Получение солнечной энергии из космоса - не новинка: телекоммуникационные спутники посылают микроволновые сигналы, генерируемые солнечной энергией, на Землю с 1960-х годов. Но передача полезных объемов энергии - совсем другое дело.

"Идея [существует] чуть больше века", - сказал Никол Каплин, ученый по исследованию дальнего космоса в ЕКА, в подкасте Physics World. "Первоначальные концепции были действительно научно-фантастическими. Она как бы уходит корнями в научную фантастику, но с тех пор интерес к ней то появлялся, то исчезал."

Исследователи изучают множество вариантов космической солнечной энергетики. Маттео Чериотти, старший преподаватель по проектированию космических систем в Университете Глазго, написал в журнале The Conversation, что было предложено множество вариантов.

Эта статья изначально появилась на сайте Ars Technica - надежном источнике новостей технологий, анализа технической политики, обзоров и многого другого. По словам Санджая Виджендрана, руководителя инициативы Solaris в ЕКА, Ars принадлежит материнской компании Condé Nast.

Инициатива Solaris изучает две возможные технологии: одна включает в себя передачу микроволн со станции на геостационарной орбите на приемник на Земле, а другая - использование огромных зеркал на более низкой орбите для отражения солнечного света на солнечные фермы. По его словам, он считает, что оба эти решения потенциально ценны. Микроволновые технологии вызывают все больший интерес и стали главной темой этих интервью. Она обладает огромным потенциалом, хотя можно использовать и высокочастотные радиоволны.

"У вас действительно есть источник круглосуточной чистой энергии из космоса, - говорит Вижендран. Энергия может передаваться независимо от погодных условий благодаря частоте микроволн.

"Электростанция мощностью 1 гигаватт в космосе будет сопоставима с пятью лучшими солнечными фермами на Земле. Электростанция мощностью 1 гигаватт могла бы питать около 875 000 домохозяйств в течение одного года", - говорит Эндрю Глестер, ведущий подкаста Physics World.

Но мы еще не готовы к развертыванию чего-либо подобного. "Это будет большой инженерный вызов, - говорит Каплин. Используя микроволновую технологию, солнечная батарея для орбитальной электростанции, генерирующей гигаватт энергии, должна быть размером более 1 квадратного километра, говорится в статье старшего репортера Элизабет Гибни в журнале Nature. "Это более чем в 100 раз превышает размеры Международной космической станции, на строительство которой ушло десятилетие". Кроме того, ее нужно будет собирать роботизированным способом, поскольку орбитальный объект будет находиться без экипажа.

Солнечные элементы должны быть устойчивы к космической радиации и мусору. Они также должны быть эффективными и легкими, с отношением мощности к весу в 50 раз больше, чем у типичных кремниевых солнечных элементов, пишет Гибни. Снижение стоимости этих элементов - еще один фактор, который инженеры должны учитывать. Снижение потерь при передаче энергии - еще одна задача, пишет Гибни. По данным ESA, коэффициент преобразования энергии необходимо повысить до 10-15 процентов. Это потребует технического прогресса.

Space Solar работает над дизайном спутника под названием CASSIOPeiA, который, по описанию Physics World, "похож на винтовую лестницу, где фотоэлектрические панели являются "проступями", а микроволновые передатчики - стержнеобразные диполи - "подъемами"". Она имеет спиралевидную форму и не имеет движущихся частей.

"Наша система состоит из сотен тысяч одинаковых энергетических модулей размером с обеденную тарелку. Каждый модуль оснащен фотоэлектрическим элементом, который преобразует солнечную энергию в постоянный ток, - говорит Сэм Адлен, генеральный директор Space Solar.

"Этот постоянный ток затем приводит в действие электронику для передачи энергии... вниз к Земле с помощью дипольных антенн. В космосе эта энергия преобразуется в [микроволны] и передается когерентным лучом на Землю, где ее принимает выпрямляющая антенна, преобразует в электричество и подает в сеть"."

Адлен отметил, что технологии робототехники для применения в космосе, например, для сборки на орбите, быстро развиваются.

Кериотти написал, что SPS-ALPHA, другой проект, имеет большую структуру солнечных коллекторов, включающую множество гелиостатов, которые представляют собой модульные небольшие отражатели, которые можно перемещать по отдельности. Они концентрируют солнечный свет на отдельных энергогенерирующих модулях, после чего он передается обратно на Землю с помощью еще одного модуля.

