Siųskite jį žemyn

Kosmose saulė visada šviečia ryškiai. Jokie debesys neužstoja saulės spindulių ir nėra nakties. Saulės kolektoriai, sumontuoti ant orbitos palydovo, generuotų energiją 24 valandas per parą, 365 dienas per metus. Jei šią galią pavyktų perduoti į žemę, pasaulio energijos problemos galėtų būti išspręstos amžinai.





Saulės energijos palydovus (SPS) kaip sprendimą septintojo dešimtmečio naftos krizei iš pradžių pasiūlė čekų kilmės amerikietis inžinierius Peteris Glaseris, vėliau Arthuras D. Little'as. Glaseris įsivaizdavo 50 kvadratinių kilometrų saulės elementų matricas, išdėstytas ant palydovų, skriejančių 36 000 kilometrų virš fiksuotų taškų išilgai pusiaujo. Palydovas, esantis tame geosinchroniniame aukštyje, apskrieja aplink Žemę per 24 valandas, todėl visą laiką lieka fiksuotas tame pačiame žemės taške.

Idėja buvo elegantiška. Palydovo fotovoltiniai elementai saulės šviesą paverstų elektros srove, kuri savo ruožtu maitintų borto mikrobangų generatorių. Mikrobangų spindulys keliautų per erdvę ir atmosferą. Žemėje šias mikrobangų krosneles rinktų ir išgautų elektros energiją vietiniam naudojimui arba paskirstymui per įprastus komunalinius tinklus.

Technologija, kaip iš pradžių buvo numatyta, sukėlė bauginančių techninių kliūčių. Norint efektyviai perduoti elektros energiją iš palydovo, esančio geosinchroninėje orbitoje, palydove turėtų būti maždaug vieno kilometro skersmens siuntimo antena ir maždaug 10 kilometrų skersmens antena ant žemės. Tokio masto projektas užklumpa mintis; vyriausybinės finansavimo agentūros vengė investuoti milžiniškas sumas į projektą, kurio perspektyvumas buvo toks neaiškus. NASA ir Energetikos departamentas, kurie rėmė preliminarius projektavimo tyrimus, aštuntojo dešimtmečio pabaigoje prarado susidomėjimą.



Tačiau per pastaruosius kelerius metus ryšių pramonė paskelbė apie palydovinius projektus, kurie rodo, kad atėjo laikas persvarstyti saulės energijos palydovo idėją. Jau kito šimtmečio pradžioje būriai ryšių palydovų skries aplink Žemę nedideliame aukštyje, perduodami balsą, vaizdą ir duomenis į atokiausias žemės vietas. Šie palydovai perduos ryšio signalus į žemę mikrobangų spinduliais. Elektros energijos perdavimas naudojant mikrobangų pluoštą buvo parodytas jau 1963 m., o galios ir duomenų projektavimas išilgai to paties mikrobangų pluošto yra moderniausias. Kodėl nepanaudojus to paties spindulio elektros energijai tiekti?

Naujieji ryšių palydovai skries tik kelių šimtų mylių aukštyje. Užuot skriejantys virš pusiaujo taško, žemos orbitos palydovai apskrieja aplink Žemės rutulį vos per 90 minučių, atsekdami kelius, kurie svyruoja apie pusiaują, kyla ir nukrenta net 86 platumos laipsniais. Kadangi jie yra arčiau žemės paviršiaus, palydovo saulės kolektoriai gali būti kelių šimtų metrų, o ne 10 kilometrų skersmens. Ir kadangi jų generuojami mikrobangų spinduliai skleistųsi daug mažiau nei tie, kurie gaunami iš geosinchroninių palydovų, antžeminės tiesiosios žarnos gali būti atitinkamai mažesnės ir pigesnės. Prisijungus prie šių ryšių palydovų parkų ir pasinaudojus jų mikrobangų siųstuvais ir imtuvais, antžeminėmis stotimis ir valdymo sistemomis, saulės energijos technologija gali tapti ekonomiškai perspektyvi.

