Внеземная энергия
Человечеству пока хватает энергии, запасенной на Земле, для обеспечения своих нужд. Но эта ситуация не может длиться вечно. Рано или поздно людям потребуются принципиально новые источники, и одним из них может стать космос.
По данным Международного энергетического агентства, с 1973 по 2012 год потребление электроэнергии в мире выросло более чем в 3,5 раза — с 6,1 ТВт ч до 22,7 ТВт ч. При этом львиную долю в мировом энергобалансе по-прежнему занимают технологии, наносящие вред окружающей среде: почти половина электроэнергии вырабатывается путем сжигания угля и нефти. Ученые давно бьют тревогу, говоря о том, что всевозрастающие выбросы углекислого газа рано или поздно приведут к катастрофическим последствиям. По оценкам организации Global Carbon Project, планета сможет «переварить» еще суммарно не более 1200 млрд т углекислого газа — после превышения данного объема средняя температура на Земле повысится на 2 градуса от уровня 1990 года, что приведет к необратимым изменениям климата. При существующем уровне выбросов до «точки икс» осталось всего около 30 лет. Многие страны делают ставку на возобновляемые источники энергии, такие, как солнечная и ветровая энергетика. Но «зеленым» технологиям еще только предстоит занять заметную долю в мировом энергобалансе. Запасы ископаемого топлива, а также урана не бесконечны. Рано или поздно человечество может столкнуться с масштабным энергетическим кризисом. Если не посмотрит на принципиально новые возможности, которые дарует... космос.
Просто посмотри вверх Строго говоря, космической энергетике уже много десятков лет. «На протяжении всего времени существования космонавтики основным источником энергии летательных аппаратов являются солнечные фотоэлектронные преобразователи. Панели солнечных батарей присутствуют и на огромной пилотируемой Международной космической станции (МКС), и на небольших автоматических исследовательских аппаратах», — рассказал Иван Соболев, ведущий конструктор компании-резидента инновационного центра «Сколково», первого в России частного космического предприятия «Даурия Аэроспейс». Например, на функционально-грузовом блоке «Заря» МКС установлены солнечные батареи размахом 24,4 м, которые выдают ежесуточно около 3 кВт мощности. На служебном модуле «Звезда» почти 30-метровые батареи обеспечивают до 13 кВт мощности.
Но это примеры «внутреннего» космического использования. А что с вариантами снабжения Земли? Первый патент на такую технологию был выдан в 1968 году американскому ученому чешского происхождения Питеру Глэйзеру. Он разработал проект электростанции на геостационарной орбите, которая преобразует энергию солнца в электромагнитный пучок энергии для передачи на специальные антенны на Земле. Эксперты отмечают, что похожие проекты были и в Советском Союзе. «Есть сведения, что идея эта даже обсуждалась в Академии наук СССР почти сразу после полета Гагарина, но ее оттеснили более актуальные на тот момент задачи, — говорит Иван Соболев. — Впрочем, и в силу уровня развития космической техники 1960–70-х годов тогда это могло рассматриваться только на уровне перспективных проектов». Но эта идея похоронена не была. Так, в 1986 году Владимир Грилихес, выдающийся советский инженер, в своей книге «Солнечные космические энергостанции» писал: «Есть все основания полагать, что развитие космической энергетики в период индустриализации околоземного космоса пойдет по пути создания сети солнечных космических энергостанций, предназначенных для централизованного энергоснабжения различных космических систем путем направленной передачи энергии к ним в виде лазерного или СВЧ-излучения».
Собрать и передать Логика разработчиков космических электростанций проста. На нашу планету постоянно падает поток солнечного излучения мощностью 1366 Вт/м2. Но по мере приближения к поверхности из-за отражения и рассеивания в атмосфере его количество серьезно сокращается. Кроме того, солнечные батареи, расположенные на Земле, не работают по ночам и тогда, когда небо затянуто тучами. В космосе же можно обеспечить работу фотоэлектрических элементов практически круглосуточно. Конструктивно космическую электростанцию (КСЭС) можно разделить на два блока. Первый — это фотоэлектрические панели, расположенные в ближайшем космосе, которые собирают солнечную энергию. По оценкам экспертов, если разместить эти панели на геостационарной орбите Земли — на высоте 36 тыс. км, — на них будет падать в среднем в восемь раз больше света, чем на панели на поверхности планеты. Затем эта энергия преобразуется в форму, подходящую для передачи, — микроволновое (СВЧ) или лазерное излучение. Вторая часть электростанции — это приемная антенна на Земле, которая получает и преобразует эту энергию в вид, доступный для использования человеком.
