ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ ИЗ КОСМОСА

Только подумайте, теперь это в одном шаге от того, чтобы стать возможным. Потяните за рычаг на электрическом щитке вашего дома, и он соединится с лучом энергии, исходящим от солнца и отскочившим от спутника: никаких затрат, никакого экологического ущерба, никакого конца. Существующая сеть спутников может предотвратить отключение электричества. Когда планета поворачивается и наступает ночь, наши дома, транспорт и системы отопления используют электроэнергию, накопленную днем. Никаких кабелей под землей, никаких отходов для утилизации…

Без энергии жизнь на планете невозможна. Растения и животные имеют сложные системы преобразования солнца и пищи в энергию, без которой они не могут существовать. За прошедшее время человечество открыло способы использования энергии, намного превышающие то, что может произвести один человеческий организм. Формы энергии и способы ее использования прошли долгий путь: от использования мускульной силы самого человека, а затем и одомашненных животных, до получения энергии из различных источников и управления потоками энергии. Мировое потребление энергии растет с каждым годом, так как энергетические системы являются двигателем социального и экономического развития, а энергия необходима для всех аспектов человеческого благополучия.

Но поскольку кривая спроса на энергию продолжает подниматься до уровней, немыслимых всего четверть века назад, признав, что ресурсы нашей планеты конечны и что ископаемое топливо скоро будет исчерпано, человечество разрабатывает альтернативные способы получения энергии, используя возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра, воды, солнца, геотермальная энергия и энергия приливов и отливов^[1] . Производство энергии лежит в основе глобальной климатической проблемы, поскольку большинство парниковых газов образуется в результате сжигания ископаемого топлива. Уголь, нефть и газ вносят основной вклад в глобальное изменение климата: на них приходится 75% глобальных выбросов парниковых газов и почти 90% всех выбросов двуокиси углерода^[2] . Но мы находимся между молотом и наковальней: нам нужно все больше и больше энергии, и мы должны прекратить использовать энергию, которая отравляет экосистему, иначе мы скоро сотрем жизнь с лица планеты.

Энергия солнца

Глобальное потребление энергии^[3]

Солнечная энергия используется давно и повсеместно, и солнечные батареи давно вошли в обиход. Но эта технология не совершенна. Помимо высокой стоимости компонентов, сложности установки и низкой удельной мощности, самой большой проблемой является атмосфера Земли, поскольку молекулы в нашей атмосфере рассеивают около половины солнечного света. Кроме того, из-за переменчивых погодных условий и, как следствие, непостоянства солнечных лучей, этот вид энергии редко служит постоянным источником^[4] . Но как же получить эту энергию за пределами атмосферы? Космическая солнечная энергетика позволяет использовать практически неограниченные запасы солнечной энергии в космосе, где она постоянно доступна и не зависит от циклов дня и ночи, времен года и погодных условий, что потенциально повышает эффективность в восемь раз по сравнению с солнечными батареями на поверхности Земли^[5] .

Калифорнийский технологический институт запустил проект Space Solar Power Project (SSPP), целью которого является сбор солнечной энергии в космосе и передача ее на поверхность Земли. В рамках этого проекта новаторский эксперимент MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment) несколько недель назад впервые продемонстрировал, что беспроводная передача солнечной энергии из космоса на Землю возможна с помощью уже имеющихся у нас технологий. Космическая солнечная энергия – это революционное решение, которое позволяет использовать неограниченное количество солнечной энергии через солнечные спутники^[6] .

SSPD-1, космический демонстратор солнечной энергии, был первым космическим прототипом этого проекта. Это сложный и инновационный проект, состоящий из трех экспериментов: MAPLE, DOLCE и ALBA. MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment) направлен на беспроводную передачу энергии, а DOLCE – на демонстрацию архитектуры и механизмов развертывания модульного космического аппарата: сверхлегкой композитной структуры, которая развертывается подобно парусу диаметром 2 метра. Хотя парус не содержит солнечных батарей, его цель – испытать тонкое, гибкое и большое развертывание, которое потребуется для создания будущей электростанции^[7] . А на установке ALBA, предназначенной для оценки эффективности различных фотоэлектрических элементов в суровых космических условиях, тестируются 32 образца солнечных элементов^[8] . Еще одним четвертым компонентом SSPD является блок электроники, который взаимодействует с компьютером космического аппарата и осуществляет мониторинг и управление тремя экспериментами.^[9]