Tačiau žema Žemės orbita kelia savų sunkumų. Kadangi jie taip greitai sukasi aplink planetą, žemoje orbitoje skriejantys palydovai turi turėti sudėtingas kompiuteriu valdomas sistemas, skirtas koreguoti mikrobangų pluošto tikslą, kad jis nusileistų į priėmimo stotį. Šie palydovai turės naudoti sudėtingas elektronines sistemas, vadinamas fazinėmis matricomis, kad nuolat nukreiptų išeinantį spindulį.



Energija vystymuisi

Kosminės saulės energijos paklausa gali būti nepaprasta. Kai kuriais skaičiavimais, iki 2050 m. pasaulyje gyvens 10 milijardų žmonių, daugiau nei 85 procentai iš jų besivystančiose šalyse. Didelis klausimas: kaip galime geriausiai patenkinti augančius žmonijos energijos poreikius, darydami mažiausią neigiamą poveikį aplinkai?

Ieškau pigaus paleidimo



Vienas svarbus aspektas planuojant kosminę energiją yra palydovo iškėlimo į orbitą išlaidos. Šiuo metu objekto iškėlimas į kosmosą kainuoja tūkstantį kartų brangiau, nei perskraidinti jį komerciniu lėktuvu, nors šiems dviem darbams reikia maždaug tiek pat energijos – apie 10 kilovatvalandžių vienam naudingosios apkrovos kilogramui. Papildomas išlaidas lemia du veiksniai: sėkmingam startui į kosmosą reikalinga inžinierių ir mokslininkų armija ir praktika po kiekvieno skrydžio išmesti didžiąją dalį nešančiųjų raketų.

Tačiau tikėtina, kad paleidimo išlaidos sumažės, nes didėja poreikis reguliariai kelti didelius medžiagų kiekius į kosmosą: kuo dažniau naudojama paleidimo sistema, tuo mažesnės naudojimo išlaidos. Be to, NASA siekia naujos kartos daugkartinio naudojimo raketų. Agentūra neseniai parėmė konkursą tarp aviacijos ir kosmoso rangovų dėl kosminės transporto priemonės, galinčios veikti kaip aviakompanija. Nugalėtoju tapo „Lockheed Martin Skunk Works“, legendiniai orlaivių dizaino novatoriai nuo U-2 iki Stealth naikintuvo. „Lockheed Martin“ planuoja sukurti ir išbandyti 1 milijardo dolerių vertės pleišto formos daugkartinį X-33 – pusės dydžio, aštuntosios masės nešančiosios raketos „Venture Star“ versiją, kuri pakeistų erdvėlaivį, skirtą kroviniams gabenti į žemą orbitą. Tikslinė paleidimo kaina yra 2200 USD už kilogramą, ty viena dešimtoji šaudyklinio paleidimo kaina. Už tokią kainą kosminė energija galėtų tapti ekonomiškai efektyvi, jei palydovai veiktų dvigubai kaip ryšių relės ir saulės energijos šaltiniai.

Saulės energijos palydovas turėtų greitai susigrąžinti energiją, reikalingą jį iškelti į orbitą. Pradėkite nuo konservatyvios prielaidos, kad saulės energijos palydovinė technologija pagamintų ant žemės 0,1 kilovato elektros energijos vienam kilogramui masės orbitoje. Tokiu atveju 10 kilovatvalandžių vienam kilogramui energijos sąnaudos norint pakelti palydovą į orbitą atsipirktų elektra tik po 100 valandų – mažiau nei penkias dienas.
Vienas iš būdų sumažinti paleidimo išlaidas yra naudoti pripučiamą konstrukciją kaip saulės kolektorių. Taip būtų padidintas kolektoriaus paviršiaus plotas, kuris yra svarbus norint surinkti didžiausią saulės energijos kiekį, nesukeliant didelės svorio naštos nešančiajai raketai. Ištuštėję saulės kolektoriai gali būti sulankstyti į kompaktišką erdvę erdvėlaivyje; patekusios į orbitą dujos iš suslėgto konteinerio pripūstų konstrukciją.



