Как космос поможет земле энергоресурсами. Космическая энергетика

Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. Само собой напрашивается решение: разместить солнечные энергостанции в космосе, на около земной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции (СКЭС), сегодня точно сказать нельзя. А к проектированию СКЭС конструкторы приступили еще в конце 60-х гг. ХХ в.

Путь энергии от приемника электромагнитного излучение Солнца к розетке в квартире или блоку питания станка может быть различным. В самых первых проектах предлагался такой: солнечные батареи, вырабатывающие электричество – сверхвысокочастотный (СВЧ) передатчик на СКЭС – приемник на Земле – распределительные электрические подстанции. На практике это выглядело бы следующим образом: многокилометровые плоскости солнечных батарей на прочном каркасе; решетчатые антенны передатчиков; похожие на них (и тоже многокилометровые) приемники энергии на поверхности Земли. Вариант, как быстро выяснилось, далеко не идеальный.

Инженеры попытались вообще отказаться от использования солнечных батарей. Например, предлагалось с помощью различных преобразователей (скажем, зеркал) на станции превращать солнечный свет в тепло, кипятить рабочую жидкость и ее паром вращать турбины с электрогенераторами. Но и в таком варианте процесс получения энергии остается очень долгим: солнечный свет через тепло и механическое движение превращается в электричество, потом снова в электромагнитные волны для передачи на Землю, а затем опять в электричество. Каждый этап ведет к потерям энергии; приемные антенны на Земле должны занимать огромные площади. Но хуже всего то, что СВЧ-луч негативно влияет на ионосферу Земли, пагубно сказывается на десятках живых организмах. Поэтому пространство над антеннами необходимо закрыть для полетов авиации. А как уберечь от гибели птиц?

Те же проблемы возникают и при передаче энергии по лазерному лучу, который к тому же сложнее преобразовать снова в электрический ток. Полученную в космосе энергии более целесообразно использовать в космосе же, не отправляя ее на Землю. На производство тратится около 90 % вырабатываемой на планете энергии. Основные ее потребители – металлургия, машиностроение, химическая промышленность. Они же, кстати, и главные загрязнители окружающей среды. Обойтись без таких производств человечество пока что не в состоянии. Но ведь можно убрать их с Земли. Почему бы ни использовать сырье, добываемое на Луне или астероидах, создав на спутниках и астероидах соответствующие базы? Задача, безусловно, сложнейшая, и сооружение солнечных космических электростанций – только первый шаг к ее решению. С производством же электроэнергии для бытовых нужд справятся ветряки, бесплотинные ГЭС и другие экологически чистые энергоустановки.

Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение и причем не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на отдаленную от Земли орбиту. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную – орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно сделать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к «месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.

Двадцать лет спустя

Технические преимущества

Россия обладает еще одним технологическим преимуществом

Ждем ваших комментариев.

Еще в начале 90-х годов в России разрабатывалась концепция освоения солнечного космического пространства. Она предусматривала, что в 2020-2030 гг. на околоземной орбите будет построено 10-30 солнечных станций, с суммарной мощностью на приеме до 2,5 ГВт. К 2050-2100 гг. количество станций планировалось довести до 800, с суммарной мощностью, как у тысячи ДнепроГЭСов (960 ГВт). Но глобальный экономический кризис разрушил все эти планы.

Двадцать лет спустя

За двадцать лет состояние в солнечной энергетике кардинально изменилась. Солнечные батареи значительно подешевели, при этом возросли их эффективность и КПД. На фоне этого вновь появился интерес к космическим солнечным станциям. По словам экспертов, именно сейчас формируется рынок космического электричества. На то есть несколько причин:

экологическая чистота (никаких вредных выбросов),

низкая стоимость электроэнергии (правда, при огромных первоначальных затратах),

независимость от иссякаемых природных ресурсов.

И Россия имеет уникальный шанс стать лидером в этой области.

Технические преимущества

В 1993 году всю Европу удивил огромный (величиной с Луну) «солнечный зайчик», который быстро двигался через весь континент. Это была блестящая реализация уникального проекта «Знамя». В космос доставили капсулу, в которой было упаковано «полотно» солнечного отражателя. На орбите отражатель развернулся во всю свою гигантскую ширину, при этом площадка в 300 м2 была толщиной в 2 мм и весила всего 4 кг.

