Енергетика в космосі, частина 2. Сонячні панелі та електростанції космічного базування

У попередній частині ми розглянули основні типи джерел електроживлення космічних апаратів, зокрема хімічні батареї, паливні й радіоізотопні термоелектричні генератори, і навіть повноцінні ядерні станції. Утім, більшість космічних апаратів, що перебувають на навколоземній орбіті або оперують в межах внутрішньої Сонячної системи, живляться саме шляхом переробки на електроенергію теплової енергії, що надходить від Сонця.

Цей процес конвертації теплової енергії у електричну реалізується за допомогою сонячних панелей (батарей) — пристроїв з сонцепоглинальним покриттям, які сьогодні живлять тисячі активних супутників. Комунікаційні, метеорологічні, навігаційні (GPS, ГЛОНАСС, Galileo), наукові супутники і навіть населена орбітальна станція МКС майже повністю покривають свої потреби у електрогенерації через власні сонячні панелі. Та технології не зволікають у розвитку, і чимдалі голосніше лунають сміливі технологічні концепції на кшталт того, як від сонячних електрогенераторів космічного базування живити не тільки космічні апарати, але й задовольнити енергетичні потреби сотень тисяч людей на Землі. Отже, занурюємося у світ найальтернативнішого з усіх наявних джерел енергії. 

Задовго до орбіти: як з’явилася концепція сонячних панелей

Як і переважну більшість космічних технологій, електроживлення за допомогою сонячних панелей спочатку розробляли для земних потреб. Прообрази сонячних панелей зародилися під час індустріальної революції ХVІІІ-ХІХ сторіч. У 1839 році французький фізик Олександр Едмон Беккерель відкрив принцип фотоелектричного ефекту, який лежить в основі роботи всіх сучасних сонячних панелей.

У віці 19 років Едмон Беккерель експериментував у лабораторії свого батька, Антуана Сезара Беккереля, відомого фізика й дослідника електрохімічних явищ. Суть експерименту Едмона полягала у створенні електролітичної комірки, яка складалася з двох металевих електродів, занурених в електролітичний розчин. Один із електродів Беккерель покривав світлочутливим матеріалом — хлоридом срібла (AgCl). Коли юний учений освітлював цей електрод сонячним промінням, він помітив, що в ланцюзі виникає електричний струм і з’являється напруга. Це спостереження було революційним, оскільки продемонструвало, що у деяких видах матеріалів світло може безпосередньо генерувати електричний струм. Це явище Беккерель назвав фотогальванічним ефектом (пізніше — фотоелектричний ефект).

Проте, як це часто траплялося із багатьма чудовими фізичними відкриттями, перед тим як фотогальванічному ефекту знайшли практичне застосування, минуло без дрібки 115 років. Тільки 1954 року троє дослідників з Bell Laboratories, Джеральд Пірсон, Келвін Фуллер і Деріл Чапін, винайшли перший практичний кремнієвий сонячний елемент — пристрій, здатний генерувати електроенергію з теплової енергії Сонця.

У якості світлочутливого напівпровідникового матеріалу винахідники обрали кремній, який виявився найбільш поглинаючим та економічно рентабельним порівняно з ранніми напрацюваннями вчених, що спиралися на селен. Сонячний елемент був оснащений спеціальними PN-переходами, що відокремлювали один від одного два різні типи кремнієвих шарів (позитивно та негативно леговані). Це дозволило штучно створити внутрішнє електричне поле, яке ефективно розділяло фотогенеровані електрони та “дірки” (місце, де не вистачає електрона), спрямовуючи їх у різні боки, таким чином генеруючи електричний струм.

Поява сонячних панелей відбулася саме тоді, коли їх потребували найбільше. Наближався старт космічної ери — аерокосмічні інженери розуміли, що новий винахід Bell Laboratories ідеально підходить для космічних апаратів, причому матиме там значно вищий ККД, ніж за функціонування на Землі. На орбіті сонячне світло не стикається зі спротивом навколишнього середовища: воно не розсіюється, проходячи крізь земну атмосферу, а його випромінювання є певною мірою перманентним. До прикладу, за розміщення на сонячно-синхронній орбіті космічний апарат перебуває під сонячним випромінюванням 24 години на добу, тобто йдеться про унікальну можливість живити його виключно від сонячних панелей. 