Balionai erdvėje – sena istorija. Tiesą sakant, 1960 m. senumo palydovas, žinomas kaip Echo I, buvo balionas, naudojamas radijo bangoms nukreipti atgal į Žemę. NASA šiuo metu tiria pripučiamų konstrukcijų galimybes erdvėje antenoms, skėčiams nuo saulės ir saulės energijos masyvams, nors tai nėra aiškiai skirta saulės energijos palydovinėms sistemoms. Svarbus eksperimentinis įvykis buvo sėkmingas Space Shuttle Endeavour astronautų 1996 m. gegužę dislokavimas Spartan Inflatable Antenna Experiment – ​​14 metrų antena, kurią orbitoje pripūtė azoto dujų balionėlis.

Nuo tokio eksperimento iki saulės energiją renkančio palydovo, kurį būtų galima surinkti orbitoje iš išpūstų segmentų, nėra toks labai didelis žingsnis. Jei NASA pripučiamų kosminių struktūrų tyrimams teiktų didelį prioritetą, žinių bazė, leidžianti sukurti ekonomiškus mažos masės palydovus, galėtų sparčiai vystytis.

Žingsnis vienu metu

Iš pradžių saulės energija, perduodama iš kosmoso, būtų naudojama tik tam, kad būtų užtikrinta minimali elektros energija, reikalinga priėmimo stoties elektronikai valdyti ant žemės – panašiai, kaip linijos srovė maitina įprastus telefonus. Galiausiai palydovai nusviestų didesnį energijos kiekį, kuris galėtų suteikti megavatų elektros energijos, kuri labai prisidėtų prie kaimo ar net miesto maitinimo.

Padidinti galios lygį būtų nesudėtinga, nes kosmose būtų paprasčiausiai įrengti didesnį saulės energijos surinkimo plotą. Energija būtų perduodama per siųstuvų ir imtuvų infrastruktūrą, kuri vėliau bus skirta palydovinio ryšio sistemoms. Šiuo atžvilgiu mikrobangų perdavimas turi neabejotiną pranašumą prieš įprastus kabelinius energijos perdavimo būdus. Mikrobangų sistema, kuri 80 procentų efektyviai siunčia 1 kilovatą, vis tiek bus 80 procentų efektyvi siųsdama 1 megavatą. Tai iš esmės skiriasi nuo elektros perdavimo linijos, kur reikia storesnių ir brangesnių laidų, kad būtų galima tiekti daugiau energijos. Jei per laidą tiekiama per daug energijos, izoliacija ištirps.

Kai kas baiminasi, kad saulės energijos palydovų tinklas gali paversti atmosferą viena didele mikrobangų krosnele, gaminančia viską, kas nuklysta į spindulio kelią. Tiesą sakant, mūsų siūlomas mikrobangų intensyvumas būtų mažesnis už slenkstį, nuo kurio objektai pradeda kaisti. Žmonės būtų veikiami mikrobangų, panašių į mikrobangų krosnelių ir mobiliųjų telefonų, lygius. Nors kai kurie kritikai spėja, kad mikrobangų krosnelės nekelia grėsmės žmonių sveikatai, nėra patikimų epidemiologinių įrodymų apie neigiamą mikrobangų poveikį esant tokiam žemam lygiui. Didesnis mikrobangų spinduliuotės lygis būtų ties tiesiosios žarnos taškais, į kuriuos nukreipti spinduliai, tačiau tvoros ir įspėjamieji ženklai galėtų atskirti šias galimo pavojaus vietas. Tačiau, remiantis mūsų skaičiavimais, mikrobangų intensyvumas net ties tiesiosios žarnos perimetru patektų į diapazoną, kurį dabar Darbuotojų saugos ir sveikatos administracija laiko saugiu.