Все технологии уже разработаны — проект КСЭС не противоречит законам физики и может быть технически реализуем уже сейчас. Но есть и проблемы, например: каким образом вывести оборудование на орбиту. «Масса конструкций космических электростанций гигаваттного класса мощности достигает нескольких десятков тысяч тонн. Вывести такую массу на низкую околоземную орбиту, а тем более на геостационарную чрезвычайно сложно, — отметил Иван Соболев. — Одним из путей решения проблемы может стать разработка российских ученых: тонкопленочные бескаркасные солнечные батареи, удерживаемые в раскрытом состоянии инерционными силами, образующимися в результате раскрутки станции. Это позволит существенно облегчить конструкцию». Еще одной проблемой являются высокие потери при передаче энергии на Землю. Но главное, как обычно, это деньги, экономическая эффективность. «Если мощность космических электростанций будет достигать уровня нескольких сотен мегаватт, то обеспечить конкурентоспособную стоимость киловатта, передаваемого на Землю, сегодня возможно в двух ситуациях: если речь идет о снабжении труднодоступных районов, в которые завозится дизельное топливо, как заполярная Якутия, или же как в случае проекта, предлагаемого Пентагоном, — для снабжения переднего края действующей армии», — подчеркнул Иван Соболев.
Однако существуют оценки, теоретически показывающие возможность снижения себестоимости этой энергии даже ниже той, которая производится на Земле, но только в том случае, если космическая энергетика приобретет глобальные масштабы. То есть когда станет возможным передавать количество энергии, сопоставимое с мощностью всей энергосистемы нашей планеты. Так что говорить о практическом удовлетворении земных потребностей можно будет говорить только спустя десятилетия.
От Солнца до Луны
Пока же в космической энергетике делаются заявления о проектах небольшой мощности, которые имеют локальное значение. В США между компаниями Solaren Corporation и Pacific Gas & Eleсtric уже даже заключен первый в мире контракт на поставку «космического» электричества. Solaren собирается вывести на геостационарную орбиту электростанцию монщностью 200 МВт — этого должно хватить для питания примерно 250 тыс. домохозяйств в Калифорнии. Разработчики планировали получить первую энергию уже в 2016 году, но сейчас сроки сдвигаются, и речь идет о конце этого десятилетия. Впрочем, как отмечают эксперты, в космической технике сдвиг сроков вправо — это скорее правило, а не исключение.
Еще один интересный проект рожден в Японии под флагманством Mitsubishi Electric. «Группа японских корпораций во главе с Mitsubishi Corporation планирует построить КСЭС гигаваттного уровня к 2025 году в рамках проекта Solarbird. Общая сумма инвестиций оценивается в 24 миллиарда долларов», — рассказал Валерий Мельников, научный сотрудник ведущего учреждения Роскосмоса — Центрального научно-исследовательского института машиностроения. Проект Solarbird включает в себя 40 спутников с солнечными батареями, осуществляющих совместный полет. На поверхности планеты принимать энергию будет «зеркало» диаметром около 3 км, расположенное в океане.
Американские и японские разработчики планируют использовать СВЧ-излучение. В то же время, по словам Валерия Мельникова, лазерное представляется более эффективным. Меньшая расходимость лазерного луча по сравнению с СВЧ-сигналом дает на порядки меньшую площадь передающих и приемных систем, а из-за малой площади приема появляется возможность энергоснабжения высокоширотных регионов России, Канады, Гренландии и других островов в северных широтах, а также Антарктиды. То есть как раз тех регионов, куда поставлять космическую энергию может быть дешевле, чем традиционную.
В космической энергетике есть и еще один очень интересный проект. Речь идет о размещении солнечных батарей на поверхности ближайшего к Земле небесного тела. Проект Lunar Ring предложила японская компания Shimizu Corporation: разместить по экватору Луны пояс из солнечных батарей длиной 11 тыс. км и шириной 400 км. Причем производить эти батареи можно будет на месте: лунный грунт — реголит — содержит достаточно кремния, поэтому реализация проекта Lunar Ring потребует лишь доставки на Луну управляемого роботизированного комплекса, который и займется производством батарей и созданием кольца.
