Обеспечить все страны экологически чистой энергией и доставлять ее в любую точку мира — все это смогут солнечные панели, считают эксперты и ученые по всему миру.
Только 1,11% от глобального потребления энергии в 2019 году получили за счет солнечной энергии. Солнце обладает огромным энергетическим потенциалом, поэтому исследователи ищут способ оптимально использовать всего его возможности.
На первый взгляд, солнечная энергия — это простой и очевидный выбор. В отличие от ископаемого топлива ее выработка не выделяет парниковых газов, которые ускоряют глобальное потепление. Конкуренция за водные ресурсы и территории также не проблема.
Еще с политической точки зрения солнечная энергия один из самых безопасных источников альтернативной энергии. Из-за права распоряжаться запасами нефти и угля происходили крупные конфликты. В этом смысле солнечная энергия универсальна, она принадлежит всем и никому одновременно.
Почему получать солнечную энергию на Земле не эффективно?
По данным НАСА, примерно 29% солнечной энергии отражается обратно из-за земной атмосферы и рассеивается в космосе. Вдобавок ко всему, еще 23% солнечной энергии поглощает водяной пар, озон и пыль при прохождении через атмосферу. В конце концов, только 48% солнечной энергии достигает нашей планеты.
Поэтому солнечные батареи на Земле получают в лучшем случае половину энергии от первоначального количества. Но еще есть проблема и в самих батареях, их максимальная эффективность около 22%: речь о нелабораторных условиях. Ну и главное, солнечные панели работают только в светлое время суток. Поэтому нужно есть идея получать энергию напрямую от Солнца, не находясь при этом на Земле.
Как работает космическая солнечная энергия?
Космическая солнечная энергия (SBSP) — это идея сбора солнечной энергии в космосе с помощью спутниковых солнечных панелей. Дальше она беспроводным способом попадает на Землю. По данным Европейского космического агентства (ЕКА), свет от Солнца за пределами атмосферы в 11 раз интенсивнее. Поэтому спутниковые солнечные панели могут обеспечить огромное количество энергии, которое человечество даже не сможет потратить.
Кроме того, спутниковым панелям не угрожает плохая погода и заход Солнца. Из космоса эти устройства смогут передавать энергию в любое место на Земле, поэтому нужно только вывести спутники на оптимальную орбиту.
Как развернуть солнечную панель в космосе?
Чтобы сделать космическую солнечную энергетику доступной, нужны две основные технологии. Во-первых, ракеты-носители для доставки материалов в космос должны быть недорогими и экологичными. Большинство ракет, которые сейчас используют для доставки полезной нагрузки, очень дорогие и загрязняют окружающую среду. Несколько частных компаний, в частности SpaceX, сейчас разрабатывают дешевые многоразовые ракеты.
Второй момент — строительство солнечных спутников на орбите. Чтобы собирать необходимое количество энергии, спутниковые солнечные панели должны быть намного больше, чем МКС. Фактически это будет огромный космический корабль. С другой стороны, космические панели собрать проще, чем МКС.
Какими бывают солнечные спутники?
По мнению исследователей из Министерства энергетики США, есть два типа спутников, которые можно создать для сбора космической энергии. Оба этих типа будут состоять из солнечных коллекторов, отражателей и передатчика. Отражатели — это большие зеркала, которые будут направлять излучение на небольшие панели — коллекторы — затем последние преобразуют солнечную энергию в микроволновую или в лазер, чтобы передать ее на Землю. Приемные станции на Земле будут собирать, накапливать и распределять энергию.
- Спутники с микроволновой передачей
Крупнее из этих двух конструкций будут спутники, передающие микроволны. Их сделают из огромных солнечных отражателей, которые направляют солнечную энергию в центр спутника, откуда она затем передается на Землю в виде микроволн. Спутники, передающие микроволновые сигналы, будут вращаться вокруг Земли на геостационарной орбите на высоте около 35 000 км — это чуть менее одной десятой расстояния до Луны.
Тем не менее все подобные конструкции будут огромными. Одни только солнечные отражатели будут весить более 80 000 метрических тонн с диаметром до 3 км. Благодаря огромным размерам спутники, передающие микроволновые сигналы, смогут генерировать гигаватты энергии и питать крупные города мира. Кроме этого, длина волны электромагнитном спектре относительно большая, поэтому передача энергии с такого спутника будет проходить так же быстро и интенсивно, как солнечный свет достигает Земли.
Запуск, сборка и эксплуатация спутников, передающих микроволновые — все это очень дорого. Их стоимость оценивается в десятки миллиардов долларов. Из-за больших размеров, потребуется от 40 до 100 запусков, чтобы доставить все материалы. Кроме того, размер приемных центров на Земле должен быть масштабируемым до размеров спутников в космосе — примерно от 3 до 10 км в диаметре. А такие большие участки земли трудно осваивать и обслуживать.
- Спутники с лазерной передачей
Второй тип солнечных спутников — спутники с лазерной передачей — они будут всего около 2 м в диаметре. Для передачи энергии обратно на Землю в них разместят щелочной лазер с диодной накачкой. Лазер может быть размером примерно с кухонный стол и излучать энергию на Землю с эффективностью более 50%.
Спутники с лазерной передачей будут запускать группами на низкую околоземную орбиту (НОО) примерно на 400 км, так как они маленького размера. Производство таких устройств не такое рискованное и требует меньше времени, по сравнению со спутниками, передающими микроволновые сигналы. Оценки затрат на спутники с лазерной передачей варьируются от $500 млн до $1 млрд.
Но тут есть и свои минусы. Спутники с лазерной передачей менее мощные: каждая единица будет генерировать только от 1 до 10 МВт мощности. Даже если запустить много устройств сразу, они не смогут сравниться с мощностью, которую предоставляют спутники с микроволновой передачей. А так как мощность ниже, то будет труднее передавать энергию через тяжелые облака и дождь.
Запуск солнечных панелей в космос поможет решить не только энергетические проблемы, а также социальные и политические конфликты. В настоящее время многие страны зависимы от поставок ископаемого топлива, а ограниченные поставки нефти и углерода вызывают серьезные международные конфликты. Солнечная энергия поможет обеспечить энергетическую независимость. Также эту энергию можно экспортировать практически в любую точку земного шара.