Мечта Азимова о сборе солнечной энергии из космоса может стать реальностью

Это идея прямо из научной фантастики: космическая станция вращается вокруг Земли, собирая энергию Солнца и направляя ее на нашу планету. Айзек Азимов популяризировал эту концепцию в своем рассказе «Разум» 1941 года, и с тех пор о ней мечтают футуристы.

Но эта идея — больше, чем просто праздная фантазия — это очень практичная концепция, которую реализуют космические агентства по всему миру, и она почти в пределах досягаемости современных технологий. Это могло бы даже стать решением энергетического кризиса здесь, на Земле.

Мы поговорили с одним из людей, надеющихся воплотить эту концепцию в жизнь, Леопольдом Саммерером, руководителем отдела перспективных концепций и исследований Европейского космического агентства, чтобы узнать, как мы можем воплотить эту мечту в реальность.

Строительство лучшей солнечной электростанции

Солнечная энергия имеет много преимуществ перед ископаемым топливом или другими источниками энергии: она свободно доступна, возобновляется, оказывает минимальное воздействие на окружающую среду и, как правило, не требует особого обслуживания. Кроме того, технология солнечных панелей постоянно совершенствуется, что позволяет им более эффективно собирать энергию, поступающую от Солнца.

Однако здесь не обошлось без проблем. Одна из самых больших проблем связана с хранением энергии, поскольку энергию можно собирать только в дневное время, и ее необходимо хранить в больших батареях, чтобы обеспечить питание в ночное время. Это также зависит от хорошей погоды, поскольку облачный покров уменьшит количество энергии, которую можно собрать.

Однако если бы мы могли построить солнечную электростанцию ​​в космосе, мы бы избежали этих проблем. Такая станция могла бы собирать солнечную энергию 24 часа в сутки, и ей не нужно было бы хранить энергию в громоздких батареях. А если бы он был построен на орбите, то не испытывал бы помех со стороны земной атмосферы. Энергию также можно направить непосредственно туда, где она больше всего необходима, например, в крупные города.

Как бы фантастично это ни звучало, идея на самом деле имеет большой смысл. «Это одна из концепций, которая на первый взгляд выглядит так: «Ух ты, правда?» Зачем кому-то отправлять такие огромные конструкции в космос, если на Земле достаточно свободного места?» — сказал Саммерер. Но на второй взгляд эта концепция имеет много достоинств. «Он решает столь многие из наших текущих проблем — от изменения климата до энергетической безопасности — что было бы безответственно не рассматривать его всерьез», — добавил он.

Пространство имеет смысл

Если орбитальная солнечная электростанция кажется смешной, учтите, что она не так уж сильно отличается от космических технологий, которые мы уже используем. Саммерер отметил, что многие космические корабли работают с использованием солнечных батарей, поэтому «у нас есть солнечные электростанции в космосе, мы просто используем энергию локально».

Чтобы построить электростанцию, нам понадобятся солнечные панели гораздо большего размера, чем те, которые используются на космических кораблях, и нам нужно будет спроектировать оборудование, способное выдерживать высокое напряжение. Но это должно быть вопросом постепенного улучшения существующих технологий, а не создания совершенно новых решений.

Другая половина сбора и распределения власти – это вопрос ее передачи. Как будет передаваться энергия со станции на Землю? Для этого потребуется беспроводная передача энергии с использованием лазеров или микроволн. Подобные технологии уже были продемонстрированы на Земле , когда энергия передавалась по беспроводной сети на большие расстояния — и если мы можем сделать это на Земле, мы сможем сделать это и в космосе.

Технологические проблемы

Конечно, нет ничего простого в том, чтобы построить электростанцию ​​и отправить ее на орбиту. Одной из больших проблем будет то, как вывести на орбиту такое большое сооружение, как электростанция, и как его можно будет обслуживать или ремонтировать, если что-то пойдет не так. Многие сторонники космической солнечной энергии предлагают начать ссозвездия спутников, которые мы знаем, как построить и запустить. Если один пойдет не так, то есть другие, которые продолжат работать. Таким образом, мы могли бы научиться использовать эту технологию, не складывая яйца в одну огромную и астрономически дорогую корзину.

Есть еще вопрос эффективности. Современные технологии беспроводной передачи энергии настолько эффективны. Для практических целей вам, вероятно, захочется разместить вашу солнечную электростанцию ​​на низкой околоземной орбите, примерно в 500 милях от поверхности планеты. Нам нужно будет повысить эффективность беспроводной передачи энергии, а также убедиться, что станция имеет достаточно мощную антенну, чтобы передавать всю собираемую ею энергию на Землю.

Технология, позволяющая сделать все это, еще не готова, но она также не совсем вне нашей досягаемости.