В январе этого года с космического аппарата Momentus Vigoride, установленного на борту ракеты SpaceX в рамках миссии Transporter-6, в космос был запущен 50-килограммовый космический демонстратор солнечной энергии. Оказавшись на орбите, он развернул экспериментальные фотоэлектрические панели, предназначенные для сбора солнечной энергии в вакууме^[10] . MAPLE оснащен микроволновым передатчиком, который, в свою очередь, представляет собой систему из 32 антенн, сгруппированных в кластеры по 16. Каждый кластер управляется одним гибким интегральным чипом, изготовленным на заказ по дешевой кремниевой технологии. На расстоянии примерно 30 см от передатчика расположены два приемника, называемые массивами, которые представляют собой независимые системы приемников сигнала.

Кленовый принцип беспроводной передачи энергии^[11]

Солнечная энергия, собранная фотоэлектрическими элементами, преобразуется в электрические волны передатчиком и передается на приемники сигналов, которые, в свою очередь, преобразуют микроволны в постоянный электрический ток и запускают его с миллиметровой точностью в места хранения на Земле^[12] . Этот принцип беспроводной передачи энергии через пространство основан на квантовом явлении под названием “интерференция”.

Интерференция наблюдается, когда две или более волны накладываются друг на друга. В зависимости от фазового соотношения между волнами они могут либо усиливаться (конструктивная интерференция), либо ослабляться (деструктивная интерференция). Когда две волны встречаются в фазе, их амплитуды складываются, и возникает конструктивная интерференция. В этом случае наблюдается усиление волн, а области, где амплитуды складываются, называются интерференционными максимумами^[13] .

Проще говоря, этот эффект можно наблюдать, если создавать волны руками, погруженными в воду: есть области, где волна сильнее, и области, где волна расходится. Однако если представить, что есть два или более источника и что они создают волны согласованно, то есть одновременно и в одном направлении, с одинаковой фазой, то волны будут концентрироваться в одном направлении и компенсироваться во всех других направлениях, а их пик при встрече создаст пик большей высоты. Это явление позволяет реализовать принцип “увеличительного стекла”, при котором поток энергии из нескольких источников может быть сконцентрирован и скоординирован в нужном направлении^[14] . От солнца прямо к нам на кухню.

Используя этот принцип, ученые из Калифорнийского технологического института продемонстрировали эффективность передачи энергии от одного микроволнового передатчика к каждому из двух приемников путем изменения фокуса и направления излучаемой энергии. Массив передатчиков использует точные регуляторы времени для динамической и выборочной фокусировки энергии в нужной точке, складывая электромагнитные волны. Это позволяет передавать большую часть сфокусированной энергии в выбранном направлении над землей без помех со стороны атмосферы.

Точно контролируя время этого процесса, можно очень быстро (наносекунды) изменить направление энергии и перенаправить ее на космические приемники или даже на приемники на Земле. Все вместе это позволяет направить энергию в нужное место и никуда больше, без необходимости использования механических движущихся частей^[15] . Два приемных массива преобразовали солнечную энергию в постоянный ток, который был использован для питания пары светодиодных ламп, демонстрируя полную последовательность беспроводной передачи энергии. MAPLE успешно продемонстрировал это, включив каждый отдельный светодиод и переключаясь между ними^[16] .

Справа – передатчик, слева – два приемника, между ними круглое окно для передачи энергии за пределы прототипа^[17]

Это демонстрирует не только возможность передачи солнечной энергии с орбиты на Землю, но и передачи ее между космическими аппаратами^[18] . Кроме того, негерметичный эксперимент проходил в сложных космических условиях, включая перепады температуры, солнечную радиацию и облучение, что свидетельствует о надежности системы и ее способности функционировать в таких условиях.

