Подумайте о том, что вы знаете о чистых источниках энергии. Какой самый зеленый?
Гидроэлектростанция, геотермальная энергия, энергия ветра и солнечная энергия, вероятно, приходят на ум. Хотя они могут быть экологически чистыми, все они имеют значительные ограничения на то, сколько энергии они могут производить и где они могут быть использованы. Конечно, несмотря на некоторые действительно крутые достижения в области солнечных батарей, солнечные панели все еще могут генерировать энергию только тогда, когда светит солнце.
Решение, таким образом, очевидно. Идите туда, где солнце никогда не заходит: в космос.
Это видение ученых, исследователей и предпринимателей как в Соединенных Штатах, так и в Японии, Китае и Европе. Хотя эта концепция использовалась, по крайней мере, с 1970-х годов, ее неоднократно пересматривали и забрасывали, потому что собрать все детали и собрать все вместе было невероятно дорого. Только с появлением сверхмалых, серийно выпускаемых спутников и многоразовых ракет-носителей некоторые начинают гораздо сложнее смотреть на превращение космической солнечной энергии в реальность.
Существует множество идей о том, как создать космическую систему сбора солнечной энергии, но основная идея заключается в следующем: запустить и роботизировать сборку нескольких сотен или тысяч модулей одинакового размера на геосинхронной орбите. Одна часть состоит из зеркал для отражения и концентрации солнечного света на солнечных панелях, которые преобразуют энергию в электричество. Преобразователи превращают это электричество в микроволны низкой интенсивности, которые излучаются на большие круглые приемники на земле. Эти антенны преобразуют микроволны обратно в электричество, которое можно подавать в существующую сеть.
Джон Мэнкинс, который провел 25 лет в НАСА и Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института, получил финансирование от Института передовых концепций НАСА в 2011 году для уточнения своей концепции космической солнечной электростанции. Он настаивает на том, что технологии и инженерия, необходимые для превращения космической солнечной энергии в реальность, уже существуют, но, как и в случае любой новой дорогостоящей идеи, все сводится к доллару и догадкам.
«Это не похоже на термоядерный синтез - здесь нет никакой новой физики», - говорит Манкинс, ссылаясь на ITER, сотрудничество 35 стран по созданию термоядерного реактора во Франции. «Там нет секретного соуса. Это финансовое препятствие, чтобы получить финансирование для разработки элементов и демонстрации новой архитектуры, необходимой для этого ».
По оценкам Манкинса и других, общая стоимость разработки, строительства, запуска и сборки всех компонентов космической солнечной электростанции составляет порядка 4–5 млрд. Долл. США, что составляет долю от 28 млрд. Долл. США на китайской плотине «Три ущелья». По оценкам Мэнкинса, модель рабочего масштаба с полноразмерными компонентами может стоить 100 миллионов долларов. Для сравнения: недавно построенная атомная станция Уоттс-Бар в штате Теннесси затратила 43 года на строительство, от начала до конца заикания, и обошлась в 4, 7 миллиарда долларов.
Важно то, что потребители платят - цена за киловатт-час - должны быть в той же точке, что и традиционные источники энергии, произведенные с использованием угля, природного газа и атомной энергии, которые варьируются в цене от 3 до 12 центов за киловатт-час. Гидроэлектростанция может быть ошеломительно дешевой, менее чем за один цент на киловатт-час - но только если вам повезет жить в регионе с обильными реками с большим потоком, как в некоторых частях Канады и Висконсина. Геотермальная энергия также очень экономична, она стоит 3 цента за киловатт-час, но вам нужно спросить исландцев, как им нравятся их счета за электроэнергию. В прошлом году сторонники ветровых труб сообщили о том, что затраты на этот возобновляемый ресурс упали до 2, 5 центов за киловатт-час.
Гари Спирнак, генеральный директор калифорнийской энергетической компании Solaren, считает, что получение минимальных двузначных или даже однозначных центов за киловатт-час абсолютно необходимо для того, чтобы сделать космическую солнечную энергию конкурентоспособной.
Компания Spirnak одобрена в качестве поставщика солнечной энергии в Калифорнии, и в прошлом у нее были договоренности о поставках с Pacific Gas and Electric, но ее бизнес-модель полностью основана на выработке энергии из солнечной энергии, получаемой из космоса. Solaren находится в процессе переговоров о новых соглашениях с одной или несколькими коммунальными службами. У компании есть патенты здесь, в США, на ее дизайн, а также в Европе, России, Китае, Японии и Канаде, и она обеспечила первый раунд финансирования для демонстрации своих технологий на базе лаборатории в следующем году. Spirnak надеется убедить инвесторов поддержать пилотную установку мощностью 250 мегаватт к концу фазы разработки и тестирования, возможно, в течение пяти лет.
Для работы солнечной космической системы требуются две ключевые структуры. Во-первых, твердотельные усилители мощности, которые эффективно преобразуют электроэнергию из собранного солнечного света в радиочастотные волны, и наземные приемники, которые преобразуют радиочастотные волны обратно в электричество.
