Энергетика в космосе, часть 2. Солнечные панели и электростанции космического базирования

В предыдущей части мы рассмотрели основные типы источников электропитания космических аппаратов, в частности химические батареи, топливные и радиоизотопные термоэлектрические генераторы, и даже полноценные ядерные станции. Впрочем, большинство космических аппаратов, находящихся на околоземной орбите или оперирующих в пределах внутренней Солнечной системы, питаются именно путем переработки в электроэнергию тепловой энергии, поступающей от Солнца.

Этот процесс конвертации тепловой энергии в электрическую реализуется с помощью солнечных панелей (батарей) — устройств с солнцепоглощающим покрытием, которые сегодня питают тысячи активных спутников. Коммуникационные, метеорологические, навигационные (GPS, ГЛОНАСС, Galileo), научные спутники и даже обжитая орбитальная станция МКС почти полностью покрывают свои потребности в электрогенерации посредством собственных солнечных панелей. Но технологии не медлят с развитием, и все громче звучат смелые технологические концепции вроде того, как от солнечных электрогенераторов космического базирования питать не только космические аппараты, но и удовлетворить энергетические потребности сотен тысяч людей на Земле. Итак, погружаемся в мир самого альтернативного изо всех существующих источников энергии.

Задолго до орбиты: как появилась концепция солнечных панелей

Как и подавляющее большинство космических технологий, электропитание с помощью солнечных панелей сначала разрабатывали для земных нужд. Прообразы солнечных панелей зародились во время индустриальной революции ХVІІІ-ХІХ столетий. В 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель открыл принцип фотоэлектрического эффекта, который лег в основу работы всех современных солнечных панелей.

В возрасте 19 лет Эдмон Беккерель экспериментировал в лаборатории своего отца, Антуана Сезара Беккереля, известного физика и исследователя электрохимических явлений. Суть эксперимента Эдмона заключалась в создании электролитической ячейки, состоявшей из двух металлических электродов, погруженных в электролитический раствор. Один из электродов Беккерель покрывал светочувствительным материалом — хлоридом серебра (AgCl). Когда юный ученый освещал этот электрод солнечными лучами, он заметил, что в цепи возникает электрический ток и появляется напряжение. Это наблюдение было революционным, поскольку продемонстрировало, что в некоторых видах материалов свет может непосредственно генерировать электрический ток. Это явление Беккерель назвал фотогальваническим эффектом (позже — фотоэлектрический эффект).

Однако, как это часто случалось со многими замечательными физическими открытиями, перед тем как фотогальваническому эффекту нашли практическое применение, прошло без малого 115 лет. Только в 1954 году трое исследователей из Bell Laboratories, Джеральд Пирсон, Кэлвин Фуллер и Дэрил Чапин, изобрели первый практический кремниевый солнечный элемент — устройство, способное генерировать электроэнергию из тепловой энергии Солнца.

В качестве светочувствительного полупроводникового материала изобретатели выбрали кремний, который оказался наиболее поглощающим и экономически рентабельным по сравнению с ранними наработками ученых, опирающимися на селен. Солнечный элемент был оснащен специальными PN-переходами, отделяющими друг от друга два разных типа кремниевых слоев (положительно и отрицательно легированные). Это позволило искусственно создать внутреннее электрическое поле, которое эффективно разделяло фотогенерированные электроны и «дыры» (место, где не хватает электрона), направляя их в разные стороны, таким образом генерируя электрический ток.

Солнечные панели появились именно тогда, когда в них больше всего нуждались. Приближался старт космической эры — аэрокосмические инженеры понимали, что новое изобретение Bell Laboratories идеально подходит для космических аппаратов, причем его КПД будет там значительно выше, чем при функционировании на Земле. На орбите солнечный свет не сталкивается с сопротивлением окружающей среды: он не рассеивается, проходя сквозь земную атмосферу, а его излучение является в определенной степени перманентным. К примеру, при размещении на солнечно-синхронной орбите космический аппарат пребывает под солнечным излучением 24 часа в сутки, то есть речь идет об уникальной возможности питать его исключительно от солнечных панелей.

