На початку 2022 року низка космічних агенцій, серед яких, зокрема, ESA, NASA та JAXA, зголосилися відновити дослідження в галузі космічної сонячної енергетики (Solar-based Solar power, SBSP). Видобуток енергії на орбіті та її подальша передача на Землю за допомогою мікрохвильового випромінювання може стати майбутнім альтернативної енергетики. Проте перш ніж це здійсниться, аерокосмічним інженерам необхідно буде вирішити кілька технічно складних завдань.
Ми розібралися, наскільки реальною та економічно рентабельною є SBSP, і як ця технологія може допомогти людству в подальшому повністю відмовитись від викопних енергоресурсів.
Принцип роботи та типи орбітальних електростанцій
В основі процесу отримання космічної сонячної енергії лежить принцип її збирання на земній орбіті за допомогою супутників сонячної енергії (Solar Power Satellites, SPS), оснащених масивами фотоелектричних елементів.
Світло, що надходить на сонячні панелі супутників, сприяє виробленню електроенергії, яка згодом конвертується в мікрохвильове випромінювання високої інтенсивності та передається на спеціальні приймальні мікрохвильові антени (ректени), встановлені на Землі. Там мікрохвилі знову конвертуються в електроенергію та розподіляються кінцевим споживачам за допомогою ліній електропередачі.
Для організації процесу бездротової передачі енергії на Землю SPS-супутники можуть використовувати як лазерні, так і мікрохвильові випромінювачі. Передбачається, що сонячні супутники, що використовують мікрохвильове випромінювання, зможуть функціонувати на висоті не більше 35 000 км (MEO), тоді як лазерні SPS будуть орудувати куди нижче, на висотах близько 400 км над Землею (LEO).
Позаяк лазерні SPS мають істотно менші порівняно з мікрохвильовими розміри, їхній запуск коштуватиме значно дешевше. Відчутним мінусом тут є залежність ефективності лазерної передачі енергії від погодних умов: у хмарну погоду та дощ лазерний промінь може бути розсіяний при проходженні через щільні грозові хмари, що характерно суттєвими втратами у потужності енергії, яка передається на Землю. Енергоефективність одного лазерного SPS може становити від 1 до 10 МВт, чого буде достатньо для забезпечення потреби в енергоресурсі локальних об’єктів, таких як місячні або марсіанські орбітальні станції та наземні бази.
Мікрохвильові SPS можуть генерувати значно більшу потужність, яка становитиме 1 ГВт електроенергії, чого вистачить для забезпечення потреби в електриці міста середніх розмірів. На відміну від лазерної, мікрохвильова передача енергії не залежить від погодних умов, оскільки такі високочастотні хвилі легко проходять через щільні хмари, практично не втрачаючи при цьому енергію.
Разом із суттєвими перевагами мікрохвильових SPS існують і недоліки, головними з яких є колосальні розміри як самих космічниих сонячних електростанцій, так і приймального обладнання, розташованого на Землі. Так, для досягнення потужності в 1 ГВт діаметр хвильового приймача на Землі має становити кілька кілометрів.
Крім цього, запуск таких масивних об’єктів поки що не є можливим (або ж його складно реалізувати). Це означає, що процес збирання мікрохвильових сонячних орбітальних електростанцій має відбуватися на орбіті та вимагатиме від будівельників сотен космічних запусків складових модулів, які треба буде також збирати на орбіті. А висота орбіти 35 000 км в даний час робить фактично неможливим технічне обслуговування і ремонт подібних електростанцій. Однак енергетична ефективність, яку дозволяють виробляти подібні SPS, все ще значно перевищує наявні труднощі, тож робота над ними продовжується, причому кількість гравців все більшає.
Основні переваги SBSP
Порівняно із наземними сонячними панелями, процес перетворення сонячного випромінювання на електричну енергію на орбіті має такі переваги:
- Відсутність земної атмосфери, яка поглинає і розсіює від 30 до 50% сонячного випромінювання, що надходить на неї. У космосі цієї проблеми немає, а інтенсивність сонячного випромінювання у космічному вакуумі приблизно вдесятеро вище, ніж на Землі. Це впливає на можливу кількість електроенергії, яку зможуть генерувати сонячні панелі на орбіті.