Все эти планы предполагают использование больших потоков микроволнового или радиоизлучения. Но солнечная энергетика космического базирования относительно безопасна. Что касается микроволнового излучения от космической солнечной установки, то "единственное известное воздействие этих частот на человека или живые существа - это нагрев тканей", - говорит Виджендран. "Если бы вы оказались в таком луче при таком уровне мощности, это было бы все равно что оказаться на... вечернем солнце". Тем не менее, Каплин говорит, что необходимо провести дополнительные исследования, чтобы изучить влияние этих микроволн на людей, животных, растения, спутники, инфраструктуру и ионосферу.

Однако донести эту информацию до общественности может оказаться непростой задачей. "Адлен говорит, что для успешного вывода этой технологии на рынок потребуется активная работа с общественностью: "Военные атаки с использованием солнечной энергии космического базирования также могут вызвать опасения. Но даже если космическая солнечная электростанция будет захвачена в военных целях, аппаратура ограничит интенсивность луча до безопасного уровня, чтобы он не мог быть использован для нанесения вреда людям или экосистемам на Земле, говорит Сериотти.

Помимо экологических вопросов, есть и другие, которые необходимо будет решить до развертывания. Помехи сигналам связи - еще один потенциальный риск, хотя Гибни написал, что частота луча не нарушит связь между самолетами. Важно учитывать и другие физические риски.

По словам Виджендрана, орбитальные обломки, такие как метеориты или космический мусор, могут упасть на станцию и повредить ее. Если при ударах по солнечной электростанции будут образовываться обломки, это также может вызвать проблемы. Кроме того, само оборудование придется деорбитировать по истечении срока службы. У ЕКА есть инициатива "Чистый космос". Все, что мы отправляем в космос, мы должны думать обо всем жизненном цикле, от колыбели до могилы", - говорит Каплин.

И наконец, проект все равно окажет влияние на окружающую среду. Вывод оборудования солнечной электростанции на орбиту, ее строительство и управление ею приведут к загрязнению окружающей среды и потреблению значительного количества топлива, пишет Сериотти. Могут потребоваться сотни запусков.

Помимо воздействия на окружающую среду, эти запуски будут стоить денег. По словам Каплина, до сих пор главным препятствием для создания космической солнечной электростанции была стоимость. Поскольку ситуация меняется, и отправка в космос становится все дешевле, мы можем снова вынести этот вопрос на обсуждение". Деньги говорят. У нас есть рекомендации двух независимых исследований по анализу затрат и выгод, и они оба пришли к выводу, что это может быть жизнеспособным".

По словам Чериотти, затраты на космическую солнечную энергию будут включать в себя стоимость производства, стоимость обслуживания и стоимость запуска.

"Мы ожидаем, что в будущем стоимость снизится", - сказал Виджендран. "Мы можем начать с мощности, которая будет конкурентоспособной по сравнению с той, что мы платим за атомную энергию сегодня... между 100 и 200 долларами за мегаватт-час... Это выше, чем периодические возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, но играет свою роль, поскольку они надежны и доступны круглосуточно".

Виджендран сказал, что он ожидает, что стоимость солнечной энергии космического базирования в конечном итоге снизится до уровня, когда она будет конкурентоспособной по сравнению с солнечной и ветровой энергией на Земле, которая составляет менее 50 долларов за мегаватт-час. Согласно публикации Управления энергетической информации по этому вопросу за 2022 год, в 2021 году стоимость солнечной энергии и наземного ветра составит от 20 до 45 долларов за мегаватт-час.

По оценкам Адлена, стоимость солнечной энергии гораздо ниже - около четверти стоимости атомной энергии.

SpaceX и Blue Origin разрабатывают ракеты-носители, способные поднимать тяжелые грузы, пишет Сериотти. Части этих ракет могут быть использованы повторно, а их высокая грузоподъемность и возможность многократного использования могут снизить стоимость некоторых аспектов строительства на 90 процентов.

Заглядывая в будущее, каковы следующие шаги в развитии космической солнечной энергетики? ЕКА планирует в следующем году принять решение о своих целях по созданию космической станции без экипажа, сказал Виджендран. Процесс затормозился из-за нехватки финансовой поддержки со стороны некоторых европейских стран.

"Первым важным шагом будет реализация ... маломасштабной демонстрационной космической миссии для запуска примерно в 2030 году", - сказал Виджендран.

За пределами ЕКА Калтех продемонстрировал легкий прототип, преобразующий солнечный свет в радиочастотную электроэнергию и передающий ее в виде луча. Университет занимается исследованием модульного, складного и сверхлегкого космического оборудования для солнечной энергетики.

"Я считаю, что как мир связи перешел от проводной к беспроводной, так и мир энергетики будет развиваться в том же направлении", - говорит Адлен. Международное сотрудничество станет ключом к созданию космических солнечных электростанций, если подобные проекты будут развиваться.

Эта статья первоначально появилась на сайте Ars Technica.