Эволюция размера: от мельчайших солнечных панелей до гигантов МКС

Первым выведенным на орбиту космическим аппаратом с солнечными панелями стал второй искусственный спутник США — Vanguard 1, запуск которого состоялся 17 марта 1958 года. Мы уже рассказывали об этом «малыше» в предыдущей части нашего материала, ведь именно с него началась история использования никель-кадмиевых химических батарей для питания спутников. Он же был первым демонстратором возможностей генерации электроэнергии от Солнца. Небольшие солнечные панели, закрепленные снаружи корпуса зонда, в комбинации с химическими аккумуляторами позволили ему работать в течение шести лет, включая 1964-й. Даже по окончании миссии солнечные элементы продолжили питать Vanguard 1 электроэнергией, позволяя NASA периодически фиксировать его активность.

С момента запуска Vanguard 1 солнечные энергетические системы для космических аппаратов преодолели значительный путь эволюции, который условно можно разделить на четыре основных этапа.

Начальный этап (1950-1960-е годы). Тогда солнечные панели имели очень низкую эффективность (около 6-8%). Это обуславливалось использованием кремниевых пластин в качестве поглощающих элементов и небольшой площадью покрытия. Чаще всего солнечные панели того времени интегрировались в корпус спутника напрямую. Впрочем, уже в конце 1950-х советский «Спутник-3» (запущенный в мае 1958 года) и американский Explorer 6 (август 1959 года) оснастили выдвижными солнечными панелями. Это внедрение сыграло ключевую роль в эволюции технологии раннего периода: выдвижная конструкция позволила в разы увеличить площадь поглощающего покрытия, а затем и количество сгенерированной ним электроэнергии.

Основной проблемой для солнечных панелей начального периода был большой риск стремительной деградации их поглощающих элементов вследствие постоянного воздействия радиоактивного космического излучения. Непрерывная бомбардировка кремниевых пластин протонами и электронами космического происхождения неотвратимо уменьшала и так незначительную эффективность солнечных панелей до всего нескольких процентов. Впоследствии эту проблему удалось решить внедрением различных типов прозрачных защитных покрытий, производимых преимущественно из боросиликатного стекла или плавящегося кремнезема. Защитным слоем покрывали светопоглощающую поверхность. Также довольно быстро выяснили, что немаловажен порядок установления отрицательно и положительно легированных элементов на панели. В ранних версиях размещали положительно легированные элементы на панели сверху (P-on-N). Однако энергетически более эффективным оказалось как раз обратное расположение (N-on-P), когда наверх ставили именно отрицательно легированные кремниевые элементы.

Второй этап: повышение производительности (1970-1980-е годы). К началу 1970-х почти все космические аппараты оснащались выдвижными солнечными панелями. Технологическая инновация наряду с использованием новых типов легких материалов (алюминиевых сплавов, композитных материалов и тонкой металлической фольги) в конструкции солнечных панелей позволила инженерам оборудовать космические аппараты еще большими по площади солнечными панелями. Но главная инновация этого периода заключалась в появлении и внедрении трекеров — системы ориентации солнечных батарей, появившейся на стыке 1960-х и 1970-х годов.

Подвижные механизмы трекера позволяли корректировать положение панелей таким образом, чтобы они всегда оказывались под прямым солнечным излучением. Внедрение солнечных трекеров означало, что отныне для генерации необходимого количества электроэнергии не нужны панели больших размеров, то есть их размер можно было уменьшить, освободив лишние килограммы под расположение иного полезного груза.

Самым известным в этот период стал телескоп космического базирования Hubble. И хотя он был запущен в 1990 году, его разработка пришлась именно на 1970-1980-е. В самом начале миссии телескоп был оснащен двумя выдвижными солнечными панелями общей площадью около 40 м², способными генерировать 2,4 кВт электроэнергии. В 1993 и 2002 годах Hubble посетили две пилотируемые сервисные миссии, которые заменили его оригинальные солнечные панели на более современные многопереходные солнечные элементы на основе арсенида галлия, что позволило повысить электрогенерацию до 5 кВт (всего к Hubble наведались четыре сервисных миссии).

И хотя основным элементом для поглощения энергии в 1970-1980-е все еще оставались кремниевые пластины, ученые повысили их эффективность до 10-14% за счет новых типов антибликового покрытия из диоксида кремния, лучшего геометрического проектирования ячеек панелей и новых методов очистки кремния, позволяющих усилить его способность к поглощению. В конце 1980-х годов в лабораторных условиях удалось создать солнечные панели, эффективность которых уже приближалась к 20%. Именно на конец 1980-х пришлись и ранние коммерческие внедрения тонкопленочных солнечных элементов, изготовленных из сульфида кадмия/меди и арсенида галлия.