- Періоди добового обертання Землі — наземні сонячні панелі неефективні вночі, а також малоефективні в хмарну погоду. Супутники сонячної енергії будуть позбавлені такої проблеми і зможуть приймати та перетворювати на електроенергію сонячне світло 24 години на добу (за винятком кількох хвилин на день, коли Земля проходитиме між SPS-супутником та Сонцем).
- Сонячні панелі SPS-супутників завжди можуть бути спрямовані строго на Сонце — таким чином забезпечується максимальний коефіцієнт поглинання сонячного випромінювання. Отже, космічні апарати зможуть виробити та передати на Землю більшу кількість електроенергії.
- Можливість передачі енергії з одного SPS-супутника на приймальні станції, розташовані в різних куточках світу. Вказана можливість може звести нанівець витрати на транспортування електроенергії. Адже більше не потрібно буде передавати електроенергію за допомогою кілометрів ліній електропередачі, достатньо просто направити супутник на потрібну приймальну станцію на Землі та використати отриману енергію відразу за місцем її споживання.
- Екологічно чиста електроенергія — слід розуміти, що саме альтернативна та відновлювальна енергетика на сьогодні є єдиною альтернативою викопним енергоресурсам. Розвиток космічних сонячних електростанцій може мінімізувати рівень викидів вуглецю в атмосферу, а у віддаленому майбутньому дозволить повністю відмовитися від електростанцій, що сприяють забрудненню атмосфери. В умовах зростаючої загрози глобального потепління саме сонячна енергетика є єдиною альтернативою на шляху до досягнення незалежності від викопних енергоресурсів.
Зростаюча тенденція до здешевлення космічних запусків та виведення корисного навантаження на орбіту може суттєво наблизити появу космічних сонячних електростанцій вже у наступні 10 років. Однак, для того щоб це стало здійсненним, необхідно усунути низку серйозних інженерних проблем.
Головні інженерні виклики: втрати від перетворення та безпека
До того як перші орбітальні електростанції будуть виведені на орбіту, їхнім провідним інженерам і проєктувальникам спочатку доведеться вирішити досить складні технічні завдання. Насамперед йдеться про розв’язання задачі з перетворення електричної енергії на мікрохвильове або лазерне випромінювання. Процес конвертації енергії не є на 100% ефективним і тягне за собою втрати потужності електроенергії, що надсилається на Землю. Водночас у момент надходження мікрохвильового випромінювання на приймальне обладнання на Землі перетворення має бути виконане ще раз (з мікрохвильового випромінювання на електроенергію), що знову спричинить втрати потужності. Зараз саме це завдання є наріжним каменем, що гальмує реалізацію амбітних проєктів SBSP.
Окрім питання перетворення енергії, інженерам треба буде детально опрацювати нову концепцію орбітальної безпеки під час використання SPS. Сильне мікрохвильове випромінювання здатне вплинути на роботу авіатранспорту, який може пройти через мікрохвильовий промінь. І якщо це питання цілком реально вирішувати в авіадиспетчерських, то проблема відстеження та утилізації космічного орбітального сміття стоїть гостро. Зіткнення космічної сонячної електростанції з метеоритами та іншим орбітальним мотлохом може відхилити мікрохвильовий промінь супутника та направити його у не обладнані для прийому зони на Землі.
У вирішенні питання збору космічного сміття покликана допомогти низка ініціатив, зокрема проєкт, що фінансується ESA. Космічний апарат зі збору та утилізації орбітального сміття отримав назву ClearSpace-1. 2025 року він спробує захопити та направити в атмосферу другий ступінь корисного навантаження, залишений ракетою Vega в 2013 році. Сума контракту, укладеного із ClearSpace SA, склала $86 млн.
Поряд з орбітальними сміттєзбирачами розглядаються ініціативи відхилення орбіти космічного сміття за допомогою лазерних установок, розташованих на Землі. За правильної організації передчасного виявлення подібних об’єктів, розрахунку їхньої траєкторії руху та наявності методів для перешкоджання зіткненню з SPS можна досягти належного рівня безпеки космічних електростанцій.
