Солнечная энергия всегда была важной частью чистой энергии человечества. Мы установили на солнечном поле множество панелей, собирающих солнечный свет, и многие люди используют прямоугольные украшения на крышах для электроснабжения своих домов.
Но у этого замечательного блока питания есть один нюанс. Солнечные панели не могут собирать энергию ночью. Чтобы работать с максимальной эффективностью, им нужно как можно больше солнечного света. Поэтому, чтобы максимизировать эффективность этих ловцов солнца, исследователи разрабатывают план отправки их в место, где солнце никогда не заходит: в открытый космос.
Теоретически, если на орбиту отправить кучу солнечных панелей, они смогут поглощать солнечный свет и хранить большое количество электроэнергии даже в самые туманные дни и самые темные ночи. Если эта энергия будет передаваться на Землю по беспроводной сети, наша планета сможет дышать возобновляемой чистой энергией 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.
В контексте ухудшающегося климатического кризиса успех космической солнечной энергии может стать более важным, чем когда-либо. Поскольку мировые лидеры собрались в Глазго, Шотландия, для участия в саммите COP26, климатические условия сейчас находятся в центре внимания. Саммит назвали «лучшим последним шансом в мире» взять кризис под контроль.
CNET Science освещает некоторые будущие стратегии, направленные на то, чтобы помочь странам сократить выбросы углекислого газа человеком. Технологии следующего поколения, такие как космическая солнечная энергия, не могут решить наши климатические проблемы — нам все еще необходимо быстро декарбонизировать нашу энергетическую систему — но зеленые инновации могут помочь достичь цели Парижского соглашения: ограничить глобальное потепление до гораздо более низкого уровня От 2 до конца текущего столетия, градусы Цельсия (3,6 градуса по Фаренгейту).
На протяжении десятилетий космическая солнечная энергия занимала умы любителей научной фантастики и ученых.
В начале 1900-х годов русский учёный и математик Константин Циолковский (Konstantin Tsiolkova) неуклонно представлял серию футуристических проектов, которые предполагали, что человеческие технологии будут выведены за пределы Земли. Как вы уже догадались, он отвечает за вызов таких вещей, как космические лифты, управляемые ракеты и космическая солнечная энергия.
С тех пор как в 1950-х годах лаборатория Белла изобрела первую бетонную «солнечную панель», ученые со всего мира усердно работали над тем, чтобы научно-фантастическая фантазия Циолковского стала реальностью. В их число входят японские исследователи, военные США и команда, возглавляющая проект космической солнечной энергии в Калифорнийском технологическом институте.
Старший научный сотрудник проекта Майкл Кельценберг заявил, что космическая солнечная энергия «широко изучалась в конце 1960-х и 1970-х годах, что немного напоминает период расцвета программы Аполлон».
К сожалению, из-за веса и объема материала технологии той эпохи не были достаточно развиты, чтобы добиться этого экономично и эффективно. Не тратя денег, очень сложно отправить классические солнечные панели в космос с помощью ракет.
«Уникальной и определяющей характеристикой метода Калифорнийского технологического института является его направленность на уменьшение массы компонента в 10–100 раз», — сказал Гарри Этуотер, ведущий исследователь проекта. «Это необходимо для снижения затрат на производство и запуск, чтобы сделать космическую солнечную энергию экономичной».
Команда Калифорнийского технологического института не стала выводить в космос традиционные солнечные панели, а вместо этого выступила за новый тип солнечных панелей, которые были бы легче, компактнее и складнее. Они предложили отправить на трассу большое количество вентилируемых миниатюрных солнечных панелей, похожих на плитку.
Каждая отдельная плитка имеет все необходимое, например, фотоэлектрическую электростанцию для сбора солнечной энергии. Когда эти маленькие кубики соединены в космосе, они, по сути, представляют собой огромную шахту возобновляемой энергии, плавающую вокруг Земли.
Хотя команда работала над рядом композитных материалов для создания идеальной сверхлегкой конструкции, некоторые из них на самом деле менее эффективны, чем солнечные панели Земли. Но Кельценберг отметил, что в космосе «эффективность» приобрела новое значение.
