Космическая солнечная энергетика: когда люди будут направлять энергию с орбиты на Землю
Солнце — самый доступный источник энергии на орбите, и с самого начала космической эры спутники используют именно ее. В 1968 году американский ученый Питер Глейзер (Peter Glaser) предложил, а в 1973 году запатентовал систему спутников на ГСО, собирающих энергию Солнца и передающих ее на Землю в виде СВЧ-излучения. Тогда, на фоне подорожания нефти (и обещаний разработчиков Space Shuttle серьезно уменьшить цену вывода на орбиту) идея нашла отклик и поддержку министерства энергетики США и NASA. Но на том уровне развития технологий реализовать ее было нереально. Позже запустила свою программу Япония, а в СССР (и позже России) хотели подсвечивать космическим отражателем северные регионы. Новый мощный толчок тематика получила в нулевые.
Проекты NASA
С середины нулевых NASA прорабатывало свой проект SPS (Solar Power Satellite)-ALPHA — создание в космосе гигантской фазированной решетки из мелких элементов. Была разработана теоретическая часть, но информации о каком-либо дальнейшем продвижении проекта не поступало. Недавно у NASA в связи с удешевлением запусков вновь проявился интерес к этой тематике.
NASA начинает исследование перспектив космической солнечной энергии (SBSP) — главный вопрос, в какой мере стоит (и стоит ли вообще) поддерживать проекты в этой области? В работе будут пересмотрены все предыдущие проекты, начиная с 70-х, будут выяснять, как они могут измениться при внедрении современных технологий.
Питер Гарретсон (Peter Garretson), бывший офицер ВВС США, который в 2007 году руководил исследованием SBSP, заявил, что заниматься солнечной энергетикой необходимо даже в том случае, если она и не принесет явной экономической выгоды, поскольку она решает другие важные проблемы, в частности — изменений климата.
С середины нулевых NASA прорабатывало свой проект SPS (Solar Power Satellite)-ALPHA — создание в космосе гигантской фазированной решетки из мелких элементов. Была разработана теоретическая часть, но информации о каком-либо дальнейшем продвижении проекта не поступало. Недавно у NASA в связи с удешевлением запусков вновь проявился интерес к этой тематике.
NASA начинает исследование перспектив космической солнечной энергии (SBSP) — главный вопрос, в какой мере стоит (и стоит ли вообще) поддерживать проекты в этой области? В работе будут пересмотрены все предыдущие проекты, начиная с 70-х, будут выяснять, как они могут измениться при внедрении современных технологий.
Питер Гарретсон (Peter Garretson), бывший офицер ВВС США, который в 2007 году руководил исследованием SBSP, заявил, что заниматься солнечной энергетикой необходимо даже в том случае, если она и не принесет явной экономической выгоды, поскольку она решает другие важные проблемы, в частности — изменений климата.
Солнечная энергетика для военных
В 2020 году военно-морская исследовательская лаборатория (NRL) на борту космического самолета X-37B ВВС протестировала аппаратуру улавливания солнечного света и преобразования его в электрическую энергию. В эксперименте не предполагалась передача энергии на Землю. Эту технологию будет отрабатывать исследовательская лаборатория ВВС (AFRL) в 2025 году в ходе миссии Arachne. Основная задача исследований, на которые выделено $100 млн, обеспечить удаленные базы альтернативным источником энергии, сделать их независимыми от подвоза топлива. При этом в лаборатории считают, что проект, получив государственную поддержку, впоследствии привлечет инвесторов и сформирует коммерчески успешное предложение, как это в свое время произошло с системой глобального позиционирования GPS.
Солнечная энергия будет преобразована на борту спутника Northrop Grumman ESPAStar в радиочастотный сигнал, а на Земле выпрямляющая антенна будет преобразовывать радиочастотную энергию в полезную мощность.
Солнечная энергия будет преобразована на борту спутника Northrop Grumman ESPAStar в радиочастотный сигнал, а на Земле выпрямляющая антенна будет преобразовывать радиочастотную энергию в полезную мощность.
Плитка для SPS и благотворительность
В конце 2021 года AFRL и Northrop Grumman протестировали спутниковую солнечную панель для сбора и передачи на Землю солнечной энергии. Все участники заявили, что успешная работа многослойной «сэндвич-плитки» стала ключевым шагом к дальнейшим работам по проекту Arachne. Следующий важный этап — переход от лабораторных условий к реальным, испытание «плитки» в космосе.
Не исключено, что в основе этой ключевой технологии лежит благотворительность частного лица. В 2013 году предприниматель Дональд Брен пожертвовал Калифорнийскому технологическому институту (Caltech) $100 млн на разработку технологий космической солнечной энергетики. Не имея никакого финансового интереса, просто потому, что верит в использование силы Солнца на всеобщее благо. Имя мецената долгое время скрывалось и стало известно только год назад. А в 2015 году Northrop Grumman заплатил Caltech $17,5 млн за разработку плитки-преобразователя солнечной энергии в электрическую.
