка производится на геостационарной орбите.

6 Полностью собранная КСЭ готова к эксплуатации. Антенны, шириной 1000 м фокусируют микроволновые пучки большой мощности на ректенну на Земле.

7 Микроволновые пучки посылаются в развивающиеся страны.

В «Боинг» считают, что наиболее целесообразно начинать сооружение КСЭ с создания на низкой околоземной орбите космического завода, где устанавливается оборудование для изготовления элементов силовых конструкций КСЭ. Первой задачей является создание больших межорбитальных транспортных кораблей, доставляющих секции КСЭ на геостационарную орбиту, где проводится окончательная сборка. Элементы ферм малой массы могут быть изготовлены из графита и эпоксидных материалов, чтобы ограничить температурное напряжение, возникающее в элементах конструкции на высокой орбите. По завершении сборки конструкции (согласно проекту фирмы «Грумман») завод отодвигается от нее, как бы раскатывая огромные свернутые ковры солнечных элементов. Автоматически они натягиваются по верхней поверхности спутника, чтобы захватывать прямые солнечные лучи.

Тяжелая ракета-носитель

Функционирует между базой на Земле и низкой околоземной орбитой. Полностью многоразовый возвращаемый аппарат, имеющий две ступени.

Топливо для бустерной ступени: жидкий кислород — жидкий метан, для орбитальной ступени: жидкий кислород — жидкий водород.
Стартовая масса 11 000 т. Полезный груз 380 т (нетто) и 420 т (брутто).
Стоимость одного полета 14 млн. долл. (в ценах 1979 г.).

Пассажирский межорбитальный транспортный корабль

Предназначен для доставки астронавтов-монтажников и грузов на сборочную базу на геостационарной орбите. Двухступенчатый, многоразовый.

Топливо: жидкий кислород — жидкий водород. Тяга бустерной ступени 184 000 кгс, второй ступени 92 000 кгс.

Полезный груз: отсек экипажа — масса 4 т, экипаж 2 человека; пассажирский отсек — масса 36 т, 160 пассажиров.

Грузовой отсек — масса 96т.
Запасы продовольствия на 480 чел.-мес.

Электроракетный межорбитальный буксир

Предназначен для перевозки тяжелых полезных грузов между низкой околоземной и геостационарной орбитами. В этом огромном аппарате размером 1040 Х 1510 м используются солнечные электроракетные двигатели малой тяги. Для доставки на геостационарную орбиту 4000 т полезного груза требуется 180 суток, для возвращения на низкую околоземную орбиту 200 т требуется 40 суток. Начальная мощность 300 МВт. Площадь фотоэлектрических батарей 1.5 км2.

Тяга электроракетного двигателя 340 кгс. Сухая масса 1460 т. Рабочее вещество электроракетных двигателей — аргон. В дополнительных ракетных двигателях, используемых в периоды пребывания аппарата в тени и для высокоскоростных маневров, применяется топливо: жидкий кислород — жидкий водород. В качестве преобразователей энергии фирма «Боинг» выбрала кремниевые фотопреобразователи, а фирма «Рокуэлл» — фотопреобразователи из арсенида галлия.

Хотя последние позволяют повысить к. п. д. преобразования энергии до 40%, кремниевые фотопреобразователь обеспечивают меньший риск при более совершенной технологии. Обе группы старались разработать надежные установки, по возможности не требующие ухода и способные прослужить более 30 лет благодаря применению дублирующих систем. Поддержание номинальной выходной мощности, которая может снижаться вследствие радиационного повреждения фотоэлементов, возможно либо путем увеличения площади батареи, чтобы компенсировать ухудшение энергетических характеристик солнечных элементов в процессе их эксплуатации, либо путем применения дополнительной защиты в виде более толстых стеклянных покрытий.

Солнечные элементы, вышедшие из строя под действием солнечных вспышек, могут быть восстановлены на месте с помощью системы газовых лазеров на углекислом газе. При медленном движении луча лазера по поверхности батареи достигаются требуемая освещенность и плотность энергии.

