Вместо того чтобы мучиться с переходом на новые источники энергии, ненадежные и не слишком мощные, почему бы не построить солнечную электростанцию прямо в космосе – и получать на Земле уже готовое чистое электричество?
Летом 2023 года, пролетая над кампусом Калифорнийского технологического института, спутник Vigoride-5 направил тонкий луч к приемнику на крыше одного из корпусов.
Точнее, с экспериментального прототипа, установленного на борту спутника: 50-килограммовый блок SSPD-1 испытывал ключевые технологии, необходимые для добычи энергии на орбите и последующей отправки ее на Землю. Закрепленные в негерметичном корпусе, подверженном экстремальным условиям космического полета, здесь прошли проверку фотоэлементы 32 разных типов. Рядом работал массив трансмиттеров MAPLE, испускавших микроволны сложным «аккордом». Их сигналы интерферировали, взаимно уничтожаясь в одних участках и усиливаясь в других, и в итоге складывались в узкий пучок. Контролируя момент включения каждого трансмиттера, можно было менять направление его излучения, причем без использования подвижных деталей конструкции. Именно так луч удалось нацелить точно на нужную крышу в Калифорнии, чтобы передать туда крошечную долю энергии.
От фантастики до инженерии
Как и многие другие технологические концепции, идея космической энергетики началась с фантастики: на такой космоэлектростанции – между прочим, на пару с искусственным интеллектом – работают герои рассказа Айзека Азимова «Логика», написанного еще в 1941 году. Реальные эксперименты в этом направлении начались только в конце 1960-х, а в 1973-м инженер из NASA Питер Глейзер запатентовал способ передачи энергии с орбиты с помощью микроволн. Через несколько лет, когда мир охватил энергетический кризис, ученого привлекли к более серьезной проработке идеи. К сожалению, сложность и стоимость такого проекта в тот момент оказались неподъемными даже на фоне резко подорожавшей нефти, и космическая электростанция перестала выглядеть реальной.
Однако помечтать было о чем. Орбитальная гелиостанция – в отличие от обычных солнечных или ветряных – могла бы давать стабильный поток энергии круглый год: из космоса нашу звезду видно днем и ночью, ее не закрывают облака, а атмосфера не рассеивает свет. Кроме того, геополитические конфликты работе такой станции практически не мешают, поскольку наземная инфраструктура ей требуется сравнительно несложная и небольшая.
В 1997 году NASA в очередной раз оценило перспективы проекта. Выяснилось, что ключевых проблем у него две: низкая эффективность солнечных батарей (тогда они могли преобразовывать в электричество менее 10% падающей энергии) и запредельная цена выведения грузов на орбиту. Однако уже к 2010-м ситуация по обоим пунктам резко улучшилась. Производительность солнечных батарей превысила 20%, а их стоимость упала в десятки раз. Сравнимым образом подешевели электронные компоненты и услуги космических запусков. Орбитальная электростанция наконец перестала быть фантастикой, перейдя в разряд обычных инженерных задач.
От Земли до орбиты
Считается, что первый компонент системы нужно разместить на геостационарной орбите, на высоте 35,8 тыс. км. Это позволит ему кружить вокруг Земли с той же скоростью, с которой вращается сама планета, а значит, фактически неподвижно висеть над одной и той же точкой, передавая энергию вниз. Кроме того, расположенные здесь фотоэлементы и зеркала смогут постоянно находиться в потоке солнечного излучения – за исключением всего 72 минут в дни весеннего и осеннего равноденствия, когда спутники окажутся в тени Земли.
Впрочем, существуют и другие варианты – например, развертывание небольшой флотилии на низкой околоземной орбите. В этом случае неважно, что часть элементов будет время от времени уходить в тень, – остальные продолжат работу. Консорциум компаний Orbital Composites и Virtus Solis присматривается к эллиптической орбите типа «Молния», аппараты на которой огибают Землю по диагонали, то резко сближаясь с ней, то надолго уходя за геостационарную высоту. А японский стартап Shimizu и вовсе предложил отказаться от орбитальных группировок: по мнению его создателей, гораздо лучше построить станцию на твердой поверхности Луны, чтобы пересылать энергию оттуда. Сами спутники тоже могут быть разными.
