Взгляд в космос в гонке за декарбонизацию
Космическая солнечная энергия, которая когда-то была темой для научной фантастики, вызывает все больший интерес.
Солнце, сфотографированное с Международной космической станции примерно в 260 милях над Тихим океаном. Беспроводная передача энергии в космосе открывает дверь для использования энергии солнца для обеспечения полезной энергии на Земле. НАСА
Али Хаджимири считает, что есть лучший способ обеспечить планету энергией — тот, который не получает того внимания, которого он заслуживает. Профессор электротехники Калифорнийского технологического института представляет себе тысячи солнечных панелей, плавающих в космосе, не загораживаемых облаками и не сдерживаемых циклами дня и ночи, по беспроводной сети передающих огромное количество энергии приемникам на Земле.
В этом году это видение приблизилось к реальности, когда г-н Хаджимири вместе с командой исследователей из Калифорнийского технологического института доказал, что беспроводная передача энергии в космосе возможна: солнечные панели, которые они прикрепили к прототипу Калифорнийского технологического института в космосе, успешно преобразовали электричество в микроволны и направили эти микроволны на приемники на расстоянии около фута, зажигая два светодиода.
Прототип также передавал крошечное, но обнаруживаемое количество энергии на приемник на крыше здания их лаборатории в Пасадене, штат Калифорния. Демонстрация знаменует собой первый шаг в беспроводной передаче полезной энергии из космоса на Землю — источника энергии, который, по мнению г-на Хаджимири, будет безопаснее, чем прямые солнечные лучи. «Интенсивность луча должна быть меньше, чем солнечная интенсивность на Земле», — сказал он.
Поиск альтернативных источников энергии является одной из тем, которые будут обсуждаться лидерами бизнеса, науки и государственной политики во время мероприятия The New York Times Climate Forward в четверг. Демонстрация в Калифорнийском технологическом институте стала важным моментом в стремлении реализовать космическую солнечную энергию — технологию чистой энергии, которая долгое время была омрачена другими долгосрочными идеями чистой энергии, такими как ядерный синтез и недорогой чистый водород.
Ученые из Калифорнийского технологического института опускают часть космического демонстратора солнечной энергии на космический корабль, который позволит устройству улавливать солнечную энергию, преобразовывать электричество в микроволны и передавать их на приемники. Калифорнийский технологический институт/Momentus
Если космические солнечные батареи можно будет заставить работать в коммерческих масштабах, сказал Николай Джозеф, старший технологический аналитик Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, такие станции могут обеспечить до 10 процентов мировой энергии к 2050 году.
Идея космической солнечной энергии существует по крайней мере с 1941 года, когда писатель-фантаст Айзек Азимов поместил один из своих рассказов «Разум» на солнечную станцию, которая излучала энергию микроволнами на Землю и другие планеты.
В 1970-х годах, когда пятикратный рост цен на нефть вызвал интерес к альтернативной энергетике, НАСА и Министерство энергетики провели первое значительное исследование по этой теме. В 1995 году под руководством физика Джона К. Мэнкинса НАСА еще раз взглянуло и пришло к выводу, что инвестиции в космические технологии были необходимы, чтобы снизить стоимость, прежде чем космическая солнечная энергия может быть реализована.
«Никогда не было никаких сомнений в том, что это технически осуществимо», - сказал г-н Манкинс, ныне президент Artemis Innovation Management Solutions, технологической консалтинговой группы. «Стоимость была слишком непомерно высокой».
Демонстратор космической солнечной энергии Калифорнийского технологического института на вершине космического корабля Momentus Vigoride. Калифорнийский технологический институт/Momentus
Появление SpaceX Илона Маска привело к резкому снижению стоимости запусков ракет. С 1970 по 2000 год средняя стоимость запуска ракеты на низкую околоземную орбиту составляла около 18 500 долларов за килогтарана, или 2,2 фунта веса; Сегодня стоимость упала до 1,500 долларов за килограмм. Это сокращение помогло резко сократить оценки строительства электростанций за пределами атмосферы Земли.
В обзоре НАСА 1980 года был сделан вывод о том, что первый гигаватт космической солнечной энергии (достаточно энергии для питания 100 миллионов светодиодных ламп) будет стоить более 20 миллиардов долларов (100 миллиардов долларов сегодня). К 1997 году, по оценкам НАСА, это число сократилось примерно до 7 миллиардов долларов (15 миллиардов долларов сегодня); теперь, согласно исследованию, проведенному для Европейского космического агентства в 5 году, он оценивается ближе к 2022 миллиардам долларов.
«Раньше я был критиком космической солнечной энергии», — сказал Рамез Наам, инвестор в области климата и чистой энергии. В настоящее время г-н Наам активно ищет космические солнечные компании для инвестиций. «Резко изменившаяся стоимость космических запусков изменила все», — сказал он.
Космическая солнечная энергия требует беспроводной передачи электрической энергии через космос с использованием микроволнового или лазерного излучения. В отличие от лазерных лучей, микроволны могут проникать сквозь облака и осадки, что делает их главным кандидатом на максимизацию солнечной мощности.
Вид изнутри устройства улавливателя солнечной энергии Калифорнийского технологического института, которое включает в себя микроволновые передатчики и приемники энергии. Калифорнийский технологический институт/Momentus
Тем не менее, есть инженерные препятствия. Хотя команда г-на Хаджимири в Калифорнийском технологическом институте доказала, что беспроводная передача энергии микроволн в космосе возможна - и даже излучала обнаруживаемое количество энергии на Землю - они не излучали достаточно энергии на Землю, чтобы преобразовать ее в пригодную для использования форму.
«Никто не продемонстрировал мощность, излучающую более нескольких километров», — сказал Пол Джаффе, инженер Военно-морской исследовательской лаборатории США, специализирующийся на технологии силового излучения. Г-н Хаджимири считает, что это можно сделать. Инженер из Калифорнийского технологического института говорит, что он работает над технологиями, которые позволят большому массиву легких, похожих на парус космических кораблей, используя миллиарды небольших передающих антенн, создать сфокусированный луч, который мог бы путешествовать на тысячи километров до Земли и нести мегаватт энергии.
Масштабы космических солнечных энергетических структур также пугают. Самым выдающимся зданием в космосе сегодня является Международная космическая станция, высота которой составляет 357 футов. Космические солнечные энергетические системы будут иметь ширину в несколько тысяч футов, и для автономной сборки конструкций на орбите потребуется армия роботов.
В дополнение к преодолению технических проблем, исследователи также должны обеспечить безопасность беспроводной передачи энергии на Землю. Микроволновые и лазерные лучи представляют известный риск для здоровья человека при работе при определенной плотности мощности. Исследователи говорят, что плотность мощности космических солнечных батарей будет рассчитана на работу в пределах, установленных международными руководящими органами. Тем не менее, ни одно исследование не было сосредоточено на влиянии космического излучения на здоровье человека, окружающую среду или атмосферу, что является важным шагом для общественного признания технологии.
Тогда неизбежно возникнут проблемы с регулированием. Передача радиоволн с орбиты, включая телекоммуникации, GPS и метеорологические спутники, требует лицензирования для предотвращения помех со стороны различных пользователей. Спутники, работающие на солнечной энергии, скорее всего, потребуют одобрения Международного союза электросвязи, учреждения Организации Объединенных Наций, для защиты и лицензирования их рабочих частот.
Сложность этих проблем обусловливает ожидаемое появление большинства космических проектов солнечной энергии в 2030-х или 2040-х годах, если они когда-либо дойдут до этой точки. Это не мешает исследователям продвигать мечту об использовании непрерывного, неисчерпаемого запаса энергии из космоса.
Санджай Виджендран, инженер Европейского космического агентства, потратил большую часть своей жизни на проекты по исследованию Марса, но изменение климата вернуло его внимание на Землю. «Есть ли что-то еще, что космос может сделать, чтобы напрямую помочь с климатическим кризисом?» — вспоминает г-н Виджендран, который спрашивал себя и своих коллег в 2020 году. Результатом стала Solaris, программа, которую он возглавляет, которая к 2025 году выпустит отчет о технической и экономической осуществимости космической солнечной энергии.
Художественная иллюстрация космической солнечной фермы, которая сможет передавать энергию на Землю. ЕКА
Virtus Solis, базирующаяся в Мичигане, и Space Solar в Соединенном Королевстве входят в число нескольких стартапов, работающих над космической солнечной энергией. Правительственные учреждения, включая НАСА, ВВС США, Японское агентство аэрокосмических исследований, Европейское космическое агентство и Китайскую академию космических технологий, планируют поделиться отчетами о космической солнечной энергии в течение десятилетия. С 2019 года Военно-морская исследовательская лаборатория США запустила несколько демонстраций излучения энергии.
Доктор Яффе считает, что нет уверенности в том, что космическая солнечная энергия будет работать или даже будет необходима. «Может случиться так, что мы собираемся создать портфель альтернатив, которые достаточно хороши для нашей прогнозируемой энергии, и это делает космическую солнечную энергию ненужной», — сказал он.
Г-н Виджендран также готов признать, что космическая солнечная энергия может не работать без надлежащего финансирования. Но он видит абсолютную необходимость изучить этот вариант, особенно с учетом того, как мало денег было вложено в технологию по сравнению с другими решениями.
«Мы вкладываем миллиарды в исследования в области ядерного синтеза каждый год», — сказал г-н Виджендран. «Если вы вкладываете миллиард в год в космическую солнечную энергию, мы будем готовы к этому через 10 лет».