Didesnė galima problema yra ribotų dažnių dalijimasis mikrobangų spektre. Pavyzdžiui, „Motorola“ sulaukė kritikos dėl to, kad jos planuojama sistema naudos 1,616–1,626 gigahercų dažnius, kurie beveik sutampa su 1,612 gigahercų dažniu, kurį astrofizikai derina rinkdami duomenis apie kosmosą. Radijo astronomai nerimauja, kad saulės energijos palydovo trikdžiai užgoš palyginti silpnus signalus, kuriuos jie siekia aptikti. „Motorola“ žada apriboti savo ryšių spindulių plitimą į radijo astronomų dažnių nišą, tačiau problema pabrėžia faktą, kad mikrobangų spektras yra ribotas išteklius, kurį pavydžiai saugo ir komerciniai, ir ne pelno siekiantys vartotojai. Spektro paskirstymas turi būti sprendžiamas greitai ir veiksmingai, kad būtų išvengta kosminės energijos technologijų prevencijos prieš jai gimstant.

Ar saulės energijos palydovai taps realybe, galiausiai priklausys nuo telekomunikacijų ir elektros komunalinių paslaugų įmonių noro įsitraukti į kosmoso energijos verslą. Kol kas nė viena pramonės šaka didelio susidomėjimo nerodė. Bet tada jie dažniausiai nežino apie komercines galimybes. Reikia žinoti, kad yra galimybė jį pasirinkti. Prieš trisdešimt metų ryšių palydovai buvo naujovė. Prieš dešimt metų niekas nebuvo girdėjęs apie internetą.

Akivaizdu, kad dabartinis siekis panaikinti reguliavimą paskatino telekomunikacijų, kompiuterių, kabelinės televizijos ir komunalinių paslaugų pramonės šakas įeiti į viena kitos rinkas. Kai kurios elektros energijos įmonės nori įsitraukti į telekomunikacijų verslą, kad galėtų pasinaudoti didžiulėmis investicijomis į laidus ir kabelius, kurie pasiekia beveik kiekvieną šalies pastatą. Lygiai taip pat prasminga siūlyti ryšių įmonėms įsitraukti į elektros energijos verslą. Praktiškai energijos ir ryšių įmonių konsorciumai siūlomą technologiją gali kurti kartu.

Nė viena šios technologijos dalis nėra esminis kliūtis. Fotovoltinių elementų ir mikrobangų generavimo fizika yra gerai suprantama. Tačiau norint pereiti į kitą etapą, reikės įrodyti, kad visos šios sistemos dalys gali veikti kartu: saulės baterijos, fazinės matricos mikrobangų antenos, priėmimo stotys, skiriančios duomenų signalus nuo galios pluoštų ir Kompiuteriai, kurie nurodo palydovams, kur žemėje nukreipti spindulius. NASA galėtų nepaprastai paspartinti šį vystymąsi, iškeldama į orbitą saulės energijos palydovo prototipą.

Privalumai yra per dideli, kad būtų galima atsisakyti. Saulės energijos palydovų tinklas, toks, kokį siūlome, galėtų Žemei tiekti 10–30 trilijonų vatų elektros energijos, kurios pakaktų žmonijos poreikiams patenkinti per ateinantį šimtmetį. Taigi saulės energijos palydovai siūlo viziją, kurioje energijos gamyba nukeliauja nuo žemės paviršiaus, todėl kiekvienas gali gyventi ekologiškesnėje planetoje. Apsvarstykite filosofines pasekmes: nebereikia, kad žmonija matytų save įstrigusioje erdvėlaivyje Žemėje su ribotais ištekliais. Galėtume išnaudoti neribotus kosmoso išteklius, išsaugodami planetą kaip neįkainojamą biologinės įvairovės išteklius.

paslėpti