Наднебесная электростанция

Шаг за шагом

Космическая солнечная электростанция – невероятно дорогая и сложная затея. Однако учитывая, что до 2020 года Китай намерен инвестировать в развитие ВИЭ $360 млрд (2,5 трлн юаней), возможно, что правительство Поднебесной отыщет деньги и на этот проект.

Разумеется, в ближайшее время ничего отправлять на орбиту китайцы не намерены. Это отдалённая перспектива и ожидаемый результат многоступенчатого проекта, рассчитанного по меньшей мере на 30 лет. В конце февраля заместитель руководителя Чунцинского объединённого инновационного института (Chongqing Collaborative Innovation Research Institute) по военно-гражданскому взаимодействию Си Гэнсинь (Xie Gengxin) заявил, что исследователи Чунцинского университета, Китайской академии космических технологий и Сианского университета приступают к проектированию испытательного комплекса в районе Бишань близ Чунцина, который будет использоваться для проверки теоретической жизнеспособности космической солнечной электростанции. Он также добавил, что строительство базы займёт около двух лет, и как только оно будет завершено, учёные и инженеры немедленно приступят к постройке установки из связанных воздушных шаров с прикреплёнными к ним солнечными панелями – они необходимы для испытания технологии передачи микроволн.

«Мы планируем запустить от четырёх до шести блоков с шарами с тестовой площадки и соединить их между собой в единую систему на высоте около 1 км», – объяснил Си Гэнсинь. – Установка будет собирать солнечную энергию, конвертировать её в микроволны и отправлять на Землю. Принимающая станция на Земле преобразует микроволны в электричество для последующей передачи в сеть».

Если эти первые опыты пройдут успешно, учёные планируют поднять установку в стратосферу для дальнейших испытаний. Пока же, по словам Си Гэнсиня, китайские инженеры способны передавать микроволны высокой мощности на расстояние лишь 100 м.

Как писала China Daily, строительство базы под Чунцином общей площадью 13,3 га займёт около двух лет и обойдётся местному правительству в $15 млн (100 млн юаней). Местные СМИ пишут, что там же будет размещён научный центр, который займётся проработкой технологии передачи микроволн через космические пространства.

О размерах самой орбитальной платформы, которая и будет собирать солнечную энергию, пока говорить рано – проект находится в начальной стадии. Учёные ставят себе цель построить такой «приёмник» на высоте 36 тыс. км над земной поверхностью в 2040-е годы.

Для запуска жизнеспособной программы китайцам предстоит решить три сложнейшие задачи: сбор солнечной энергии в открытом космосе с фотовольтаических (фотогальванических) панелей, передача энергии на Землю посредством микроволн или лазера и улавливание этой энергии на Земле с помощью ректенны – антенны, преобразующей электромагнитную энергию в электричество.

Сбор солнечной энергии в открытом космосе обладает рядом существенных преимуществ перед наземными СЭС – орбитальный «приёмник» может поставлять энергию независимо от времени суток, к тому же само солнечное излучение за пределами земной атмосферы намного мощнее. Около 60% всей солнечной энергии теряется по пути от верхнего слоя атмосферы до земной поверхности.

Автономное развёртывание

Китай сравнительно поздно вступил в космическую гонку. Первый китайский спутник – «Дунфан Хун-1» – был запущен на орбиту лишь в 1970 году. Однако в последние годы космическая программа КНР совершила несколько мощных прорывов, включая первый в истории страны пилотируемый космический полёт и первую уже в мировой истории посадку беспилотной станции на обратной стороне Луны. Выступая в начале марта на открытии Всекитайской народной политической конференции (Chinese People's Political Consultative Conference), старший инженер лунной программы КНР Ву Вейрен (Wu Weiren) поделился планами отправить в следующем году спускаемый аппарат на Марс.

Строительство орбитальной СЭС входит в число приоритетов космической программы КНР. Как указывает американское Национальное космическое общество (National Space Society – NSS), космическая солнечная энергия – крупнейший из доступных человечеству источник энергии, способный с лихвой восполнить все потребности нашей цивилизации.

«Технологии сбора солнечной энергии в космосе разрабатываются с 1960-х годов, – сказал в интервью CNN директор Центра возобновляемой энергии имени Ричарда Лугара при университете Индианаполиса Питер Шуберт (Peter Schubert). – Однако успеху подобных проектов препятствуют серьёзные технические трудности. Во-первых, нужно относительно недорогое и необычайно мощное транспортное средство, способное доставить СЭС на орбиту. Во-вторых, нужно произвести масштабную операцию по развёртыванию станции в космосе, в-третьих – найти оптимальный способ доставки энергии на Землю».

Решением первой проблемы может стать 3D-печать, указывают эксперты.