Останнім, але не менш складним завданням, як було описано вище, є колосальні розміри сонячних орбітальних електростанцій. Площа одного мікрохвильового SPS може становити приблизно 10 кв. км. Для будівництва таких гігантських інженерних споруд знадобляться міцні та надлегкі матеріали, які можна буде вивести на орбіту поетапно, за допомогою запуску сузір’їв супутників-модулів, з яких згодом і збудують електростанцію. Як вірогідна альтернатива розглядається можливість 3D-друку окремих модулів електростанції прямо на орбіті з їхнім подальшим складанням на місці друку. Подібні розробки здатні суттєво здешевити будівництво космічних сонячних електростанцій, фактично довівши кількість запусків, необхідних для їхнього розгортання на орбіті, до одного — запуску станції для 3D-друку модулів.
Як бачимо, питання рентабельності технології SBSP на сьогодні упирається у вартість запуску, композитних матеріалів, спорудження та обслуговування подібних електростанцій в умовах космосу. Якщо в найближчому майбутньому людство зможе наблизитися до вирішення проблем, наведених вище, а обсяги орбітальної енергії, що виробляється, перевищать аналогічні обсяги від наземних сонячних електростанцій, технології SBSP, вочевидь, буде дано зелене світло. І над цим вже сьогодні активно працюють космічні компанії у всьому світі.
Досвід космічних агентств світу та майбутнє технології
Європейське космічне агентство на початку 2022 року виступило з ініціативою відродити дослідження можливості виробництва орбітальної сонячної електроенергії. Це стало наслідком кампанії ESA, спрямованої на розвиток чистої космічної енергетики. Під час кампанії розглянули 85 заявок, з яких 13 ідей були визначені новаторськими та відібрані для подальшого фінансування. Зокрема, кампанія торкнулася основної проблематики SBSP, пов’язаної з новими концепціями космічних електростанцій для енергозабезпечення Землі, а також майбутніх місячних та марсіанських баз.
Зацікавлені й колишні члени ЄС. Як повідомляє британська The Times, наразі уряд Великої Британії розглядає можливості щодо виділення £16 млрд у межах ініціативи Net Zero, спрямованої на розробку низьковуглецевої енергетики.
У США в проєкті Space Solar Power Project уже ведуться розробки сонячних панелей високої ефективності, а також нових технологій конверсії електричної енергії в мікрохвильове випромінювання.
Австралійський космос теж зацікавлений у розвитку космічної орбітальної сонячної енергетики. Компанія Solar Space Technologies розробляє свій SPS-Alpha, що складається із множини будівельних блоків, які мають бути виведені та згодом змонтовані на орбіті. До 2027 року ми повинні побачити першу версію SPS-Alpha, яка займатиметься вирішенням питання австралійської енергетичної безпеки.
Група фахівців з JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) вже розробила теоретичну базу для орбітальних сонячних систем, які будуть здатні перетворювати енергію на хвильове випромінювання з мінімальним коефіцієнтом енергетичних втрат. За умови залучення належного фінансування проєкт може втілитись у реальність вже у найближче десятиліття.
Зі свого боку китайські фахівці в галузі аерокосмічного сектора розробляють свою концепцію SSPS (Space Solar Power System аналог SBSP), яка отримала назву OMEGA. Система складається з чотирьох основних елементів: сферичного сонячного колектора, масиву з гіперболоїдних фотоелектричних (PV) елементів, системи керування та розподілу потужності (PMAD), а також мікрохвильової антени передачі. Система OMEGA має дуже довгострокову перспективу і може з’явитись на навколоземній орбіті не раніше 2050 року. Однак, чекати на неї, вочевидь, варто: передбачається, що китайська космічна сонячна електростанція буде здатна генерувати та передавати на Землю до 2 ГВт електроенергії, що наразі еквівалентно роботі ≈6,25 млн сонячних панелей наземного базування.Сьогодні технологія космічної сонячної енергетики SBSP все ще на самому початку свого шляху, та потреба в енергоресурсах, що зростає (за прогнозами, до 2050 року вона має підвищитись на 50%), а також проблематика зміни клімату спонукає багато космічних агентств і приватних компаній активізувати зусилля в цьому напрямку. На середину поточного століття ми побачимо перші практичні результати цієї роботи, яка має всі шанси посісти головну нішу в альтернативній енергетиці майбутнього.