«Повышение эффективности действительно происходит за счет того, что, разместив их в космосе, они могут получать много яркого солнечного света, поскольку солнечному свету не нужно проходить через атмосферу», — сказал он. «Они также проводят большую часть времени на солнце 24 часа в сутки».
Когда солнечный свет светит на эти панели, они поглощают энергию постоянного или постоянного тока. В механизме команды эта энергия преобразуется в радиочастоты. Следующий шаг – принести эту силу на землю.
По мнению команды, это произойдет посредством микроволнового излучения. На нашу планету будет излучаться радиочастотная энергия, напоминающая солнечные поля в пустыне. Однако на этих территориях вместо обычных солнечных батарей будут установлены приемники с антеннами для сбора собранной энергии.
По сути, это беспроводная передача энергии, что является знаменитым намеком Николы Теслы в конце 19 века.
Кельценберг сказал, что использование этого излучения позволяет системе работать в дождь и туман, ночью и во время слабых штормов, с риском прерывания работы только в самую плохую погоду. Однако в отношении диаграмм направленности беспроводного излучения часто возникает вопрос: окажут ли они негативное влияние на растительность или характеристики земли.
«Плотность мощности, получаемая на Земле, эквивалентна плотности мощности в солнечные дни», — пояснил он. «В этом отношении космическая солнечная система может быть спроектирована так, чтобы быть экономически эффективной и безопасной».
Кельценберг сказал, что в качестве дополнительной меры предосторожности можно принять знакомые меры, например, заблокировать приемную зону. Вышки сотовой связи, использующие аналогичные формы волновой связи, имеют тот же эффект.
По словам Этуотера, после того, как приемники на Земле получат энергию в виде радиочастоты, они будут работать с наземной станцией, чтобы преобразовать ее обратно в энергию постоянного тока, а затем преобразовать ее в переменный ток или переменный ток и подать в энергосистему. .
Это сложный процесс, но последний пункт — питание переменного тока — это обычное старое электричество, которое заряжает ваш iPhone через домашнюю розетку и обеспечивает жизнь вашему ноутбуку. Смотреть.
«Наш первый космический полет, демонстрирующий технологию солнечных модулей в космосе, теперь планируется провести на коммерческом космическом корабле к концу 2022 года», — сказал Этуотер.
Хотя команда не будет запускать настоящую сделку, они проведут эксперимент, чтобы доказать осуществимость этих технологий в меньшем масштабе. Это будет временная и более простая форма изобретения. Они даже отправят несколько солнечных элементов, которые никогда раньше не видели вакуума в космосе.
Он не только может помочь обеспечить электроэнергией отдаленные районы и сбалансировать энергосистему для предотвращения перебоев в подаче электроэнергии, но также может поставлять энергию для горнодобывающих работ на других планетах.
«Космическая солнечная энергия может быть развернута в отдаленных районах Земли, где нет существующей энергосистемы; она также может генерировать базовую электроэнергию на Луне или Марсе с помощью аналогичной орбитальной схемы производства электроэнергии и запускать ее на поверхность», — пояснил Этуотер. .
Самое главное, что люди могут использовать солнечную энергию 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, чтобы генерировать достаточно энергии для удовлетворения растущих потребностей нашей планеты, и даже могут заменить ядерную или угольную энергию. «В отличие от солнечных батарей на Земле, она представляет собой постоянно доступный источник энергии с базовой нагрузкой», — сказал Этуотер.
Кельценберг добавил: «Вот почему мы думаем, что это может сыграть важную роль в создании полностью углеродно-нейтральной сети в будущем».
Конечно, впереди еще долгий путь. Даже если эксперимент команды в 2022 году окажется успешным, ей все равно придется учитывать производственные затраты и юридические вопросы, занимающие орбитальное пространство (могут существовать правительственные ограничения). Вопросы, связанные с практичностью замены известных электросетей космическими солнечными электростанциями, также будут продолжать существовать.
«Я думаю, мы, безусловно, можем согласиться с тем, что стоимость приобретения дешевой солнечной панели и ее размещения на земле будет намного ниже, чем стоимость запуска ее в космос», — сказал Кельценберг. «Но настоящим преимуществом космической солнечной энергии является способность обеспечивать солнечную энергию днем и ночью».