Больше никому в мире не удалось это повторить. Сегодня только Россия владеет этой технологией и патентом на нее.

Другие «космические» разработчики, японцы и американцы, предпочитают работать «по-земному» — собирать жесткие конструкции в сотни и тысячи квадратных метров.

Россия обладает еще одним технологическим преимуществом

Энергию из космоса можно передавать двумя способами: радиоволнами сверхвысокочастотного излучения (СВЧ) и лазером. Диаметр СВЧ луча у поверхности земли 20 км, а лазера — 40 м. Получается, что использование лазера намного более эффективно.

Сегодня именно наша страна является мировым лидером по производству лазеров, выпуская 70% от общего объема.

Обладание передовой лазерной техникой и уникальной технологией развертывания бескаркасных солнечных батарей, дает России возможность не только стать первыми в освоении солнечной космической энергии и в передаче на землю, но сделать это с наименьшими материальными затратами.

Спасибо, что дочитали до конца.

Ждем ваших комментариев.

История идеи: Изначально идея появилась в 1970-х годах. Появление такого проекта было связано с энергетическим кризисом. В связи с этим правительство США выделило 20 миллионов долларов космическому агентству NASA и компании Boeing для расчёта целесообразности проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite). После всех расчётов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы 5000 мегаватт энергии, после передачи на землю оставалось бы 2000 мегаватт. Чтобы понять много это или нет, стоит сравнить эту мощность с Красноярской ГЭС, мощность которой составляет 6000 мегаватт. Но примерная стоимость такого проекта 1 триллион долларов, что и послужило причиной закрытия программы.

Строение устройства: Космический спутник по сбору солнечной энергии по существу состоит из трех частей: средства сбора солнечной энергии в космическом пространстве, например, через солнечные батареи или тепловой двигатель Стирлинга. средства передачи энергии на землю, например, через СВЧ или лазер. средства получения энергии на земле, например, через антенны. Космический аппарат будет находиться на ГСО и ему не нужно поддерживать себя против силы тяжести. Он также не нуждается в защите от наземного ветра или погоды, но будет иметь дело с космическими опасностями, такими как микрометеориты и солнечные бури.

Преимущества и недостатки солнечной энергии на Земле против Космической: Космическая солнечная энергия - энергия, которую получают за пределами атмосферы Земли. При отсутствии загазованности атмосферы или облаков, на Землю падает примерно 35% энергии от той которая попала в атмосферу. Кроме того, правильно выбрав траекторию орбиты, можно получать энергию около 96 % времени. Таким образом фотоэлектрические панели на геостационарной орбите Земли (на высоте км) будет получать в среднем в восемь раз больше света, чем панели на поверхности Земли и даже больше когда космический аппарат будет ближе к Солнцу чем Земля. Дополнительным преимуществом является тот факт, что в космосе нет проблемы с весом или коррозии металлов из-за отсутствия атмосферы. С другой стороны, главный недостаток Космической энергетики и по сей день является ее высокая стоимость. Другим недостатком является тот факт, что при передаче энергии на поверхность Земли будет потеря по крайней мере 40-50%.

Основные технологические проблемы: По данным американских исследований 2008 года, есть четыре основных технологических проблем, которые наука должна преодолеть, чтобы быть космическая энергия стала легкодоступной: Фотоэлектрические и электронные компоненты должны работать с высокой эффективностью при высокой температуре. Беспроводная передача энергии должна быть точной и безопасной. Космические электростанции должны быть не дорогими в производстве. Низкая стоимость космических ракет-носителей. Поддержание постоянного положения станции над приёмником энергии: ведь энергия столкновения с частицами Солнца будет отталкивать станцию от нужного положения, а энергия, передаваемая на Землю, будет толкать станцию от Земли

Представление о существовании универсальной космической энергии, которую человек может использовать и с помощью которой реализуются сверхчувственные феномены, имеет глубокие корни в культурах всех народов. Самое известное представление, которое мы находим в индийской философии, это существование праны, которая понимается как космическая энергия, которая существует в пяти различных формах и поддерживает жизненные процессы как "ветер тела".

В священных текстах индусов и буддистов описывается такая же космическая праэнергия, обозначенная мистическим слогом "Ом" или "Аум" , оба слога должны вызывать в мозгу колебания, которые приводят различные чакры (нервные центры человека) в состояние, позволяющее принимать космическую (жизненную) энергию.