MAPLE также имеет небольшое окно, через которое прототип может передавать энергию. Передача энергии была зафиксирована приемником на крыше Инженерной лаборатории Гордона и Бетти Мур в кампусе Калифорнийского технологического института в Пасадене 22 мая 2023 года. Принятый сигнал появился в ожидаемое время и на ожидаемой частоте, как и было предсказано на основе его путешествия с орбиты^[19] . К сожалению, данные о мощности, переданной из космоса на Землю, не были опубликованы^[20] .

Весь гибкий массив MAPLE, а также его основные чипы электроники беспроводной передачи энергии и передающие элементы были разработаны специально для этого проекта^[21] . По мнению ученых, массивы передачи энергии должны быть как можно легче, чтобы минимизировать количество топлива, необходимого для их отправки в космос, гибкими, чтобы их можно было сложить в пакет, который можно транспортировать в ракете и затем успешно развернуть, и в целом должны быть недорогой технологией^[22] . Вся серия из трех прототипов в рамках SSPD была задумана, спроектирована, построена и испытана командой из примерно 35 человек^[23] .

Перспективы революционной технологии

Проект Solaris Европейского космического агентства предусматривает беспроводную перекачку гигаватт из космоса^[24]

“Подобно тому, как Интернет сделал информацию доступной для всех, мы надеемся, что беспроводная передача энергии упростит доступ к энергии”, – говорит Али Хаджимири, руководитель проекта Space Solar Power Project (SSPP). Для транспортировки энергии на Землю не нужна никакая инфраструктура. Это означает, что мы можем отправлять энергию в отдаленные регионы и районы, опустошенные войнами или стихийными бедствиями”,^[25] .

Несмотря на слабость передаваемого сигнала, который составлял всего 200 милливатт (меньше, чем свет телефонной камеры)^[26] , этого было достаточно, чтобы продемонстрировать, что система могла бы работать в промышленных масштабах^[27] . В настоящее время команда разработчиков оценивает и анализирует отдельные компоненты MAPLE – процесс, который может занять до шести месяцев и обеспечить хорошую основу для того, чтобы избежать подводных камней при реализации крупномасштабной космической энергетической системы в будущем. Предполагается, что SSPP будет состоять из созвездия модульных космических аппаратов, использующих солнечные панели, похожие на паруса^[28] , способные собирать солнечный свет в космосе и, преобразуя его в электричество, излучать его в виде микроволн на большие расстояния^[29] .

Теоретически космическая энергия существует с 1970-х годов, и многие страны участвуют в “гонке” за экологически чистой солнечной энергией. Группа ученых из Киотского университета в сотрудничестве с японским космическим агентством JAXA планирует провести эксперимент по эффективной передаче энергии из космоса на Землю примерно в 2025 году. Ученые планируют не доказывать, что передача энергии возможна с научной точки зрения, а реализовать ее на практике. Для этого они запустят небольшие спутники, которые будут передавать солнечную энергию на наземные приемные станции^[30] . Успех такого проекта важен для Китая в контексте международного престижа в области космической энергетики и вытекающей отсюда возможности сотрудничества с другими государствами^[31] . Стартап Virtus Solis Technologies^[32] также работает над передачей энергии и планирует запустить пилотную установку на орбиту в 2026 году с намерением предложить коммерческую энергию потребителям к концу десятилетия^[33] .

Огромным стимулом для развития космической энергетики в Европейском Союзе является цель Net Zero на 2050 год – долгосрочная национальная стратегия по созданию экономики с нулевым уровнем выбросов парниковых газов с целью удержания роста глобальной температуры на уровне ниже 2°^[34] . Европейское космическое агентство работает над поиском финансирования^[35] , чтобы доказать, что спутниковая система на солнечных батареях коммерчески осуществима^[36] . Регистрация достаточно сложного и функционального патента была бы достаточной, чтобы вызвать энтузиазм властей в Брюсселе, которые и так находятся под давлением из-за войны в Украине.