Природа радиационного повреждения — возникновение дефектов кристалла, и процесс восстановления состоит просто в повышении температуры кристалла до точки, при которой тепловая активность ликвидирует эти дефекты. Трудно представить, что такие огромные инженерные сооружения, как солнечные космические электростанции, можно создать без использования промежуточной сборочной базы на низкой околоземной орбите, к которой могут пристыковываться космические аппараты. Усовершенствованные варианты современного «Шаттла» можно будет использовать для выведения в космос большого числа специалистов для работы на промежуточной сборочной базе, а космические буксиры — для доставки обслуживающего персонала на геостационарную орбиту.

Итак, инженерная мысль должна найти способ ежегодного выведения в космос поистине поражающего воображение количества полезного груза — около 900 000 т! Детальные исследования, проведенные к настоящему времени, показали, что подобные концепции могут быть реализованы в обозримом будущем, возможно, в конце текущего столетия.

Естественно, предстоит еще много работы над проблемами выбора частот, не подверженных воздействию погодных условий, минимизации побочных эффектов рассеяния микроволнового пучка, эффективного преобразования энергии и для доказательства того, что облучение живых существ микроволновым пучком безопасно. Специалисты в области космической техники утверждают, что для строительства солнечных электростанций не требуется фундаментальных технических достижений.

Однако в настоящеевремя об этом говорить еще рано. Многое зависит от достижений в других направлениях энергообеспечения развития, и в частности, в области использования термоядерной энергии. Пока ясно лишь одно. Запасы минерального и ядерного топлива на Земле ограничены. Стоимость вырабатываемой из них энергии будет возрастать. И тогда, для обеспечения дальнейшего развития Земной цивилизации понадобится энергия природного термоядерного источника — Солнца.