Третий этап: высокоэффективные элементы (1990-2000-е годы). Этот период можно назвать настоящей революцией в развитии солнечных панелей, ведь он ознаменовался появлением многопереходных солнечных элементов (multi-junction solar cells). Новая технология солнцепоглощающего покрытия предлагала нанесение нескольких тонких слоев полупроводников, произведенных из разных материалов для впитывания различных частей солнечного спектра. Инновация помогла значительно повысить эффективность новых типов солнечных панелей, доведя ее до невиданных ранее показателей в 28-30%.

Многопереходные солнечные элементы, которые чаще всего состояли из тройного слоя GaInP/GaAs/Ge (галий-индий-фосфид/арсенид галлия/германий), постепенно свели на нет потребность в кремниевых пластинах. Солнечные панели на основе арсенида галлия использовались на первых модулях МКС. Позже их заменили тройным слоем многопереходных элементов на основе GaInP/GaAs/Ge. Сейчас общая площадь покрытия солнечных панелей на МКС составляет 2500 м². В своем максимуме они способны генерировать 240 кВт электроэнергии (в условиях, когда все панели находятся под прямыми солнечными лучами).

Последний этап эволюции солнечных панелей начался в 2010-х и продолжается до сих пор. Он характеризуется постоянным ростом эффективности новых типов солнечных панелей, которая теперь уже достигает 40% (пока таких показателей добиваются только в лабораторных условиях). Другой тренд развития технологии заключается в уменьшении массы и объема панелей за счет использования новых типов легкокомпозитных материалов. Эти сложные механические системы развертывания и солнечного трекинга позволяют существенно повысить электрогенерацию, из-за чего все чаще на космических аппаратах размещаются мощные типы сенсоров, оптических камер и систем связи. Значительно эволюционировали и защитные свойства солнечных панелей: сейчас они характеризуются повышенной устойчивостью к солнечной радиации, экстремальным температурам и условиям космической среды, что особенно важно для планетарных поверхностных миссий.

На новейший период пришлось и обновление массива солнечных батарей на МКС. С 2021 года NASA инициировало большую процедуру замены на более эффективные солнечные панели, которые называются ISS Roll-Out Solar Arrays (iROSA). Процесс обновления организован таким образом, что демонтаж старых типов многопереходных солнечных панелей не нужен, ведь iROSA устанавливают поверх них. Каждая новая пара iROSA добавляет орбитальной станции около 20 кВт мощности. На сегодня установлено уже три из шести запланированных пар солнечных панелей iROSA, а их следующий плановый монтаж намечен уже в этом году.

Удовлетворить потребности землян: солнечные станции космического базирования

С внедрением новых типов эффективных солнечных панелей постепенно приходило осознание, что энергию, полученную с помощью них, можно применять не только для питания искусственных космических аппаратов. Американский инженер чешского происхождения Питер Глейзер выдвинул свою концепцию солнечных электростанций космического базирования (Space-Based Solar Power, SBSP) еще в 1968 году.

Его основная идея заключалась в том, чтобы организовать на орбите сбор солнечной энергии массивами солнечных панелей. Далее тепловую энергию необходимо преобразовывать в микроволновое (более поздние концепции предлагали и лазерное) излучение и передавать на Землю. Там в специализированных хабах ее можно было бы снова превратить в электрическую энергию для питания обычных абонентов или предприятий.

Первые концепции устройства SBSP охватывали несколько основных элементов: 

• Огромный массив из солнечных батарей, которые следовало вывести на орбиту.
• Система преобразователей энергии. Это специальное оборудование для преобразования собранной солнечными панелями электрической энергии в микроволновое излучение (самый распространенный вариант) или в лазерный луч.
• Система передатчиков. Ее предстояло реализовать в виде гигантских антенн (или лазерных систем), которые будут направлять энергетический луч к наземным приемным станциям.
• Ректенна (rectifying antenna). Наземная приемная станция, которая преобразует микроволновое излучение обратно в электрический ток для дальнейшей интеграции в местную электросеть.