Библия описывает невидимую жизненную силу, которая поддерживает общее божественное начало, как "Святой дух"; "Или вы не знаете, что ваше тело является храмом святого духа, который в вас есть, который вы приняли от Бога и который вам самим не принадлежит?" (1. Кор.6.19). В японском учении акупунктуры мы находим "Ки", в китайском "Чи", обозначение жизненной энергии как реки, исток которой находится в точке выше пупка, и которая рассредотачивается по всему телу из легких через сети так называемых "меридианов" (нервные каналы). Вся материя рассматривается как проявление этой энергии на материальном уровне.

Райх, который завоевал всемирную славу как психоаналитик из Вены, в конце тридцатых годов говорил, что космическая энергия существует, она может впитываться человеческим организмом, накапливаться и выделяться им. Процесс приема, накапливания и выделения этой энергии, которую он называл Оргон-энергия, он выразил в формуле: напряжение - зарядка - разгрузка - расслабление.

Какую роль имеет эта биологическая пульсация в общем энергетическом хозяйстве живого организма, следующим образом описал один из ближайших сотрудников Райха, Ола Ракнес: "Пульсация регулирует энергетическое хозяйство организма так же, как удары сердца обеспечивают подачу крови в различные органы. Метаболизм энергии (- состояние изменения энергии) управляется автономной или вегетативной системой, которая влияет на пищеварение, обращение крови, дыхание, сексуальность и эмоции.

Одна из этих функций - дыхание - контролируется до определенной степени волей и централизованно - через центральную нервную систему. Поэтому через дыхательную систему мы можем проникнуть в свободную биологическую пульсацию организма. Важной предпосылкой здоровья является свободный метаболизм организма. Его можно узнать по беспрепятственной биологической пульсации, которая является критерием здоровья". (И мы в процессе нашего обучения сможем с помощью дыхательных упражнений управлять по желанию нашим энергетическим метаболизмом - и благодаря этому, например, сможем самостоятельно лечить психосоматические нарушения и заболевания!).

Вначале Райх смог энергию Оргон локализовать только как излучение, которое исходит от живого организма: только позже он обнаружил, что Оргон - как и "светоносный эфир", который ученые открыли раньше,- проявляется повсеместно. Поэтому постоянно происходит свободный обмен энергии. Ракнес называл для этого три предпосылки:

1. Организм вбирает в себя необходимую энергию из питательных веществ, через дыхание и прямой приток Органа.
2. Энергия может свободно циркулировать в теле и находится всегда там, где в ней возникает потребность.
3. Организм должен быть в состоянии удалять избыточную энергию через адекватные движения.

Когда Вильгельм Райх за несколько дней до начала второй мировой войны получил место как экстраординарный профессор в Нью-Йорке в "Нью скул фор сошиал рисеч", он тут же поменял место жительства на США, где он создал собственный исследовательский центр в Мэне: "Оргонон"

С самого начала его работы в лаборатории приняли бурный характер, так как Райх был полон новых идей и динамика его работы всегда заражала его сотрудников. В эти годы он работал в таких различных областях, как психология, психоанализ, социология, физика, биология и метеорология, но всегда с одной целью: практическое применение энергии Оргон.
В многочисленных экспериментах, проведенных за многие годы вплоть до его смерти, в которых ему ассистировал маленький штаб сотрудников, он смог доказать, что Оргон является космической энергией, которая встречается всюду в космосе. Она существенным образом влияет на общую биологическую жизнь. Райх:

"Без сомнения, в организме имеется электричество в виде электрически заряженных коллоидных частиц и ионов. Вся коллоидная химия использует это. как и мускульная нейрофизиология... Но все же имеется ряд проявлений, которые мы никоим образом не можем объяснить в свете теории электромагнитной энергии. Это в первую очередь воздействие "магнетизма" тела. Многие врачи используют практически эти магнетические силы... Никто никогда не видел органическое движение при электрическом воздействии, которое имело бы хоть малейшее сходство с нашими ежедневными живыми движениями всей мускульной системы или функциональной группы мускулов... Наши органы восприятия ясно нам говорят, что эмоции (без сомнения, это выражение нашей биологической энергии) в принципиальном плане отличаются от чувств, которые можно пережить при электрическом ударе. Наши органы чувств полностью не справляются с воздействием электромагнитных волн, которые наполняют атмосферу...