Я П О Н С К И Й   П Р О Е К Т

В Японии для создания орбитальной солнечной электростанции объединились шестнадцать компаний, включая Mitsubishi Heavy Industries. Станция призвана поставлять энергию 300 тысячам домов в окрестностях Токио. Space solar power system (SSPS) предусматривает развертывание на геостационарной орбите поля из солнечных панелей площадью примерно 4–6 квадратных километров. Произведенную имиэнергию вниз будет доставлять либо поток микроволнового излучения, либо мощный и высокоэффективный лазер. Средняя выходная мощность такой системы должна составить 1 гигаватт («на грунте», с учетом всех потерь при передаче из космоса), пиковая – 1,6 гигаватта. Для построения космической солнечной электростанции нужно решить ряд непростых вопросов, главный из которых – сборка основного сооружения на орбите и стоимость системы, в которой львиную долю составит даже не цена солнечных преобразователей, а затраты на запуски ракет. Японцы рассчитывают, что при росте масштаба реализации «космическое электричество» обещает стать недорогой и «зеленой» альтернативой нефти. К тому же они подсчитали: проект может стоить «всего» 22 млрд долларов (против одного «американского» триллиона), если расценки на подъем сравнительно тяжелых аппаратов на орбиту снизятся до 110 млн за пуск. Примерно в 2015 году японцы намерены запустить на низкую орбиту демонстрационный спутник, который будет не только вырабатывать электричество своими солнечными панелями, но и сбрасывать его на Землю по «силовому лучу». Мощность такого прототипа летающей солнечной станции составит 100 киловатт. А полноразмерную промышленную установку на геостационаре Япония намерена развернуть в 2025- 30 году. Взгляды правительства «являются определенной вехой в энергетике и вызвали большое волнение среди исследователей солнечных космических энергоустановок», — заявил президент Университета Киото Хироши Мацумото (Hiroshi Matsumoto). Япония занимается исследованиями в данной области начиная с 80-х годов. В 1983 и 1993 Мацумото в ионосферу была запущена ракета с целью исследования распространения микроволн (H. Мацумото Radio Sci. Bull. 273, 11-35, 1995). В марте этого года группа ученых из Университета Киото впервые использовала микроволны для передачи энергии с неподвижно висящего на высоте 30 метров дирижабля на поверхность Земли.
Текущие планы предусматривают расширение исследований, а именно серию тестов, где каждый последующий тест со все большей мощностью. Сперва будет продемонстрирована наземная передача энергии в киловаттном диапазоне мощности. Далее передача той же мощности из космоса, либо с японского модуля Кибо пристыкованного к МКС, либо с небольшого спутника. К 2020 исследователи рассчитывают иметь опытный образец спутника, передающего энергию в диапазоне мощности в сотни киловатт, а к 2030 — в гигаваттном диапазоне. Как это видится сегодня, система, запущенная к 2030 году, будет представлять собой, массив солнечных элементов шириной в несколько километров, с массивом передающих антенн в 1 миллиард штук, каждая из которых размером в 5-10 сантиметров, направленных в сторону Земли. Цель состоит в том, чтобы сделать спутники стоимостью менее 1 триллиона йен (11 миллиардов долларов США) каждый. Их стоимость в настоящее время оценивается в сто раз больше. Одна из проблем, которую предстоит решить, это увеличение эффективности передачи энергии до уровня в 75%. В эксперименте с дирижаблем она составила только 40%, хотя на нем и использованы иные технологии, чем те, что предполагаются на спутнике. Также в сто раз требуется сократить стоимость запуска ракет. Рассматриваются варианты использования многоразовых ракет. На встрече в Токийском Университете в ноябре обсуждалось, как удаленный источник микроволн может питать ракету. Это позволило бы ракетам нести меньше топлива, больше антенн и солнечных батарей, что помогло бы в строительстве солнечных электростанций космического базирования. Согласно оценка Мацумото для демонстрации технологии спутников-солнечных электростанций на поверхности Земли потребуется от 2 до 3 миллиардов йен, для демонстрации в космосе от 10 до 50 миллиардов йен. Национальный план космической деятельности призывает «всю Японию» в течении трех лет подготовиться к демонстрации солнечной электростанции космического базирования. Как заявил Джона Мэнкинс (John Mankins), возглавлявший отдел солнечных космических энергоустановок в НАСА: «Япония очень хорошо сформулировала планы и намерена проложить путь в этой области, интерес же США к ней несколько угас». Большинство усилий в США в данном направлении идет со стороны частных компаний и некоммерческих организаций. В апреле этого года компания Solaren (Калифорния, США) подписала контракт с Pacific Gas and Electric (Сан-Франциско, США) на производство 200 мегаватт энергии на солнечной спутниковой электростанции начиная с 2016 года. Солнечные электростанции космического базирования были мечтой в течении нескольких десятилетий как в США, так и в Японии. Им не страшны ни тучи, ни ночь. Однако высокая стоимость их создания была сдерживающим фактором. Тем не менее теперь у Японии появилось новое понимание данного вопроса. В июне там был представлен национальный космический план, призывающий к программе «мирового лидерства в сфере солнечной энергетики космического базирования». В начале ноября в Университете Киото была проведена встреча политиков, инженеров и ученых по данному вопросу.

 

К И Т А Й С К А Я   П Р  О Г Р А М М А

Китайские исследователи предложили государству выделить триллион долларов на создание солнечной космической электростанции, которая будет посылать энергию на Землю с помощью микроволн или лазеров. Предполагаемую космическую электростанцию государственное агентство «Синьхуа» описывает как «космические супераппараты на геостационарной орбите, оборудованные огромными солнечными батареями».

Согласно докладу Китайской академии космической техники, китайские власти начали финансирование этой программы еще в 2010 году. «Тот, кто получит данную технологию первым, может занять в будущем лидерские позиции на энергетическом рынке.

Так что она имеет большое стратегическое значение», — считают представители проекта из Китайской академии наук. По их подсчетам, такая электростанция сможет генерировать до 100 МВт электроэнергии. По оценкам, сделанным в 2011 году, проект будет стоить около триллиона долларов.

