Источник: Forbes Перепечатка

«Демонстратор космической солнечной энергетики-1» (Space Solar Power Demonstrator-1, или SSPD-1) передал энергию с орбиты на наземную антенну с помощью микроволн. Разработчики утверждают, что это первая передача энергии из космоса по микроволновому лучу. Но у этого утверждения есть нюансы.

Космос в квадратах

Система SSPD-1 создана в Калифорнийском технологическом институте в рамках «Проекта космической солнечной энергетики» (Space Solar Power Project, или SSPP). Конечная цель проекта — созвездие солнечных электростанций. Каждый такой аппарат будет представлять собой тонкий и гибкий лист. В свернутом виде он займет всего около кубометра, а на орбите развернется в квадрат со стороной в 50 м. На повернутой к Солнцу стороне разместятся солнечные батареи, а на противоположной — микроволновые передатчики. Еще в 2017 году разработчики продемонстрировали (на Земле) прототип конструкции. Квадратный метр «полотна» весит менее килограмма, так что масса аппарата не превысит 2,5 т, что вполне посильно для современных ракет.

«Демонстратор» был запущен в январе этого года. Он мало напоминает будущие квадратные электростанции. SSPD-1 представляет собой 50-килограммовый спутник вполне традиционной компоновки. На его борту три устройства, каждое из которых тестирует свою часть технологии: DOLCE, ALBA и MAPLE. DOLCE — это складная конструкция размерами 1,8 × 1,8 м из тонких композитных материалов. Она апробирует механику будущих орбитальных электростанций: что где крепится, как развертывается, выдерживает ли нагрузки. ALBA — это набор небольших солнечных батарей 32 различных типов. Задача этого эксперимента — выяснить, какие фотоэлементы выгоднее использовать для внеземной энергетики. MAPLE — система, излучающая микроволны, то есть короткие радиоволны. Именно на ее счету нынешний успех.

На гребне радиоволны

Исследователи не нашли на рынке достаточно легких, гибких и дешевых передатчиков, да еще и допускающих управление лучом. Поэтому нужные устройства были разработаны с нуля. Разумеется, сначала прошли лабораторные испытания. Задачей MAPLE было показать, что система остается работоспособной в космосе с его вакуумом, радиацией, экстремальными температурами и перегрузками на старте. Как и положено в первом эксперименте, передаваемая мощность была микроскопической (достаточной, чтобы запитать несколько светодиодов).

Для начала экспериментаторы направили луч на приемник, расположенный на том же спутнике, примерно в 30 см от передатчика. Устройство приняло сигнал и преобразовало микроволны в ток. Тогда ученые передали луч на наземную антенну в Калифорнии. Конечно, дошедший до Земли сигнал был совсем слабым, но наблюдатели выделили его из радиошума.

По сути, не произошло ничего сенсационного. Антенна на борту космического аппарата испустила радиоволны, наземная антенна их приняла. Это очень похоже на обычный сеанс связи с космосом. Любые радиоволны несут энергию, так что формально энергию из космоса по лучу передал первый же искусственный спутник Земли, запущенный в 1957 году.

Однако обычная радиосвязь предназначена для обмена информацией, а не энергией. Задача линии связи — передать как можно больше бит, потратив на это как можно меньше ватт. У радиолуча орбитальной электростанции задача противоположная — передать как можно больше энергии. Для этого нужны совершенно иные технические решения, на отработку которых и направлен «Проект космической солнечной энергетики».

«Проект» существует на деньги спонсоров. Так, Фонд Дональда Брена пожертвовал ему более $100 млн, а корпорация Northrop Grumman, известный производитель космической техники, добавила еще $12,5 млн. Это скорее благотворительность, чем вложение капитала: никто не ждет, что орбитальная энергетика появится в ближайшие годы. Даже если все нужные технологии будут созданы, ее рентабельность — это очень непростой вопрос.

С небес на Землю

Сама идея выглядит очень привлекательной. На квадратный метр за пределами атмосферы падает примерно 1400 Вт солнечного излучения. Кремниевые фотоэлементы могут превратить четверть этой мощности в электрическую. В космосе нет ни ночи, ни облаков, поэтому солнечная батарея может работать круглогодично и круглосуточно. Это более 3 мегаватт-часов электроэнергии в год с квадратного метра. При этом мировая электрогенерация в 2020 году составляла 27 тераватт-часов. Несложно подсчитать, что столько энергии вырабатывали бы 3000 км² солнечных батарей — меньше трех площадей Москвы. Несколько орбитальных городов-электростанций обеспечили бы электричеством всю планету.

Однако тут же начинаются «но». Чтобы круглосуточно вырабатывать и передавать энергию, электростанция должна, во-первых, никогда не попадать в тень Земли, а во-вторых, никогда не скрываться за горизонтом. Это значит, что запускать ее придется на геостационарную орбиту высотой около 36 000 км. Такой запуск — дорогое удовольствие даже по нашумевшим расценкам «Старшипа», который пока не доставил в космос ни килограмма. К тому же геостационарная орбита плотно забита спутниками связи, и не очень понятно, как развернуть на ней грандиозное строительство.

Следующий вопрос — передача энергии на Землю. Радиоволны несут тем больше энергии, чем они короче. Поэтому, скорее всего, будут использованы сантиметровые или даже миллиметровые волны. Однако они частично поглощаются атмосферной влагой. То есть, во-первых, принимаемая мощность будет зависеть от погоды. А во-вторых, луч будет нагревать облака. Трудно предсказать влияние такого эффекта на погоду. А от погоды в нашей жизни зависит очень многое, от сельского хозяйства до авиарейсов.

Отдельная проблема — размеры приемной станции. Даже очень узкий луч, испущенный в десятках тысяч километров над Землей, образует на ее поверхности пятно диаметром в несколько километров. Чтобы собрать всю падающую из космоса энергию, приемная антенна должна быть такого же размера.

 По некоторым расчетам, чтобы подать в электросети 10 ГВт мощности (пара-тройка заурядных атомных электростанций), нужна солнечная батарея площадью 100 км² на геостационарной орбите и приемная станция площадью 10 км² на Земле. Трудно даже предположить, во что обойдется строительство и регулярное обслуживание такой системы. Скорее всего, ядерная энергетика замкнутого цикла и даже термоядерная энергетика станут рентабельными намного раньше, чем орбитальная солнечная энергия.

Разумеется, это не смущает некоторых политиков, меценатов и ученых. Ведь слово «ядерный» звучит тревожно и угрожающе, а «солнечный» и «космический» — модно, позитивно и экологично. Исследования в этом направлении продолжаются, и вполне возможно, что в ближайшие десятилетия на орбите все-таки появится несколько маломощных электростанций. Но это будет скорее вопрос политического престижа, чем промышленной энергетики.

Сообщение Первый успех прототипа космической электростанции появились сначала на ECOMHUB - о E-Commerce, омниканальном ритейле, логистике, технологиях, соцсетях.