Еволюція розміру: від найдрібніших сонячних панелей до гігантів МКС

Першим виведеним на орбіту космічним апаратом з сонячними панелями став другий штучний супутник США — Vanguard 1, запуск якого відбувся 17 березня 1958 року. Ми вже розповідали про цього “малюка” в попередній частині нашого матеріалу, адже саме з нього розпочалась історія використання нікель-кадмієвих хімічних батарей для живлення супутників. Він же був першим демонстратором можливостей генерації електроенергії з Сонця. Невеликі сонячні панелі, закріплені зовні корпусу зонда, в комбінації з хімічними акумуляторами дозволили йому працювати протягом шести років, включно з 1964-м. Навіть після закінчення місії сонячні елементи продовжили живити Vanguard 1 електроенергією, дозволяючи NASA періодично фіксувати його активність.

З моменту запуску Vanguard 1 сонячні енергетичні системи для космічних апаратів здолали значний шлях еволюції, який умовно можна поділити на чотири основних етапи.

Початковий етап (1950-1960-ті роки). Тоді сонячні панелі мали дуже низьку ефективність (близько 6-8%). Це зумовлювалось використанням кремнієвих пластин у якості поглинальних елементів та невеликою площею покриття. Найчастіше сонячні панелі того часу інтегрувалися в корпус супутника напряму. Втім, уже наприкінці 1950-х радянський “Спутник-3” (запуск відбувся у травні 1958 року) та американський Explorer 6 (серпень 1959 року) оснастили висувними сонячними панелями. Це впровадження зіграло ключову роль в еволюції технології раннього періоду: висувна конструкція дозволила в рази збільшити площу поглинального покриття, затим і кількість згенерованої ним електроенергії. 

Основною проблемою для сонячних панелей початкового періоду був великий ризик швидкої деградації їхніх поглинальних елементів через постійний вплив радіоактивного космічного випромінювання. Неспинне бомбардування кремнієвих пластин протонами й електронами космічного походження невідворотно знижувало і так незначну ефективність сонячних панелей до всього кількох відсотків. Згодом цю проблему вдалося вирішити впровадженням різноманітних типів прозорих захисних покриттів, вироблених переважно із боросилікатного скла або плавкого кремнезему. Захисним шаром вкривали світлопоглинальне покриття. Також досить швидко з’ясували, що неабияк важливий порядок встановлення негативно та позитивно легованих елементів на панелі. У ранніх версіях розміщували позитивно леговані елементи на панелі зверху (P-on-N). Однак енергетично ефективнішим виявилося якраз зворотне розташування (N-on-P), коли вище опинялися саме негативно леговані кремнієві елементи.

Другий етап: підвищення продуктивності (1970-1980-ті роки). На початок 1970-х майже всі космічні апарати оснащувалися висувними сонячними панелями. Технологічна інновація поряд із використанням нових типів легких матеріалів (алюмінієвих сплавів, композитних матеріалів та тонкої металевої фольги) у конструкції сонячних панелей дозволила інженерам облаштовувати космічні апарати ще більшими за площею сонячними панелями. Та головна інновація цього періоду полягала у появі та впровадженні трекерів — системи орієнтації сонячних батарей, що з’явилася на стику 1960-х та 1970-х років. 

Рухомі механізми трекера дозволяли коригувати положення панелей таким чином, щоб вони завжди опинялися під прямим сонячним випромінюванням. Впровадження сонячних трекерів означало, що відтепер для генерації необхідної кількості електроенергії не потрібні панелі великих розмірів, тобто їхній розмір можна було зменшити, звільнивши зайві кілограми під розташування іншого корисного вантажу. 

Найвідомішим у цей період став телескоп космічного базування Hubble. І хоча він був запущений 1990 року, його розробка припала саме на 1970-1980-ті. Від початку місії телескоп був оснащений двома висувними сонячними панелями загальною площею близько 40 м², що були здатні генерувати 2,4 кВт електроенергії. У 1993 та 2002 роках до Hubble завітали дві пілотовані сервісні місії, які замінили його оригінальні сонячні панелі більш сучасними багатоперехідними сонячними елементами на основі арсеніду галію, що дозволило підвищити електрогенерацію до 5 кВт (всього до Hubble навідалися чотири сервісні місії). 

І хоча основним елементом для поглинання енергії у 1970-1980-ті все ще залишалися кремнієві пластини, вчені підвищили їхню ефективність до 10-14% за рахунок нових типів антибликового покриття із діоксиду кремнію, кращого геометричного проєктування комірок панелей і нових методів очищення кремнію, що дозволили поліпшити його здатність до поглинання. Наприкінці 1980-х років у лабораторних умовах вдалося створити сонячні панелі, ефективність яких уже наближалася до 20%. Саме на кінець 1980-х припали й ранні комерційні впровадження тонкоплівкових сонячних елементів, виготовлених з сульфіду кадмію/міді та арсеніду галію.