Если бы наша жизненная энергия существовала в виде электричества, это было бы непонятно, так как органы восприятия являлись бы выражением этой энергии, почему нам доступно видеть только свет из всей области волн, а остальное недоступно. Мы не ощущаем ни электроны рентгеновского аппарата, ни излучение радия... До сих пор не удалось выразить в электрическом измерении витамины, которые несомненно содержат биологическую энергию... Это все огромные противоречия, которые нельзя разрешить в рамках известных форм энергии..."

В ходе своих исследований Райх создал плодотворные предпосылки к познанию взаимосвязи Оргона с другими формами энергии, как со светом и электричеством. При этом он исходил из того, что все формы энергии и вся материя произошли из Оргона.

Райх: "Энергия Оргон не имеет массы. Она первоначальна и существовала уже перед материей и другими формами энергии... Когда отдельные токи Оргона уплотняются и сплавляются друг с другом, они могут произвести: материю там, где до того она не существовала... Имеющаяся материя может от воздействия энергии Оргона спонтанно организоваться в живые формы там, где до этого не было никакой жизни... В естественной концентрации Оргон в состоянии организовать системы... Этими системами могут быть планеты, солнца и даже целые галактики..."

Физика элементарных частиц (элементарные частицы - это простейшие из известных до сих пор ядерных физических объектов, из которых состоят атомы) нашего времени знает действительно одну форму энергии, которая отвечает многим характеристикам, данным для жизненной энергии Райхом, - энергия нейтрино!

На днях в Колорадо прошла конференция «Новое поколение суборбитальных исследователей» , на которой обсуждались, в частности, проекты строительства космических солнечных станций. И если раньше подобные идеи никто всерьез не воспринимал, то сейчас они действительно близки к реализации.

Так, Конгресс США готовит план постепенного перехода Америки от ископаемого топлива на космическую энергетику. За внедрение проекта будет отвечать специально созданный департамент космоса, активную роль в его работе будут играть NASA, министерство энергетики и другие организации.

До октября нынешнего года министерство юстиции должно представить Конгрессу все необходимые изменения и дополнения к действующему федеральному законодательству, чтобы начать строительство космических солнечных электростанций. В рамках программы на начальном этапе планируется разработать системы ядерных космических двигателей, чтобы применять корабли многоразового использования для космической логистики и строительства гелиоустановок на орбите.

В активной разработке также технологии, позволяющие преобразовать солнечный свет в электричество и телепортировать его на Землю.

В частности, специалисты Калифорнийского технологического института предлагают освещать планету с помощью орбитальных «ковров-самолетов». Это системы из 2 500 панелей толщиной 25 мм и длиной в 2/3 футбольного поля. Элементы такой станции будут доставлять на орбиту ракеты вроде Space Launch System — американской сверхтяжелой ракеты-носителя, разрабатываемой NASA. Космическая электростанция создается в рамках SSPI (Space Solar Power Initiative) — партнерского проекта Калифорнийского технологического университета и компании Northrup Grumman. Последняя инвестировала $17,5 млн, чтобы в течение предстоящих трех лет разработать основные компоненты системы. Инициативу также поддержали исследователи в лаборатории Jet Propulsion в NASA.

По словам профессора Калифорнийского технологического университета Гарри Этуотера , возглавившего Space Solar Power Initiative, «ковры-самолеты» преобразуют солнечную энергию в радиоволны и отправляют их на землю. Энергия будет передаваться по принципу фазированной решетки, которая используется в радарных системах. Это позволит создавать поток, движущийся в любом направлении.

Солнечные панели состоят из плиток, размером 10х10 см и весом около 0,8 г, что обеспечит сравнительно невысокую стоимость запуска конструкции. Каждая плитка станет передавать преобразованную энергию автономно и если одна из них выйдет из строя, остальные будут продолжать работать. Потеря нескольких элементов из-за солнечных вспышек или мелких метеоритов не нанесет вреда электростанции. По расчетам ученых, при массовом производстве стоимость электричества от такого источника будет меньше, чем при использовании угля или природного газа.

Процент наземных солнечных установок в общем балансе энергообеспечения многих стран мира становится все выше. Но возможности таких электростанций ограничены: по ночам и при сильной облачности солнечные батареи утрачивают способность вырабатывать электричество. Поэтому идеальный вариант — разместить гелиоэлектростанции на орбите, где день не сменяется ночью, а облака не создают преград между Солнцем и панелями. Главным преимуществом постройки электростанции в космосе является ее потенциальная эффективность. Солнечные батареи, расположенные в космосе, могут генерировать энергии в десять раз больше батарей, размещенных на поверхности Земли.

