Итак, мы выяснили, что в принципе идея добывать энергию с помощью солнечных панелей, размещаемых в космосе, работает. То есть с помощью батарей можно добыть значительно больше энергии, чем тратится на само их производство. На Земле такого добиться невозможно, потому что а) генерация получается прерывистая, наступает ночь, облака, и пр. б) эффективность из-за этого даже в сумме намного меньше. В космосе можно запустить эти панели на орбиту, не затеняемую Землей, и они будут постоянно эффективно работать.
Но встает вопрос: а как передать эту энергию на Землю? Есть хороший способ, кратко его обсудим. Можно сделать радиоантенну, которая имеет очень острую диаграмму направленности. Направить радиолуч на Землю, а там поставить преобразователи электромагнитного излучения в постоянный ток, дальше в переменный и в сеть.
Если подвесить такую электростанцию на геостационарной орбите, то приемную антенну можно расположить под ней (не обязательно очень точно, луч от передающей антенны можно направить в любую точку), и получать энергию круглые сутки, вне зависимости от времени суток. Чтобы избежать затенения Землей, можно немного сместить орбиту электростанции от плоскости земной орбиты.
Идея не нова, вот одна только из публикаций на тему. https://elektroportal.ru/news/science/47512
Попробуем численно прикинуть, можно ли заменить такими станциями вообще всю энергетику, если все остальные источники энергии иссякнут в том смысле, что станут очень дороги. Предположим, мы хотим сделать станцию в 10 гигаватт. Например, один блок АЭС обычно порядка 1 ГВт. Таких блоков от 2 до 6 бывает. То есть 10 ГВт - это очень мощная электростанция.
Сначала энергию нужно получить. По прикидкам более-менее реально получить с 1 м2 солнечной панели 400 Вт. Делим 10 000 000 000 000 Вт на 400, получаем 250 млн м2, или квадрат 16х16 км2. В принципе это реально. Места в космосе много) вопрос, как такую конструкцию сделать, но пока в принципе об осуществимости такой затеи. Это можно сделать.
То есть вот этот квадрат на схеме, обозначенный "солнечные панели", будет иметь сторону 16 км.
Допустим, мы хотим иметь размер приемной антенны на Земле (сторону квадрата) 1 км. Это значит, что угол "тета" , или ширина диаграммы направленности, должен быть (в радианах) 1/40000 (40000 км - примерная высота геостационарной орбиты). Мощность при этом на 1 м2 будет 10 кВт. Вполне реалистично.
Для радиоантенны такой угол диаграммы вполне достижим. Приблизительно ширина диаграммы направленности, опять же в радианах, равна отношению длины волны к диаметру антенны. Возьмем рабочую частоту 5000 МГц. Это вполне реальная частота, на ней работают спутниковые системы. Длина волны будет в этом случае лямбда = с/ф , где с - скорость света, ф - частота, 0,06 м. 6 см. Итого, если для пущей точности учесть коэффициент 1,2 для параболической антенны, диаметр передающей антенны будет 2880 м. 2,9 км. Тоже вполне реально. Ну на самом деле там будет больше, но порядок понятен.
Теперь сколько таких станций нужно для человечества. По данным интернетов суммарная потребляемая энергия в 2019 году была 22490 млрд. квт-час. Это соответствует мощности 2,5 х10 12 (десять в двенадцатой) Вт. Итого таких станций надо будет (2,5х10 12)/(10 10) = 250 станций. Тоже вполне представимая цифра.
Теперь в чем же подвох. Не может же быть так, что всё хорошо) да, подвох есть. Дело в том, что любая антенна имеет так называемые боковые лепестки диаграммы направленности. Умные люди говорят, что диаграмма направленности - это преобразование Фурье от напряженности поля по раскрыву антенны. Если, допустим, напряженность везде одинаковая и резко спадает на краю антенны, то получается тогда функция sin x / x.
Но мы не обязаны делать так, чтобы напряженность поля резко обрывалась на краю. Мы сделаем умнее и составим антенну из отдельных элементов, тем более что такую антенну проще сделать, из отдельных маленьких антеннок. Если мы будем управлять каждой из этих антеннок, это называется фазированная антенная решетка, то мы можем сформировать в принципе любую диаграмму направленности. В том числе подавить боковые лепестки так, чтобы они не покрывали Землю.
Во сколько надо их подавить? У нас в центре основного лепестка 10 кВт/м2, а сколько считается безопасным? По нашим нормам 0,1 Вт/м2. По американским 1 Вт/м2. Если по нашим, то это в (10 кВт/0,1 Вт) = 10 5 (десять в пятой) раз. Или 50 дБ. Может быть, проще сделать так, чтобы просто лепестки не покрывали своими максимумами Землю. Но я думаю, можно сделать, хотя это приведет к увеличению площади антенны.
Ещё предлагают использовать для передачи на Землю лазер. Не знаю, если для радиосистем всё в принципе понятно, хотя и есть технические сложности, то лазер такой мощности даже в теории пока не существует. Может, вы спросите, а почему не использовать просто зеркала? Направить их на Землю, и поставить уже солнечные панели на Земле, которые будут работать круглосуточно и эффективно, под мощным потоком концентрированного солнечного излучения. Очень просто - пятно света от таких зеркал будет гигантским. Ведь зеркало будет отражать некогерентный поток, то есть несинхронизированные между собой фотоны разной частоты и фазы. В результате пучок света будет расходиться, почему и предлагается лазер. У него когерентный поток излучения, но и он расходится. Но для него будет главной проблемой мощность.
Какие еще есть варианты? Есть еще более понятный, но и требующий более продвинутого освоения космоса вариант. Можно добывать уран на астероидах и переправлять его на Землю. Откуда на астероидах уран? Ну вот если астероиды - это обломки планеты, то ее недра вместе со всеми месторождениями будут просто на поверхности астероидов. То есть дело за тем, чтобы найти такие месторождения, добыть уран, обогатить его (это завод) и отправить в таком виде на Землю. Если потребление урана у нас по миру примерно 70000 тонн в год, а U-235 там 0,72%, то чистого урана потребляется примерно 500 тонн. Такое количество вполне можно спустить на Землю. Но это надо уже иметь в космосе развитую промышленность.
Итак, в принципе мы можем перевести всю земную энергетику на источники из космоса, так или иначе. Но нужны целые фабрики на орбите и вообще в космосе. Как добиться такого положения дел? Ясно, что надо как-то приступать к делу постепенно, и чтобы эта деятельность с самого начала приносила какую-то выгоду, то есть окупалась. Иначе никаких ресурсов не хватит. Или решить вопрос по-другому. Это мы разберем в дальнейших постах.