Как и в случае с использованием обычных солнечных панелей для энергопитания спутников, ключевые преимущества такого способа электрогенерации заключаются в полном отсутствии ночных циклов (на определенных типах орбит энергия будет доступна 24 часа в сутки), а также избегании поглощения солнечного излучения земной атмосферой и тому подобном.

Хорошая новость также и в том, что, теоретически, подобные космические электростанции могли бы передавать энергию из космоса в любую специально обустроенную точку на Земле, где есть потребность в энергопитании. Другое преимущество — как и с наземными солнечными электростанциями, эту разновидность энергетики относят к зеленой, она не образует парниковых выбросов и не требует использования загрязняющих веществ в процессе электрогенерации. Впрочем, данный тезис можно оспорить, поскольку для развертывания подобных электростанций космического базирования понадобится как минимум один ракетный запуск, который непременно будет сопровождаться парниковыми выбросами.

Чем ближе человечество подходило к попыткам реализовать SBSP-электростанции, тем заметнее становился и ряд других сложных вызовов технологического характера. Прежде всего для генерации большого количества электроэнергии орбитальным солнечным электростанциям следовало быть действительно огромными, а это повлекло бы многочисленные космические запуски для модульной сборки на орбите. Поскольку в вопросах производства энергии не последнюю роль играет экономическая рентабельность электростанции, затраты на развертывание таких типов SBSP значительно бы превысили потенциальные доходы от ее использования. Один из последних отчетов NASA Space-Based Solar Power, опубликованный 11 января 2024 года, предостерегает, что покамест генерация 1 кВт·ч электроэнергии на орбите в среднем будет в 12 раз дороже, чем на Земле.

Другая проблема заключается в организации безопасности беспроводной передачи высокоинтенсивного микроволнового либо лазерного излучения с орбиты на Землю. В этих зонах следует организовать бесполетное пространство, поскольку прокладывать путь сквозь излучение такой интенсивности было бы фатальным для самолетов. И если защиту авиации можно организовать должным образом, природное биоразнообразие Земли окажется в опасности (в первую очередь речь о потенциальном вреде для птиц и растительности, что требует дополнительных исследований).

Большой вызов заключается и в разработке надежных систем преобразования энергии и ее беспроводной передачи на Землю на большие расстояния, а также конструировании действительно эффективных типов наземных приемных станций. Подобные станции вряд ли удастся разместить на высоких орбитах (вроде геостационарной), поскольку тогда передача энергии будет угрожать вывести из строя спутниковые аппараты на более низких орбитах. 

Казалось бы, такая масса технологических, безопасностных и экономических вызовов должна была бы полностью похоронить будущее проекта солнечных электростанций космического базирования. Однако первую из них собираются ввести в эксплуатацию уже в этом году. В рамках программы развития технологии SBSP под названием OHISAMA Японский исследовательский институт (Japan Space Systems) создал демонстрационный спутник весом 180 кг.

Космический аппарат расположится на низкой околоземной орбите (LEO) высотой 400 км, а его солнечные панели будут иметь площадь всего 2 м². Несмотря на небольшой размер, Japan Space Systems утверждает, что ее спутник будет способен генерировать 1 кВт·ч электроэнергии, которая затем попадет на Землю в виде микроволнового излучения. Система наземных приемных антенн будет занимать площадь в 600 м². Главный инженер проекта OHISAMA Коити Идзити прогнозирует, что весь процесс передачи энергии на Землю продлится около 5 минут. Кроме размещения спутниковой солнечной электростанции, Japan Space Systems планирует и демонстрацию электростанции собственной разработки, установленной на борту самолета.

Кроме Японии, собственные проекты орбитальной солнечной энергетики сегодня имеют Китай и США, рассматривающие эту концепцию как потенциальный источник чистой устойчивой энергии для Земли в будущем. В 2023 году Калифорнийский технологический институт (Caltech) успешно испытал систему беспроводной передачи энергии в космосе в рамках своего проекта Space Solar Power Project (SSPP).

Совсем скоро мы наконец увидим, действительно ли жизнеспособна технология SBSP на практике. Возможно, как и в случае с первыми космическими солнечными панелями, площадь покрытия которых равнялась нескольким десяткам квадратных сантиметров, орбитальные солнечные электростанции тоже эволюционируют и будут генерировать гигаватты электроэнергии для покрытия энергетических потребностей сотен тысяч людей на Земле.