Пол Джаффе обладает рекордно запатентованным космическим солнечным «ступенчатым» конверсионным модулем военно-морской лаборатории перед испытательной вакуумной камерой. (Пол Джаффе) 
Космический солнечный прототип: этот модуль преобразования солнечного излучения в микроволновое для космического солнечного излучения был первым, который был испытан в космических условиях. Космическая робототехника будет использоваться для сборки тысяч, чтобы создать передатчик космического солнечного спутника. (Пол Джаффе) 
Опытные образцы космического модуля солнечной конверсии NRL были испытаны в этом тепловом вакууме и испытанной установке имитации солнечного освещения. (Пол Джаффе) Пол Джаффе, инженер военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия, работал над двумя прототипами модуля сбора, который он называет «сэндвичем», поскольку солнечный коллектор, преобразователь энергии и радиочастотный излучатель все врезались в стопу квадратная плитка толщиной два дюйма. Вес каждого отдельного модуля в конечном итоге определяет цену распределенного электричества на земле; По словам Джаффе, в пересчете на ватт на килограмм массы базовый дизайн плитки составляет около 6 ватт на килограмм.
Принимая во внимание эту выходную мощность, 20-летний срок службы солнечной электростанции, стоимость запуска 2500 долларов за килограмм и различные уровни стоимости самих компонентов, Jaffe рассчитывает, что если масса уменьшится и мощность увеличится до 500 Вт на килограмм, то приравнивается к стоимости 3 цента за киловатт-час.
«Выполнение даже очень простых вещей для снижения массы приводит нас к диапазону 100 Вт на килограмм, а 1000 Вт на килограмм - это не сумасшествие», - говорит он. «Вы получаете очень хорошую эффективность с современной солнечной технологией, которая уже имеется в продаже, и мы носим с собой эти очень эффективные и легкие радиочастотные преобразователи в наших карманах каждый день».
Радиочастотные преобразователи - это причина, по которой сотовые телефоны работают - телефоны - это в основном прославленные рации, сигналы которых поддерживаются сетью станций ретрансляции сигналов. Преобразователи в телефоне преобразуют радиоволны в данные, которые мы понимаем, - аудио - и наоборот. Эта технология является центральной для исследования космической солнечной энергии в Калифорнийском технологическом институте, в сотрудничестве с учеными и инженерами из Нортропа Груммана.
Спирнак говорит, что основным направлением работы Соларена в последние месяцы было именно это - снижение веса их модулей. Хотя многоразовые ракеты еще больше сбили бы общую стоимость производства, Спирнак не затаил дыхание в ближайшей перспективе; он рассчитывает использовать обычные большегрузные транспортные средства, чтобы доставить компоненты Solaren в космос.
«Мы потратили много времени безжалостно, снимая вес с системы», - говорит Спирнак. «Мы можем упаковать отдельные крупные элементы в отдельные пусковые установки с некоторыми интересными способностями оригами», хотя для доставки всей системы в космос все равно потребуется несколько сверхтяжелых пусковых установок.
Джаффе говорит, что самый распространенный вопрос, который он получает, говоря о космической солнечной энергии, не в том, может ли это или должно быть сделано, а в том, насколько опасен этот энергетический луч из космоса. Разве это не поджарит птиц и самолеты в небе, когда они проходят через луч?
«Если вы сидите на улице солнечным днем в течение 15 минут, вы не обожгетесь», - объясняет он. «Наши радиоприемники, телевизоры и мобильные телефоны не готовят нас, и все они на тех же частотах, что и предлагаемые. Уже существуют пределы безопасности [для микроволновых передач], установленные IEEE [Институтом инженеров по электротехнике и электронике], поэтому вы разрабатываете систему, обеспечивающую распределение электроэнергии по большой площади. Он случайно не превратится в луч смерти.
Чтобы получить наилучшие соотношения цены и веса, эффективность масштабирования и сопоставимую электрическую мощность средней атомной электростанции (от 1 до 2 гигаватт), любая солнечная батарея в космосе должна иметь диаметр около километра.
Коллекторные приемники на земле должны быть соответственно большими - для того, чтобы космическая солнечная электростанция генерировала около одного гигаватта энергии, солнечный коллектор длиной в один километр (0, 62 мили) излучал бы энергию на километр шириной 3, 5 (2 мили). ) приемник на земле. Для этого потребуется площадь около 900 акров. Сравните это с заводом по производству солнечных панелей Solar Star в Калифорнии, который в настоящее время является крупнейшим в США производителем солнечной энергии, занимающим 3200 акров.
Радиочастотная передача энергии имеет один существенный недостаток: «безопасные» длины волн, которые также не будут преломляться такими простыми вещами, как дождь, уже переполнены, засорены при регулярных радиопередачах, а также в военных, промышленных и спутниковых целях.
Критики космической солнечной энергетики, выдающиеся среди них Элон Маск из Tesla, говорят, что эффективность в экономическом масштабе просто не может быть достигнута из-за всего преобразования и преобразования энергии, которая требуется.
Но Джаффе надеется, что старая трещина в области синтеза не станет верной и для космической солнечной энергии: «За последние 60 лет прошло 10 лет», - смеется он.
Манкинс подчеркивает, что с учетом прогнозируемого роста населения Земли к концу столетия до 11, 3 млрд. Человек, причем почти все это представлено в развивающихся странах, космическая солнечная энергия заслуживает серьезных инвестиций как со стороны государственных организаций, так и частных партнеров. Он говорит, что изобилие чистой энергии необходимо для удовлетворения основных потребностей человека, а также для решения проблемы гарантированного разрушения окружающей среды, если вся эта энергия поступает из традиционных источников.
«Если комбинация источников энергии не изменится радикально, мы никак не доберемся до нейтрального уровня выбросов углерода», - говорит Манкинс. «Вы также не можете сказать 800 миллионам людей в Китае, что они должны оставаться в крайней нищете. Необходимо не просто компенсировать сегодняшнее использование углерода, но и рассчитывать на 70 лет и на то, как мы в три раза компенсируем сегодняшнее использование. Нам действительно нужны большие решения ».