Все не так просто

Опасное воздействие солнца на Землю[37]

По данным Группы экспертов Организации Объединенных Наций по изменению климата, в настоящее время к концу века потепление в мире составит 2,5 градуса Цельсия, что на 1 градус Цельсия выше порогового значения, которое научное сообщество считает безопасным во избежание катастрофических последствий^[38] . Чтобы сдержать потепление, глобальная экономика должна будет сократить выбросы парниковых газов на 45% к 2030 году, что означает, что многие технологии, потребляющие ископаемое топливо, должны быть постепенно отменены за очень короткий период времени. В этом контексте поиск надежных альтернативных источников энергии становится настоятельной необходимостью, и ученые предсказывают, что солнечная энергия будет доминировать в энергетическом ландшафте будущего.

В процессе “добычи” космической энергии не существует научных трудностей, которые необходимо решить; теоретические основы разработаны, а физика, лежащая в основе процессов, продемонстрирована. Эксперимент MAPLE показал, что дистанционная передача энергии возможна как в космосе, так и с орбиты на Землю. Вопрос скорее касается масштабов передачи энергии, которые напрямую связаны с уровнем технологической готовности отдельной отрасли, принимающей^[39] .

Кроме того, космическая энергетика требует огромных финансовых вложений: проект Калифорнийского технологического института обошелся более чем в 112 миллионов долларов^[40] . Учитывая, что мировые затраты на энергию составляют триллионы евро, предполагается, что первый спутник мощностью один гигаватт на солнечной энергии будет стоить около 20 миллиардов евро, что сравнимо со строительством новой атомной электростанции. Но благодаря массовому производству и экономии на масштабе последующие спутники могут значительно снизить затраты на строительство и эксплуатацию. Следовательно, стоимость производства базового уровня электроэнергии с помощью спутников будет более чем в два раза ниже, чем у атомных электростанций, и примерно такой же, как у крупных наземных солнечных электростанций^[41] . Но в контексте космической энергетики это инвестиции в будущее без удовлетворительной альтернативы.

Учитывая огромную мощность солнечной энергии, сравнимую с мощностью атомных электростанций, помимо вопроса сбора и передачи энергии, остается нерешенной проблема хранения энергии. В связи с этим возникает вопрос: чего мы ожидаем от космической энергии в будущем: резервной альтернативы или основного источника энергии для нашей планеты?

В настоящее время миссия по добыче энергии из космоса преследует благородную цель – обеспечить энергией отдаленные и труднодоступные районы, где подключение к традиционным энергетическим сетям может быть затруднено или невозможно. Это может быть особенно полезно для развивающихся стран и отдаленных районов, а также районов, подверженных разрушениям. Космос – для всех, солнце – для всех, но в будущем развитии космической энергетики может остро встать вопрос правового регулирования и распределения этого ресурса, а также вопрос безопасности.

Хотя переход на возобновляемые источники энергии имеет решающее значение для будущего мира, а концепция солнечной энергии космического базирования очень интересна и многообещающа, важно сохранять здоровый скептицизм по отношению к ней. Как и в случае со всеми научными достижениями, истинный потенциал этой технологии будет раскрыт только в ходе дальнейших разработок и испытаний^[42] . В любом случае, технология, продемонстрированная командой Калифорнийского технологического института, представляет собой важную веху и прокладывает путь к созданию более совершенных космических систем. И тогда мы увидим!

^[1] https://trends.rbc.ru/trends/green/609e76449a7947f4755ac9dc

^[2] https://www.un.org/en/climatechange/raising-ambition/renewable-energy

^[3] https://ourworldindata.org/grapher/global-primary-energy?time=earliest..latest

^[4] https://www.theguardian.com/science/2022/oct/09/beam-me-down-can-solar-power-from-space-help-solve-our-energy-needs

^[5] https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space

^[6] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/

^[7] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration

^[8] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/

^[9] https://knowridge.com/2023/01/caltech-will-launch-space-solar-power-technology-demo-into-orbit/

^[10] https://24tv.ua/tech/ru/osushhestvlena-pervaja-uspeshnaja-peredacha-solnechnoj-jenergii-iz-kosmosa-na-zemlju-tehno_n2328064

^[11] https://www.pasadenastarnews.com/2023/06/07/caltech-researchers-show-power-can-be-wirelessly-transmitted-in-space-the-implications-are-huge/

^[12] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration