Космічна енергетика: історія розвитку, плюси і мінуси

Людство потребує кришталевої чистої енергетики в екологічному плані, оскільки сучасні способи отримання енергії серйозно забруднюють навколишнє середовище. Вихід з глухого кута фахівці бачать в новаторських методах. Вони пов`язані із застосуванням космічної енергетики.

Початкові ідеї

Історія почалася в 1968 році. Тоді Пітер Глейзер продемонстрував задум масивних супутникових технологій. До них монтувався сонячний колектор. Його Розмір - 1 квадратна миля. Техніка повинна була розташовуватися на висоті в 36 000 км над зоною екватора. Мета-збирати і трансформувати сонячну енергію в електромагнітну смугу потік СВЧ. Таким методом корисна енергія повинна передаватися на величезні земні антени.

У 1970 році американське Міністерство енергетики разом з НАСА вивчили проект Глейзера. Це супутник Solar Power Satellite (абревіатура SPS).

Через три роки вченому видали патент на запропоновану методику. Задум при його реалізації приніс би видатні результати. Але були проведені різні розрахунки, і з`ясувалося, що запланований супутник генерував би 5000 МВт енергії, а землі б досягало втричі менше. Визначили і орієнтовні витрати на цей проект - 1 трильйон доларів. Це змусило уряд закрити програму.

90-ті роки

Надалі планувалося розташування супутників на більш скромній висоті. Для цього повинні були задіяти низькі навколоземні орбіти. Цю концепцію в 1990 р. розробили дослідники з Центру ім. М. В. Келдиша.

За їх планом, в 20-30-і роки 21-го століття має бути споруджено 10-30 спеціальних станцій. Кожна з них буде включати 10 енергетичних модулів. Сукупний параметр всіх станцій складе 1,5-4,5 ГВТ. На Землі показник досягне значень від 0,75 до 2,25 ГВт.

А до в 2100 році число станцій буде збільшено до 800. Рівень одержуваної енергії на Землі складе 960 ГВт. Але сьогодні немає відомостей навіть про розробку проекту на базі зазначеної концепції.

Дії NASA та Японії

У 1994 році був проведений особливий експеримент. Його влаштували американські ВПС. Вони розташували на низькій земній орбіті розширені фотоелектричні супутники. Для цієї мети були задіяні ракети.

У період з 1995 по 1997 роки НАСА проводило ретельне дослідження космічної енергетики. Аналізувалися її концепції та технологічні специфіки.

У 1998 році в цю сферу втрутилася Японія. Її космічне агентство дало старт програмі з формування космічної електросистеми.

У 1999 році NASA у відповідь розпочало свою подібну програму. У 2000 році представник цієї організації, Джон Маккінс, виступив перед Конгресом США із заявою, що на заплановані розробки потрібні величезні витрати і високотехнологічне обладнання, а також не одне десятиліття.

В 2001 році японці оголосили задум щодо посилених досліджень і запуску тестового супутника з параметрами 10 кВТ і 1 МВт.

У 2009 році їх Агентство з дослідження космосу повідомило про наміри направити на орбіту особливий супутник. Він направить сонячну енергію на Землю, задіявши мікрохвилі. Початковий його прототип повинен бути виведений в 2030 році.

Також у 2009 році було укладено важливу угоду між двома організаціями - Solaren та PG&E. За ним перша компанія вироблятиме енергію в космосі. А друга стане її купувати. Потужність подібної енергії складе 200 МВт. Цього вистачить, щоб забезпечити нею 250 000 житлових будинків. За деякими даними, проект почав реалізовуватися в 2016 році.

У 2010 році концерн "Шиміцу" опублікував матеріал, що оповідає про потенційну побудову масштабної станції на Місяці. Застосують сонячні батареї у величезних кількостях. З них вибудують пояс, який буде мати параметри 11 000 і 400 км (довжина і ширина відповідно).

У 2011 році кілька великих японських компаній задумали глобальний спільний проект. Він мав на увазі застосування 40 супутників з монтованими сонячними акумуляторами. Провідниками енергії на Землю стануть електромагнітні хвилі. Їх прийме дзеркало, що має діаметр 3 км. Його зосередять в пустельній зоні океану. Проект планувалося запустити в 2012 році. Але з технічних причин цього не сталося.

Проблеми на практиці

Розвиток космічної енергетики може врятувати людство від катаклізмів. Однак у практичної реалізації проектів є чимало складнощів.

За задумом, розташування мережі супутників в космосі має такі переваги:

1. Постійне опромінення сонцем, тобто безперервна дія.
2. Повна незалежність від погоди і положення осі планети.
3. Відсутність дилем з масою конструкцій і їх корозією.

Реалізацію задумів ускладнюють наступні проблеми:

1. Величезні параметри антени-передавача енергії на поверхню планети. Так, наприклад, щоб відбулася задумана передача із застосуванням мікрохвиль, що мають частоту 2,25 ГГц, діаметр такої антени складе 1 км. А діаметр зони, що приймає енергетичний потік, на землі повинен бути мінімум 10 км.
2. Енергетичні втрати при русі на Землю-близько 50%.
3. Колосальні витрати. Для однієї країни це дуже суттєві суми (кілька десятків мільярдів доларів).

Такі плюси і мінуси космічної енергетики. Усуненням і мінімізацією її недоліків займаються провідні держави. Наприклад, американські розробники намагаються вирішити фінансові дилеми за допомогою ракет SpaceXs Falcon 9. Ці пристрої значно знизять витрати на здійснення задуманої Програми (зокрема – запуск супутників SBSP) .

Місячна програма

Згідно з концепцією Девіда Крісуелла, задіяти місяць як базу розміщення необхідного обладнання вкрай необхідно.

Це оптимальне місце у вирішенні дилеми. До того ж де виходить космічну енергетику розвинути, як не на Місяці? Це територія, яка не має атмосфери і погоди. Вироблення енергії тут може йти безперервно з солідним ККД.

До того ж багато складових батарей можна спорудити з місячних матеріалів, наприклад, грунту. Так істотно знижуються витрати при аналогії з іншими варіаціями станцій.

Ситуація в Росії

Космічна енергетика країни розвивається на основі наступних принципів:

1. Забезпечення енергією-це соціально-політична проблема планетарного масштабу.
2. Екологічна безпека-це заслуга грамотного космічного дослідження. Повинні застосовуватися "зелені" тарифи на енергію. Тут обов`язково враховується соціальне значення її носія.
3. Постійна підтримка програм з освоєння новаторських спосіб отримання енергії.
4. Відсоток електроенергії, що генерується на АЕС, потрібно оптимізувати.
5. Виявлення оптимального співвідношення енергетики з наземним і космічним зосередженням.
6. Застосування космічної авіації для освіти та передачі енергії.

Космічна енергетика в Росії взаємодіє з програмою ФГУП НВО ім. Лавочкіна. Задум грунтується на застосуванні сонячних колекторів і антен з випромінюваннями. Базисні технології-автономні супутники, що контролюються з землі за допомогою пілотного імпульсу.

Для антени задіюється СВЧ-спектр З короткими, навіть міліметровими хвилями. Завдяки цьому в космічному просторі виникнуть вузькі промені. При цьому будуть потрібні генератори і підсилювачі скромних параметрів. Тоді знадобляться і істотно менші антени.

Ініціатива ЦНДІМАШ

У 2013 році ця організація (вона ж – ключовий науковий підрозділ Роскосмосу) запропонувала споруджувати вітчизняні космічні сонячні електростанції. Їх задумана потужність перебувала в діапазоні 1-10 ГВт. На Землю енергія повинна передаватися бездротовим методом. Для цієї мети, на відміну від США і Японії, російські вчені мали намір застосовувати лазер.

Ядерна політика

Розташування сонячних акумуляторів в космосі має на увазі певні переваги. Але тут важливо строго дотримуватися необхідну орієнтацію. Техніка не повинна перебувати в тіні. У зв`язку з цим ряд фахівців ставляться скептично до місячної програми.

І сьогодні найбільш ефективним методом вважається " Космічна ядерна енергетика-Сонячна космічна енергетика». Він має на увазі розміщення в космосі потужного ядерного реактора або генератора.

Перший варіант відрізняється величезною масою і вимагає ретельного контролю і обслуговування. Теоретично в космосі автономно він зможе пропрацювати не більше року. Це занадто короткий термін для космічних програм.

Другий відрізняється солідним ККД. Але в умовах космосу складно варіювати його потужність. Сьогодні американські вчені з НАСА розробляють вдосконалену модель такого генератора. Вітчизняні фахівці теж активно працюють в цьому напрямку.

Загальні мотиви для розвитку космічної енергетики

Вони можуть внутрішніми і зовнішніми. В першу категорію входять:

1. Різкий приріст населення планети. За деякими прогнозами, число жителів Землі до закінчення 21-го століття складе більше 15 млрд осіб.
2. Постійно підвищується рівень споживання енергії.
3. Використання класичних методів утворення енергії стає неактуальним. Вони ґрунтуються на нафті і газі.
4. Негативний вплив на клімат і атмосферу.

До другої категорії відносяться:

1. Періодичні падіння на планету великих частин метеоритів і комет. За статистикою, це відбувається раз на століття.
2. Зміни магнітних полюсів. Хоч періодичність тут-раз в 2000 років, є загроза, що Північний і південний полюс поміняються місцями. Тоді на деякий час планета позбудеться магнітного поля. Це загрожує серйозною поразкою радіацією, але налагоджена космічна енергетика могла б стати обороною від подібних катастроф.