В конце 2021 года AFRL и Northrop Grumman протестировали спутниковую солнечную панель для сбора и передачи на Землю солнечной энергии. Все участники заявили, что успешная работа многослойной «сэндвич-плитки» стала ключевым шагом к дальнейшим работам по проекту Arachne. Следующий важный этап — переход от лабораторных условий к реальным, испытание «плитки» в космосе.
Не исключено, что в основе этой ключевой технологии лежит благотворительность частного лица. В 2013 году предприниматель Дональд Брен пожертвовал Калифорнийскому технологическому институту (Caltech) $100 млн на разработку технологий космической солнечной энергетики. Не имея никакого финансового интереса, просто потому, что верит в использование силы Солнца на всеобщее благо. Имя мецената долгое время скрывалось и стало известно только год назад. А в 2015 году Northrop Grumman заплатил Caltech $17,5 млн за разработку плитки-преобразователя солнечной энергии в электрическую.
Маск критикует SPS
Разумеется, и здесь не обошлось без Илона Маска. Основатель SpaceX в свое время раскритиковал идею в пух и прах, назвав ее «самой глупой вещью на свете». По его мнению, в космосе всего в два раза больше солнечного света, чем на Земле, и с учетом потерь при преобразовании и передаче, космическая солнечная энергетика никогда не будет рентабельной. Однако эксперты Financial Times — Джон Мэнкинс (John Mankins), бывший физик из NASA, а также Карен Джонс (Karen Jones), руководитель проектов Aerospace Corporation, считают, что Маск никогда всерьез не подсчитывал данные проектов SPS, чтобы делать столь категорические заявления.
Разумеется, и здесь не обошлось без Илона Маска. Основатель SpaceX в свое время раскритиковал идею в пух и прах, назвав ее «самой глупой вещью на свете». По его мнению, в космосе всего в два раза больше солнечного света, чем на Земле, и с учетом потерь при преобразовании и передаче, космическая солнечная энергетика никогда не будет рентабельной. Однако эксперты Financial Times — Джон Мэнкинс (John Mankins), бывший физик из NASA, а также Карен Джонс (Karen Jones), руководитель проектов Aerospace Corporation, считают, что Маск никогда всерьез не подсчитывал данные проектов SPS, чтобы делать столь категорические заявления.
Китай уже строит космические электростанции
Китай развивает свою программу космической энергетики с 2013 года, для чего в 2014-м китайское национальное космическое управление (China National Space Administration) собрала специальную комиссию. К 2028 году страна планирует запустить первую сеть космических электростанций. В июне этого года университет Сидянь завершил строительство объекта SSPS-OMEGA — стальной конструкции высотой 75 м, предназначенной для наземных испытаний, сбора и передачи космической солнечной энергии.
Китайская академия космических технологий (CAST) предложила свой проект — множество линейных солнечных батарей, которые собираются на орбите автоматическими спутниками-роботами. Для удешевления процесса разрабатывается многоразовая версия сверхтяжелой ракеты-носителя Long March 9. CAST планирует провести эксперимент по беспроводной передаче энергии на низкой околоземной орбите в 2028 году, а затем провести испытания на ГСО в 2030 году.
В 2021 году CAST провела передачу энергии СВЧ-пучком на расстояние 300 м с борта дирижабля на морское судно.
Создание системы космических энергостанций потребует умения строить в космосе сверхбольшие конструкции. И это направление — конструирование, запуск, сборка и эксплуатация на околоземной орбите объектов километрового масштаба — в Китае выделено в отдельную программу.
Китай развивает свою программу космической энергетики с 2013 года, для чего в 2014-м китайское национальное космическое управление (China National Space Administration) собрала специальную комиссию. К 2028 году страна планирует запустить первую сеть космических электростанций. В июне этого года университет Сидянь завершил строительство объекта SSPS-OMEGA — стальной конструкции высотой 75 м, предназначенной для наземных испытаний, сбора и передачи космической солнечной энергии.
Китайская академия космических технологий (CAST) предложила свой проект — множество линейных солнечных батарей, которые собираются на орбите автоматическими спутниками-роботами. Для удешевления процесса разрабатывается многоразовая версия сверхтяжелой ракеты-носителя Long March 9. CAST планирует провести эксперимент по беспроводной передаче энергии на низкой околоземной орбите в 2028 году, а затем провести испытания на ГСО в 2030 году.
В 2021 году CAST провела передачу энергии СВЧ-пучком на расстояние 300 м с борта дирижабля на морское судно.