Третій етап: високоефективні елементи (1990-2000-ні роки). Цей період можна назвати справжньою революцією у розвитку сонячних панелей, адже він ознаменувався появою багатоперехідних сонячних елементів (multi-junction solar cells). Нова технологія сонцепоглинального покриття пропонувала нанесення кількох тонких шарів напівпровідників, вироблених з різних матеріалів для поглинання різних частин сонячного спектра. Інновація допомогла значно підвищити ефективність нових типів сонячних панелей, довівши її до небачених раніше показників у 28-30%.

Багатоперехідні сонячні елементи, які найчастіше складалися з потрійного шару GaInP/GaAs/Ge (галій-індій-фосфід/арсенід галію/германій), поступово звели нанівець потребу у кремнієвих пластинах. Сонячні панелі на основі арсеніду галію використовувалися на перших модулях МКС. Пізніше їх замінили потрійним шаром багатоперехідних елементів на основі GaInP/GaAs/Ge. Наразі загальна площа покриття сонячних панелей на МКС становить 2500 м². За свого максимуму вони здатні генерувати 240 кВт електроенергії (в умовах, коли всі панелі перебувають під прямим сонячним промінням).

Останній етап еволюції сонячних панелей розпочався у 2010-х і досі триває. Він характеризується постійним зростанням ефективності нових типів сонячних панелей, яка тепер уже сягає 40% (поки що такі показники доступні тільки в лабораторних умовах). Інший тренд розвитку технології полягає у зменшенні маси та об’єму панелей за рахунок використання нових типів легкокомпозитних матеріалів. Ці складні механічні системи розгортання та сонячного трекінгу дозволяють суттєво підвищити електрогенерацію, через що дедалі частіше на космічних апаратах розміщуються потужніші типи сенсорів, оптичних камер і систем зв’язку. Значно еволюціонували й захисні властивості сонячних панелей: наразі вони характеризуються підвищеною стійкістю до сонячної радіації, екстремальних температур та умов космічного середовища, що особливо важливо для планетарних поверхневих місій. 

На новітній період припало й оновлення масиву сонячних батарей на МКС. З 2021 року NASA ініціювало велику процедуру заміни на ефективніші сонячні панелі, які називаються ISS Roll-Out Solar Arrays (iROSA). Процес оновлення організований таким чином, що демонтаж старих типів багатоперехідних сонячних панелей не потрібен, адже iROSA встановлюють поверх них. Кожна нова пара iROSA додає орбітальній станції близько 20 кВт потужності. На сьогодні встановлено вже три із шести запланованих пар сонячних панелей iROSA, а їхній наступний плановий монтаж намічений уже цього року. 

Забезпечити потреби землян: сонячні станції космічного базування 

Зі впровадженням нових типів ефективних сонячних панелей поступово визрівало усвідомлення, що енергію, отриману за допомогою них, можна використовувати не тільки для живлення штучних космічних апаратів. Американський інженер чеського походження Пітер Глейзер висунув свою концепцію сонячних електростанцій космічного базування (Space-Based Solar Power, SBSP) ще у 1968 році.

Його основна ідея полягала в тому, щоб організувати на орбіті збір сонячної енергії масивами сонячних панелей. Далі теплову енергію мають перетворювати у мікрохвильове (пізніші концепції пропонували й лазерне) випромінювання і передавати на Землю. Там у спеціалізованих хабах її можна було б знову перетворити на електричну енергію для живлення звичайних абонентів або підприємств. 

Перші концепції устрою SBSP охоплювали декілька основних елементів: 

• Величезний масив із сонячних батарей, які слід було вивести на орбіту.
• Система перетворювачів енергії. Це спеціальне обладнання для перетворення електричної енергії, зібраної сонячними панелями, на мікрохвильове випромінювання (найпоширеніший варіант) або на лазерний промінь.
• Система передавачів. Її мали реалізувати у вигляді велетенських антен (або лазерних систем), які направлятимуть енергетичний промінь до наземних приймальних станцій.
• Ректена (rectifying antenna). Наземна приймальна станція, яка перетворить мікрохвильове випромінювання назад в електричний струм для подальшої інтеграції у місцеву електромережу.