«Аддитивные технологии сегодня широко применяются в аэрокосмической отрасли, – отмечает официальный представитель Японского аэрокосмического исследовательского агентства (Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Нобуоши Фуджимото (Nobuyoshi Fujimoto). – Эти технологии также будут использованы в создании орбитальной СЭС».

Вероятнее всего, компоненты установки, включая солнечные панели и конвертер для преобразования солнечной энергии, будут запущены в космос по отдельности и, уже достигнув нужной высоты, автоматически соберутся в единую систему. По оценкам г-на Фуджимото, размеры такой СЭС составят по меньшей мере 2 кв. км, а мощность – 1 ГВт. Эксперт предполагает, что доставка на орбиту и сборка станции станут огромной логистической проблемой. СЭС придётся собирать буквально кусок за куском с помощью многочисленных запусков. Использовать при этом труд космонавтов крайне дорого и опасно, поэтому сборку придётся осуществлять автономными роботизированными системами.

«В том виде, как он сейчас представлен китайской стороной, проект выглядит вполне убедительно, – сказал г-н Шуберт. – Сразу строить огромную станцию нецелесообразно – слишком многому нужно научиться в ходе промежуточных запусков».

Опасное излучение

Использовать космическую энергию можно множеством способов, снабжая электричеством отдалённые районы Земли или, наоборот, питая космические аппараты, отправляющиеся к дальним планетам Солнечной системы. Однако некоторые эксперты видят в таких технологиях не только преимущество, но и угрозу. Так, исследователь Китайской академии космических технологий Панг Жихао (Pang Zhihao) убеждён, что эффект мощного лазерного или микроволнового излучения на экологию, атмосферу и населяющие Землю организмы изучен недостаточно хорошо, чтобы приступать к созданию таких установок.

Питер Шуберт, в свою очередь, указывает на потенциальную опасность превращения орбитальной СЭС в сверхмощное оружие.

«Когерентное излучение лазера кардинально отличается от микро- или радиоволн. Превращённый в оружие, лазерный луч такой мощности сможет в считаные часы сжигать целые города, – говорит эксперт. – К тому же спутник, размещённый на геостационарной орбите, способен «видеть» около трети земной поверхности, а это огромное тактическое преимущество с военной точки зрения. На мой взгляд, нельзя позволить одной крупной нации в одиночку запускать гигаваттный лазер на орбиту. Как все мы знаем, не существует систем, которые невозможно взломать. Огромный мощный лазер несёт в себе слишком много угроз, чтобы запускать его в космос».

С чего всё начиналось

Одним из первых концепцию орбитальной СЭС выдвинул фантаст Айзек Азимов в своём рассказе 1941 года «Логика» (Reason). С научной точки зрения идею использования больших спутниковых систем для сбора и преобразования энергии Солнца в электромагнитный пучок СВЧ с последующей передачей на Землю впервые обосновал чешско-американский учёный и инженер Питер Глейзер (Peter Glaser) в 1968 году. С тех пор было предпринято несколько безуспешных попыток создать такую систему в реальности.

С 1976 по 1980 год НАСА провело одно из самых дорогостоящих исследований в этой области. Программа Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program обошлась американскому бюджету в $50 млн, однако к сколько-нибудь значимым практическим результатам так и не привела. 20 лет спустя, в конце 1990-х, НАСА ещё раз вернулось к этой теме. Масштабный труд под названием Space Solar Power Exploratory Research and Technology в итоге привёл исследователей к выводу, озвученному физиком Джоном Манкинсом: «Крупномасштабные космические СЭС – это крайне сложные интегрированные системы, нереализуемые на современном уровне развития технологий. В рамках программы разработана технологическая дорожная карта, определяющая потенциальные пути для решения этой задачи в течение нескольких десятилетий».

Наконец, в 2018 году учёные из Калифорнийского технологического института заявили, что им удалось создать прототип устройства, способного улавливать и передавать солнечную энергию прямо из космоса. Речь идёт о небольшой и сравнительно лёгкой (1,5 кг/кв. м) плитке (tile), состоящей из трёх основных компонентов. Оптические отражатели концентрируют солнечный свет, фотовольтаические ячейки преобразуют его в электричество, а интегрированный преобразователь конвертирует ток в радиочастотную энергию, передающуюся с помощью антенны. Множество таких плиток, скреплённых вместе и запущенных на орбиту, в теории могут сформировать внушительную электростанцию. Учёные продемонстрировали возможности своего прототипа, поместив его в смоделированные в лаборатории условия открытого космоса. Им удалось зажечь от такой плитки светодиод, расположенный в полуметре от неё.

Источники: http://www.china.org.cn, https://edition.cnn.com, https://www.asiatimes.com, https://earthsky.org, https://singularityhub.com