Идея орбитальных электростанций разрабатывалась давно, ученые из NASA и Пентагона занимаются подобными исследованиями еще с 60-х годов. Ранее воплощение подобных проектов тормозила высокая стоимость транспортировки, но с развитием технологий космические электростанции могут в обозримом будущем стать реальностью.

Уже есть несколько интересных проектов по строительству солнечных установок на орбите. Кроме Space Solar Power Initiative, американцы разрабатывают орбитальную солнечную панель, которая будет поглощать солнечное излучение и передавать электронные пучки с помощью радиоволн на земной ресивер. Авторами разработки стали специалисты из научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Они построили компактный солнечный модуль, на одной стороне которого оборудована фотовольтаическая панель. Внутри панели установлена электроника, преобразующая прямой ток в радиочастоту для передачи сигнала, другая сторона поддерживает антенну для передачи электронных пучков на Землю.

По словам ведущего автора разработки Поля Джаффе, чем ниже частота электронного пучка, несущего энергию, тем более надежной будет ее передача в плохую погоду. А при частоте 2.45 ГГц, можно получать энергию даже в сезон дождей. Солнечный ресивер обеспечит энергией все военные операции, о дизельных генераторах можно будет навсегда забыть.

США не единственная страна, которая планирует получать электроэнергию из космоса. Жесткая борьба за традиционные энергетические ресурсы заставила многие государства искать альтернативные источники энергии.

Японское агентство по освоению космоса JAXA разработало для установки на орбите Земли фотоэлектрическую платформу. Собранная с помощью установки солнечная энергия станет поступать на приемные станции Земли и преобразовываясь в электричество. Сбор солнечной энергии будет вестись на высоте 36 тыс. км.

Такая система, состоящая из серии наземных и орбитальных станций, должна начать работать уже в 2030 г., ее общая мощность составит 1 ГВт, что сопоставимо со стандартной атомной электростанцией. Для этого в Японии планируется построить искусственный остров длиной 3 км, на котором развернут сеть из 5 млрд антенн для преобразования в электричество радиоволн сверхвысоких частот. Возглавивший разработку научный сотрудник JAXA Сусуми Сасаки уверен, что размещение солнечных аккумуляторов в космосе приведет к революции в энергетике, позволив со временем полностью отказаться от традиционных источников энергии.

Аналогичные планы есть и у Китая, который построит на орбите Земли солнечную электростанцию размером больше, чем Международная космическая станция. Общая площадь солнечных панелей установки составит 5-6 тыс. кв. км. Согласно расчетам экспертов такая станция станет собирать солнечные лучи 99% времени, причем космические гелиопанели смогут генерировать в 10 раз больше электричества на единицу площади, чем наземные аналоги. Предполагается, что для передачи на наземный коллектор вырабатываемая электроэнергия будет преобразовываться в микроволны или лазерный луч. Начало строительства запланировано на 2030 г., стоимость проекта составит около $1 трлн.

Мировые инженеры оценивают возможности строительства солнечных космических электростанций не только на орбите, но и в областях, более близких к Солнцу, возле Меркурия. В этом случае солнечных батарей потребуется почти в 100 раз меньше. При этом приемные устройства можно вынести с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществить эффективную передачу энергии в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.

Разрабатываются также проекты лунных солнечных электростанций.

К примеру, японская компания Shimizu предложила создать пояс из солнечных батарей, протянутый по всему экватору Луны на 11 тыс. км и шириной 400 км.

Его разместят на обратной стороне спутника Земли, чтобы система постоянно находилась под солнечными лучами. Связать панели можно будет при помощи обычных силовых кабелей или оптических систем. Генерируемое электричество планируется передавать при помощи больших антенн, а получать при помощи специальных ресиверов на Земле.

В теории проект выглядит прекрасно, остается придумать, как доставить сотни тысяч панелей на спутник Земли и там их установить, а так же как доставлять энергию с Луны на нашу планету, не потеряв по пути значительную ее часть: ведь придется преодолеть 364 тыс. км. Так что идеи создания лунных электростанций слишком далеки от реальности и если они и реализуются, то очень нескоро.

Татьяна Громова