Создание системы космических энергостанций потребует умения строить в космосе сверхбольшие конструкции. И это направление — конструирование, запуск, сборка и эксплуатация на околоземной орбите объектов километрового масштаба — в Китае выделено в отдельную программу.
Европа изучает затраты и выгоду
В августе 2022 года два консалтинговых агентства — Frazer-Nash и Roland Berger — завершили заказанные ЕКА независимые исследования SPS, в которых оценили затраты на космическую энергетику и получаемую от нее выгоду. Имея на руках результаты, генеральный директор Европейского космического агентства Йозеф Ашбахер (Josef Aschbacher) планирует на министерской встрече стран-участниц организации, намеченной на ноябрь этого года, просить финансирование программы использования космической солнечной энергии (SBSP) Solaris. Об этом он сообщил в своем Twitter.
Оба исследования утверждают, что к 2040 году SBSP сможет обеспечить Европу электроэнергией по конкурентным ценам, заменив традиционные ископаемые источники энергии и дополнив существующие возобновляемые — солнечные фотоэлектрические и ветровые. При крупномасштабном развертывании SBSP обеспечит энергетическую безопасность Европы. Однако, как утверждается в отчетах, работы нужно начинать сейчас и вести их высокими темпами: не позже 2025 года нужно принять решение о реализации программы развития SBSP. Поэтому для дальнейшего изучения технической осуществимости проекта и затрат на него, ЕКА предлагает реализовать пилотную программу Solaris в период с 2023-й по 2025 годы. И уже по ее результатам принимать взвешенное решение.
По предварительным прикидкам проект получается недешевый, но выгодный. Frazer-Nash оценил, что стоимость европейской системы SBSP в период с 2022 года по 2070-й будет варьироваться от €149 млрд до €262 млрд. При этом выгода от центральной группировки из 54 спутников SBSP «гигаваттного класса» составит за этот период €601 млрд, включая и предотвращение затрат на производство энергии на Земле, уменьшение выбросов углекислого газа и пр.
Исследование Roland Berger оценило стоимость одного спутника SBSP в €8,1 млрд, а его эксплуатация в течение 30 лет обойдется в €7,5 млрд. Правда, это все при условии «существенного прогресса» в ключевых технологиях. Если же прогресс не оправдает возложенных на него ожиданий, то цена вырастет более, чем в четыре раза: спутник будет стоить €33,4 млрд, эксплуатация — €31,1 млрд.
В августе 2022 года два консалтинговых агентства — Frazer-Nash и Roland Berger — завершили заказанные ЕКА независимые исследования SPS, в которых оценили затраты на космическую энергетику и получаемую от нее выгоду. Имея на руках результаты, генеральный директор Европейского космического агентства Йозеф Ашбахер (Josef Aschbacher) планирует на министерской встрече стран-участниц организации, намеченной на ноябрь этого года, просить финансирование программы использования космической солнечной энергии (SBSP) Solaris. Об этом он сообщил в своем Twitter.
Оба исследования утверждают, что к 2040 году SBSP сможет обеспечить Европу электроэнергией по конкурентным ценам, заменив традиционные ископаемые источники энергии и дополнив существующие возобновляемые — солнечные фотоэлектрические и ветровые. При крупномасштабном развертывании SBSP обеспечит энергетическую безопасность Европы. Однако, как утверждается в отчетах, работы нужно начинать сейчас и вести их высокими темпами: не позже 2025 года нужно принять решение о реализации программы развития SBSP. Поэтому для дальнейшего изучения технической осуществимости проекта и затрат на него, ЕКА предлагает реализовать пилотную программу Solaris в период с 2023-й по 2025 годы. И уже по ее результатам принимать взвешенное решение.
По предварительным прикидкам проект получается недешевый, но выгодный. Frazer-Nash оценил, что стоимость европейской системы SBSP в период с 2022 года по 2070-й будет варьироваться от €149 млрд до €262 млрд. При этом выгода от центральной группировки из 54 спутников SBSP «гигаваттного класса» составит за этот период €601 млрд, включая и предотвращение затрат на производство энергии на Земле, уменьшение выбросов углекислого газа и пр.
Исследование Roland Berger оценило стоимость одного спутника SBSP в €8,1 млрд, а его эксплуатация в течение 30 лет обойдется в €7,5 млрд. Правда, это все при условии «существенного прогресса» в ключевых технологиях. Если же прогресс не оправдает возложенных на него ожиданий, то цена вырастет более, чем в четыре раза: спутник будет стоить €33,4 млрд, эксплуатация — €31,1 млрд.