Як і у випадку з використанням звичайних сонячних панелей для енергоживлення супутників, ключові переваги такого способу електрогенерації полягають у повній відсутності нічних циклів (на певних типах орбіт енергія буде доступна 24 години на добу), а також уникненні поглинання сонячного випромінювання земною атмосферою тощо. 

Гарна новина також і в тому, що, теоретично, подібні космічні електростанції могли б передавати енергію з космосу в будь-яку спеціально облаштовану точку на Землі, де є потреба в енергоживленні. Інша перевага — як і з наземними сонячними електростанціями, цей різновид енергетики відносять до зеленої, вона не утворює парникових викидів і не потребує використання забруднювальних речовин у процесі електрогенерації. Утім, цю тезу можна заперечити, оскільки для розгортання подібних електростанцій космічного базування знадобиться щонайменше один ракетний запуск, який неодмінно супроводжуватимуть парникові викиди.

Що ближче людство підходило до спроб реалізувати SBSP-електростанції, то помітнішою ставала й низка інших складних викликів технологічного характеру. Передусім для генерації великої кількості електроенергії орбітальні сонячні електростанції мали бути дійсно велетенськими, а це б призвело до численних космічних запусків задля модульної збірки на орбіті. Оскільки в питаннях виробництва енергії не останню роль грає економічна рентабельність електростанції, витрати на розгортання таких типів SBSP значно б перевищили потенційні доходи від її використання. Один з останніх звітів NASA Space-Based Solar Power, опублікований 11 січня 2024 року, застерігає, що поки що генерація 1 кВт·год електроенергії на орбіті в середньому буде у 12 разів дорожчою, ніж на Землі. 

Інша проблема полягає в організації безпеки бездротової передачі високоінтенсивного мікрохвильового або лазерного випромінювання з орбіти на Землю. У цих зонах слід організувати безпольотний простір, оскільки торувати шлях крізь випромінювання такої інтенсивності було б фатальним для літаків. І якщо захист авіації можна належним чином організувати, природне біорізноманіття Землі опиниться у небезпеці (передусім ідеться про потенційну шкоду для птахів і рослинності, що потребує додаткових досліджень).

Великий виклик полягає і в розробці надійних систем перетворення енергії та її бездротової передачі на Землю на великі відстані, а також конструюванні справді ефективних типів наземних приймальних станцій. Подібні станції навряд чи вдасться розмістити на високих орбітах (на кшталт геостаціонарної), оскільки тоді передача енергії загрожуватиме вивести з ладу супутникові апарати на нижчих орбітах. 

Здавалося б, така маса технологічних, безпекових та економічних викликів мала б повністю поховати майбутнє проєкту сонячних електростанцій космічного базування. Однак першу із них збираються ввести в експлуатацію вже цього року. В межах програми розвитку технології SBSP під назвою OHISAMA Японський дослідницький інститут (Japan Space Systems) створив демонстраційний супутник вагою 180 кг.

Космічний апарат розташується на низькій навколоземній орбіті (LEO) заввишки 400 км, а його сонячні панелі матимуть площу всього 2 м². Попри невеликий розмір, Japan Space Systems стверджує, що її супутник буде здатен генерувати 1 кВт·год електроенергії, яка потім потрапить на Землю у вигляді мікрохвильового випромінювання. Система наземних приймальних антен займатиме площу у 600 м². Головний інженер проєкту OHISAMA Коіті Ідзіті прогнозує, що увесь процес передачі енергії на Землю триватиме близько 5 хвилин. Окрім розміщення супутникової сонячної електростанції, Japan Space Systems планує й демонстрацію електростанції власної розробки, встановленої на борту літака. 

Окрім Японії, власні проєкти з орбітальної сонячної енергетики сьогодні мають Китай та США, які розглядають цю концепцію як потенційне джерело чистої сталої енергії для Землі у майбутньому. 2023 року Каліфорнійський технологічний інститут (Caltech) успішно випробував систему бездротової передачі енергії у космосі в межах свого проєкту Space Solar Power Project (SSPP).

Зовсім скоро ми нарешті побачимо, чи дійсно життєздатна технологія SBSP на практиці. Можливо, як і у випадку з першими космічними сонячними панелями, площа покриття яких дорівнювала кільком десяткам квадратних сантиметрів, орбітальні сонячні електростанції теж еволюціонують і генеруватимуть гігавати електроенергії для покриття енергетичних потреб сотень тисяч людей на Землі.