«Дело не в том, что мы сможем запуститься завтра», — объяснил Саммерер. «Но, с другой стороны, никто не выявил ничего, что могло бы помешать какой-либо из необходимых ключевых технологий».

Небольшое кооперативное сообщество

Однако проблемы футуристической энергосистемы не только технологические. Есть еще проблема инфраструктуры. Даже если мы сможем собирать солнечную энергию из космоса, нам нужна инфраструктура на Земле, чтобы распределять эту энергию туда, где она необходима. Кто возьмет на себя эти расходы?

«Это проект, который почти по замыслу получит большую выгоду от международного сотрудничества», — сказал Саммерер. В идеале международное сотрудничество между разными странами и их космическими агентствами должно было бы объединить ресурсы для совместной разработки и запуска технологии, но это может оказаться трудным, когда два крупнейших игрока в этой области — США и Китай — не сотрудничают в космических миссиях. в настоящее время.

Однако Саммерер видит основания для оптимизма в отношении международного сотрудничества в этой сфере, учитывая, что развитие чистых возобновляемых источников энергии отвечает общим интересам. Модель такого рода сотрудничества существует в ИТЭР , совместном международном проекте, исследующем энергетический потенциал проектов ядерного синтеза.

Что касается солнечной энергии в космосе, «мы еще не находимся на той стадии, когда у нас есть один общий международный проект с межправительственными соглашениями о сотрудничестве», — сказал Саммерер, — поэтому «сотрудничество происходит на полностью добровольной основе». Но сообщество стран, исследующих эту концепцию, включая США, Китай, Европу и Индию, невелико, и «мы довольно хорошо знаем друг друга» и «у нас есть сильные стимулы работать вместе» для обмена идеями и технологиями, добавил он. .

Европейское космическое агентство недавно подписало контракты на два концептуальных исследования солнечной энергии в космосе с целью выяснить, насколько осуществимой будет эта концепция в рамках инициативы SOLARIS . Решение о том, стоит ли серьезно реализовывать эту идею, может быть принято уже в 2025 году.

Луна как ступенька

Одно многообещающее место для тестирования недавно разработанной энергосистемы может вас удивить. Вместо того, чтобы отправлять энергию из космоса на Землю, мы могли бы протестировать систему, сначала отправив энергию из космоса на Луну.

По словам Саммерера, создав систему для сбора солнечной энергии в космосе и передачи ее на поверхность Луны, «вы сможете продемонстрировать практически все ключевые технологии» для аналогичной системы по отправке энергии на Землю.

Это также имеет смысл, учитывая планы НАСА и других организаций построить на Луне долговременные жилища , требующие постоянного энергоснабжения. «Для любой более крупной установки нам нужна энергия на Луне, а источники на Луне очень ограничены», — сказал Саммерер. Лунные ночи холодные и длинные, длятся около двух недель, поэтому нам понадобится источник энергии, который сможет поддерживать посетителей в этот период. Ядерная и солнечная энергия являются двумя практическими вариантами для этого, поэтому уже сейчас уделяется большое внимание разработке этих систем для будущих миссий.

Во многих отношениях передать энергию на Луну проще, чем на Землю. На Луне нет ни атмосферы, ни облачного покрова, которые мешали бы передаче энергии. А потребности в электроэнергии для лунной базы будут намного ниже, чем для Земли.

Итак, если нам нужно протестировать космические решения в области солнечной энергетики и нам нужна энергия для лунных миссий, почему бы не объединить эти два понятия? «Луна вполне может стать трамплином для разработки ключевых технологий, демонстрирующих, как [космическая солнечная энергия] работает в гораздо меньших масштабах», — сказал Саммерер.

Ближе, чем вы думаете

Все эти разговоры о прогрессирующих технологиях и будущих разработках могут заставить вас представить, что до появления такой системы появятся десятилетия. Но такие эксперты, как Саммерер, полагают, что мы сможем увидеть, как солнечная энергия космического базирования начнет работать гораздо раньше.

«Демонстрация на орбите возможна относительно быстро», — сказал Саммерер, в зависимости от размера системы. Он считает, что демонстрационная система, предназначенная для тестирования технологии, но не обеспечивающая фактическую полезную мощность, может быть разработана всего за пять лет.

Что касается того, когда мы сможем увидеть такую ​​технологию в практическом использовании, некоторые люди на Земле могут использовать энергию небольшой космической солнечной системы к середине 2030-х годов.

Это как раз к 100-летнему юбилею публикации рассказа Азимова. Век, чтобы превратить концепцию из причудливой научной фантастики в конкретную научную реальность? Это неплохой срок для того, чтобы сделать невозможное.