Япония экспериментирует с мощными пучками
Япония начала исследования SSPS в 1980-х годах, а в 1990-х гг. исследовательская группа под руководством института космонавтики и астронавтики (в настоящее время JAXA ISAS) представила концептуальный проект «SPS2000» — станции мощностью 10 Мвт. В 2000-х годах JAXA и министерство экономики, торговли и промышленности (METI) изучили концепцию SSPS мощностью в 1 ГВт. Гигаваттную SSPS JAXA планирует разработать «к 2030-м годам», но считает, что возможно придется «обновлять сценарии развития и технологические дорожные карты на основе результатов исследований и рекомендаций сторонних экспертов». В более короткие сроки предполагается развернуть менее мощные системы SSPS.
По оценке JAXA эксплуатации SSPS мощностью 1 ГВт в течение 40 лет, обеспечивающей цену 8 иен за 1 кВтч (около 6 центов или 3,5 рублей) должна быть ниже 1,2 трлн иен (около $90 млрд). Отдельно отмечается, что эти выкладки не означают, что станция может быть построена за эти деньги, поскольку сюда не включены расходы на НИОКР, изготовление прототипа или разработку демонстраторов, создание космической транспортной системы.
В 2015 году исследовательская группа SSPS вместе с Japan Space Systems провели эксперимент, который можно считать этапным в продвижении космической энергетики: была проведена наземная демонстрация технологии беспроводной передачи СВЧ-пучка мощностью 1,8 кВт в диапазоне 5,8 ГГц на расстояние 55 м. СМИ комментировали этот эксперимент как серьезнейший прорыв в области космической энергетики.
Япония начала исследования SSPS в 1980-х годах, а в 1990-х гг. исследовательская группа под руководством института космонавтики и астронавтики (в настоящее время JAXA ISAS) представила концептуальный проект «SPS2000» — станции мощностью 10 Мвт. В 2000-х годах JAXA и министерство экономики, торговли и промышленности (METI) изучили концепцию SSPS мощностью в 1 ГВт. Гигаваттную SSPS JAXA планирует разработать «к 2030-м годам», но считает, что возможно придется «обновлять сценарии развития и технологические дорожные карты на основе результатов исследований и рекомендаций сторонних экспертов». В более короткие сроки предполагается развернуть менее мощные системы SSPS.
По оценке JAXA эксплуатации SSPS мощностью 1 ГВт в течение 40 лет, обеспечивающей цену 8 иен за 1 кВтч (около 6 центов или 3,5 рублей) должна быть ниже 1,2 трлн иен (около $90 млрд). Отдельно отмечается, что эти выкладки не означают, что станция может быть построена за эти деньги, поскольку сюда не включены расходы на НИОКР, изготовление прототипа или разработку демонстраторов, создание космической транспортной системы.
В 2015 году исследовательская группа SSPS вместе с Japan Space Systems провели эксперимент, который можно считать этапным в продвижении космической энергетики: была проведена наземная демонстрация технологии беспроводной передачи СВЧ-пучка мощностью 1,8 кВт в диапазоне 5,8 ГГц на расстояние 55 м. СМИ комментировали этот эксперимент как серьезнейший прорыв в области космической энергетики.
Другие эксперименты
Правительство Великобритании в 2020 году заказало исследование по SPS. Цель, можно сказать, стандартная: оценить затраты и выгоды. И министр науки Аманда Солоуэй (Amanda Solloway) тогда заявила, что космическая энергетика изменит правила игры и для Великобритании, и для всего мира.
В России вопрос космической солнечной энергетики поднимал ЦНИИМаш, но о каких-то работах или предварительных исследованиях информации не поступало.
Следует отметить, что в последние несколько лет в рассуждениях о рентабельности SPS начали играть весомую роль новые факторы — в первую очередь, это декарбонизация. И США, и Европа, и Япония нацелились на сведение к нулю углеродного следа, что сильно повышает значение т.н. чистых источников энергии, и в частности — SPS. Не исключено, что с течением времени экологические факторы будут играть более важную роль, чем экономические, что, несомненно, придаст ускорение реализации проектов орбитальных электростанций.
Правительство Великобритании в 2020 году заказало исследование по SPS. Цель, можно сказать, стандартная: оценить затраты и выгоды. И министр науки Аманда Солоуэй (Amanda Solloway) тогда заявила, что космическая энергетика изменит правила игры и для Великобритании, и для всего мира.
В России вопрос космической солнечной энергетики поднимал ЦНИИМаш, но о каких-то работах или предварительных исследованиях информации не поступало.
Следует отметить, что в последние несколько лет в рассуждениях о рентабельности SPS начали играть весомую роль новые факторы — в первую очередь, это декарбонизация. И США, и Европа, и Япония нацелились на сведение к нулю углеродного следа, что сильно повышает значение т.н. чистых источников энергии, и в частности — SPS. Не исключено, что с течением времени экологические факторы будут играть более важную роль, чем экономические, что, несомненно, придаст ускорение реализации проектов орбитальных электростанций.
20/10/2022 АНАЛИТИКА