Так, Orbital и Virtus планируют запустить флотилию из множества зеркал, которые будут поворачиваться вслед за Солнцем, концентрируя массу излучения в центре образованного ими круга – на аппарате-излучателе. Другие инженеры считают, что лучше использовать плоские, похожие на бутерброд спутники, с одной стороны которых расположены фотоэлементы, с другой – массив передающих антенн, а электроника и прочие компоненты скрыты между этими слоями. Кстати, прототип такого устройства, созданный в Исследовательской лаборатории ВМС США, в 2020 году уже прошел испытания в космосе на борту «мини-шаттла» X-37B.
С орбиты на Землю
Следующий этап – передача энергии на поверхность планеты. Теоретически это можно сделать с помощью лазера, однако большинство подобных систем создают сравнительно коротковолновое излучение – от инфракрасного до ультрафиолетового. Оно не только заметно рассеивается при прохождении сквозь атмосферу, но и вызывает ионизацию молекул воздуха с сопутствующим его нагревом – а это явно не то, чего хотелось бы в эпоху глобального потепления.
Альтернатива нашлась еще в прошлом веке: радиоволны микроволнового диапазона, сфокусированные с помощью антенной решетки на принимающей антенне. В этом случае потери энергии на пути к Земле составляют считаные проценты.
Первая передача пучком микроволн состоялась в 1964 году на дистанции в одну милю (1,6 км), к 2010-му ученые уже сумели увеличить это расстояние до пары сотен километров.
Микроволновые фотоны намного слабее лазера, а потому не представляют опасности. Они неспособны ни ионизировать биологические ткани, ни вызвать пожар. Даже в центре пучка, где энергия максимальна, она не превысит фоновых значений, характерных для верхних слоев атмосферы. Тем более у поверхности Земли – у края принимающей антенны – уровень излучения останется в пределах, безвредных для человека. Антенна, которая улавливает энергию электромагнитных волн и преобразует ее в электричество, называется ректенной. Сегодня их применяют в некоторых беспроводных системах – например, в RFID-устройствах.
В простейшем варианте ректенна – это проводник размером в половину длины волны, разорванный посередине, концы которого сходятся на диоде. Переменное поле излучения заставляет заряды в проводнике двигаться, а диод выпрямляет этот поток, создавая постоянный ток. Для получения мощного луча с орбиты нужно объединить множество приемных элементов, покрыв территорию в несколько километров. При этом сама конструкция может быть буквально полупрозрачной. Массив ректенн легко выполнить в виде сетки в нескольких метрах над поверхностью. Она будет свободно пропускать солнечный свет, улавливая лишь микроволны нужной длины и не мешая обычной жизни людей.
В будущее
Но есть у проектов космических гелиостанций проблемы и помимо стоимости и сложности строительства. Прежде всего, это низкая эффективность преобразования солнечной энергии в микроволны и обратно: существующие лабораторные прототипы демонстрируют КПД на уровне около 5% – в несколько раз меньше значения, которое могло бы сделать добычу энергии на орбите экономически оправданной.
Чтобы орбитальную электростанцию можно было эксплуатировать долго, ее обязательно придется дополнить средствами автоматического ремонта – например, роботами-спутниками, которые при необходимости сумеют снять разбитую панель и заменить запасной. А такая ремонтная бригада может в разы увеличить затраты на проект.
Наконец, серьезная проблема связана с особенностями геосинхронной орбиты: она чрезвычайно полезна, давно востребована и потому густо заполнена современными и уже отработавшими спутниками. И если первые легко повредить мощным микроволновым излучением электростанции, то вторые – неуправляемый мусор – опасны для нее самой. Более того, когда-нибудь станция сама превратится в огромный фрагмент космического мусора, угрожающий соседям по орбите. А значит, надо заранее задуматься о способах ее утилизации, снова сделав проект дороже и сложнее.
И все же многие аспекты концепции уже рассматриваются с практической точки зрения. Разработкой необходимых технологий занимаются и европейские стартапы, и Китайская академия наук; первые орбитальные испытания намечены на 2025 год или немногим позже. Но когда на самом деле может появиться реальная космическая электростанция, пока не знает никто.