Станцию размером больше чем МКС планируется разместить на высоте 36 000 километров над поверхностью Земли. Китайские ученые считают, что это позволит решить энергетический кризис на нашей планете. Экспериментальная космическая солнечная электростанция будет построена и размещена на орбите Земли к 2030 году, а готова к коммерческой эксплуатации — к 2050 году, пишет IBTimes. За строительство орбитальной электростанции выступил 93-летний академик Китайской академии наук и член Международной академии астронавтики Ван Сицзи, посвятивший исследованию космических технологий больше 50 лет своей жизни. Экономически жизнеспособная космическая электростанция будет действительно гигантских размеров, общая площадь солнечных панелей составит 5-6 тысяч квадратных километров, — сообщил Сицзи. По словам экспертов, такая станция сможет собирать солнечную энергию 99 процентов времени. Космические солнечные панели смогут генерировать в десять раз больше электричества, чем аналогичные наземные панели на единицу площади. Вырабатываемая электроэнергия будет преобразовываться в микроволны или лазерный луч для передачи на коллектор, расположенный на Земле. Проект станет экономически выгодным, как только эффективность передачи энергии превысит 50 процентов. Идея строительства космической электростанции была впервые описана в научно-фантастическом рассказе Айзека Азимова «Логика» (Reason) в 1941 году. Как говорит Сицзи, который разработал первую китайскую ракету-носитель более 40 лет назад, одним из главных препятствий в реализации столь масштабного проекта является необходимость использования недорогой, но тяжелой ракеты-носителя, а также создания очень тонких и легких солнечных батарей. Китай также выразил желание разработать новое поколение ракет-носителей тяжелого класса. Ожидается, что орбитальная космическая электростанция поможет уменьшить загрязнение воздуха от выбросов многочисленных станций, работающих на ископаемых видах топлива. На сегодняшний день Китай является крупнейшим в мире потребителем энергии. Кроме того, страна занимает первое место по объему выбросов парниковых газов в атмосферу. Источник: https://helionews.ru/57141-kitai-razmestit-na-orbite-ogromnuu-elektrostanciu.html

Военный потенциал

Предлагаемые лазерные и микроволновые системы имеют большой военный потенциал. Станция может быть использована в качестве противоспутникового оружия, в системах противоракетной обороны или для целенаправленного уничтожения электроники противника. Национальный центр наземной разведки США (NGIC) еще в сентябре 2010 года опубликовал доклад, в котором предупреждал об опасности, исходящей от вооружений, которые китайцы разрабатывают в рамках стратегии «победы над более могущественным соперником».

Если оснастить такую станцию средствами управления и наведения, то получится очень мощное микроволновое оружие, которое можно использовать для создания помех в коммуникационных системах, для выключения ракетных систем, а для других применений, направленных на массовое уничтожение электроники. Это очень серьезные стремления со стороны Китая. И очень тревожно, что китайские власти уже нашли достаточно средств, чтобы начать создание такой системы.

Долгосрочные планы

Концептуальный проект солнечной космической электростанции был утвержден Министерством промышленности и информационных технологий КНР в 2010 году, вскоре после того, как китайские исследователи сформулировали предложение о разработке такой системы. Программа имеет длительный цикл развития.

Некоторые аналитики считают, что тестирование системы на орбите начнется в 2020 году, а в 2025 году будет проведена первая демонстрация работы солнечной космической станции. По мнению экспертов, система сможет генерировать электричество только в 2035 году, и станет коммерчески жизнеспособной к 2050 году. Одно из самых больших препятствий на пути проекта — отсутствие в настоящий момент технологий, необходимых для реализации программы.

Китаю для этого нужны более тонкие и легкие солнечные панели, а также аппараты, способные выводить на околоземную орбиту полезную нагрузку весом более 100 тонн. Для нормального функционирования космической электростанции нужно, чтобы сохранялось более половины энергии, передаваемой наземным станциям с помощью лазера или пучка микроволновых волн. В настоящее время такой технологии не создано, но работы в этом направлении усиленно ведутся.

ОРБИТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ПОЯВЯТСЯ СОВСЕМ СКОРО?

На международном симпозиуме по космической солнечной энергетике SPS 2014 специалисты из разных стран мира обсудили текущее состояние дел в этой области. Ученые пришли к выводу, что сегодня человечество как никогда близко подошло к возможности создания космических солнечных электростанций (КСЭ) мегаваттного класса. В некоторых областях, например, борьбе с ураганами или поставках энергии в зоны ведения боевых действий, КСЭ не только окупится, но и принесет прибыль. Космические солнечные электростанции представляют собой большой массив солнечных панелей, выведенных на геостационарную орбиту.

Благодаря большой площади и отсутствию атмосферных помех такие электростанции будут собирать огромное количество энергии, которую можно отправлять на Землю с помощью лазерного луча или микроволн.

Ключом к реализации данной идеи является низкая стоимость многоразовых ракет-носителей, которые могли бы доставить в космос груз в сотни тонн солнечных панелей и сопутствующих конструкций. По мнению ученых, в ближайшее время стоимость вывода груза на орбиту резко упадет, и первые КСЭ будут выведены в космос.

Сегодня только Япония имеет масштабную государственную программу в области КСЭ и планирует миссии, которые, в конечном счете, позволят построить в космосе электростанции мощностью в гигаватты (для сравнения энергоблок АЭС выдает мощность примерно 1000 мегаватт). Кроме того, исследования в области КЭС ведет и Китай: каждый года на них тратится примерно $30 млн. «Для строительства КЭС мы должны иметь многоразовые ракеты», — говорит почетный профессор JAXA Сусуми Сасаки (Susumu Sasaki) из Токийского университета.

Ученый подсчитал, что при нынешней стоимости запуска в $10 тыс. за 1 кг полезной нагрузки, стоимость электроэнергии гигаватной КЭС массой 10 000 т будет равна $1,12 за 1 кВт*ч. Это слишком дорого для конкуренции с ТЭЦ или АЭС, хотя и приемлемо для зон боевых действий, где сегодня электричество вырабатывают неэффективные дизельные генераторы. Сокращение стоимости запуска до $1000 за 1 кг снизит цену электроэнергии КЭС до 18 центов за 1 кВт*ч.

Для сравнения, в Техасе нынешняя цена на электроэнергию начинается с 9 центов за 1 кВт*ч, а в некоторых регионах США приближается к 20 центам. В настоящее время компания SpaceX испытывает прототип многоразовой ракеты-носителя, которая, в случае успешного завершения разработки, позволит доставлять в космос грузы по «заветной» цене в $1000 за 1 кг. C этого момента, по мнению японского ученого, можно начать сборку первой опытной КЭС с темпом вывода груза примерно по 50 тонн в год.

Всего за 15 рейсов ракеты-носителя на орбите будет построена КЭС мегаваттного класса. Разумеется, строительство гигаваттной электростанции потребует большего количества рейсов, но мощность станции можно наращивать постепенно. К тому же технологии не стоят на месте, например, повышение КПД солнечных ячеек резко ускорит процесс строительства.

Что касается безопасности при передаче энергии на Землю, то Сусуми Сасаки подчеркивает безопасность широкого луча микроволнового излучения: внутри него даже смогут без вреда для здоровья летать птицы. Единственная проблема, которую предстоит решить, — это выбор диапазона для передачи. Скорее всего, космическая электростанция будет передавать энергию на частотах микроволны 2,45 ГГц или 5,8 ГГц, поскольку эти частоты меньше всего подвержены воздействию погодных условий. КЭС не должна «глушить» беспроводные сети, работающие в данном диапазоне.

Надо отметить, что КЭС применима и для управления климатом. Сфокусированный микроволновый луч может «гасить» штормы и уводить торнадо от густонаселенного побережья. Таким образом, даже только для уменьшения многомиллиардных убытков от стихийных бедствий, строительство КЭС не кажется бессмысленной затеей.

Один комментарий

  1. Юрий

    23.04.2019

    Ответить

    Перспективность целенаправленных исследований для получения наноматериалов космического энергетического применения в сочетании с композитами и сверхпроводниковыми материалами определит эффективность термодинамического способа преобразования солнечной радиации.

Добавить комментарий для Юрий Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code