На фоне постоянно увеличивающихся цен на энергоресурсы, конфликтов в нефтедобывающих регионах и аварийных ситуаций на атомных станциях крайне актуальным становятся вопрос энергетической безопасности и необходимость разработки четкого плана: за счет чего мы будем жить в будущем.
Казалось бы, то, что нам нужно, окружает нас со всех сторон. Солнечный свет, ветер, геотермальное тепло, приливные волны: ученые считают, что существующие технологии позволят уже к 2050 году на 80% обеспечить потребности человечества за счет возобновляемых источников энергии. Однако КПД таких электростанций невелик. К тому же они сильно зависят от погоды и циклов дня и ночи. Поэтому для достижения цели придется построить бескрайние поля солнечных батарей и ветряных турбин. Но есть еще один способ, который, при всей своей невероятности, широко обсуждается в мире. Речь идет о космических электростанциях.
Как часто бывает, первым идею получения энергии в космосе озвучил писатель-фантаст. В 1941 году в рассказе «Логика» (Reason) Айзек Азимов подробно описал космическую станцию, которая накапливает энергию Солнца и передает ее на Землю. Спустя 25 лет Питер Глейзер представил концепцию размещения на геостационарной орбите огромных солнечных батарей. Полученную энергию предполагалось преобразовывать в СВЧ-излучение и в таком виде передавать на приемные антенны на Земле. Всерьёз о революционном подходе заговорили лишь в 90-е годы, когда над собственными программами стали работать такие крупнейшие разработчики, как российский Исследовательский центр им. М. В. Келдыша, американское космическое агентство NASA и японское агентство аэрокосмических исследований.
«Англия доминировала в мировой экономике во времена промышленной революции благодаря своим запасам угля. Соединенные Штаты заняли это место после того, какв 1901 году обнаружили месторождения нефти в Техасе, - говорит Ральф Нансен из группы «Solar High», которая выступает за развитие солнечной энергетики. - Я уверен - тот, кто первым создаст систему получения солнечной энергии на орбите, займет такое же доминирующее положение в мировой экономике».
Главное преимущество размещения панелей в космосе состоит в том, что солнечный свет там на 30% интенсивнее, чем на поверхности планеты. К тому же освещение не меняется в течение года и не зависит от климатических особенностей. Но помимо очевидных плюсов у подобного проекта есть и существенные минусы. Во-первых, это стоимость. Сегодня доставка на орбиту одного килограмма груза обходится в 20 тысяч долларов. Нетрудно понять, что отправка и монтаж солнечных панелей общей площадью в несколько квадратных километров потребуют многомиллиардных затрат. Во-вторых, собранную энергию нужно будет с минимальными потерями передать на Землю, а тянуть на геостационарную орбиту кабель длинной 35 тысяч километров ‒ не самая лучшая идея.
Основные иностранные проекты - например, программа NASA «SPS-ALPHA» - опираются на использование мощного потока СВЧ-излучения, который будет поступать с космической станции на приемные устройства. Такой способ позволяет избежать больших потерь при прохождении пучка через атмосферу, и совершенно безопасен для живых организмов. В 2008 году американские и японские ученые провели успешный эксперимент, в ходе которого луч микроволнового излучения преодолел расстояние в 150 километров между двумя островами Гавайского архипелага (расстояние было выбрано как эквивалент толщины земной атмосферы). И хотя в целом задача была выполнена, авторы исследования признают, что технология требует существенных доработок, связанных, например, с увеличением мощности.
В 2009 году свой амбициозный проект анонсировало правительство Японии. Уже в 2014 году планируется вывод на орбиту опытного образца солнечной электростанции шириной 50 метров с СВЧ-передатчиком. Если испытания пройдут успешно, следующее поколение мощностью 1 гигаватт и размерами около 2 километров будет введено в строй около 2030 года.
Не отстает от мировых тенденций и Россия. Еще в сентябре 2012 года на мировом симпозиуме, посвященном космической энергетике, Роскосмос объявил о создании действующего прототипа небольшой станции мощностью 100 киловатт. Согласно последним заявлениям, российские ученые собираются проработать проект космических электростанций мощностью от 1 до 10 гигаватт. При этом передача энергии на Землю, в отличие от иностранных концепций, будет осуществляться с помощью мощных лазерных лучей.
Как объясняет главный научный сотрудник ФГПУ «ЦНИИМАШ» Валерий Мельников, солнечные батареи будут питать твердотельные лазеры, объединенные в единую оптическую систему, способную переносить энергию на фотоэлектрические преобразователи, расположенные на поверхности планеты. Лазерный луч по сравнению с микроволновым пучком более концентрированный. Поэтому можно передавать больше энергии на меньшие приемные устройства. По словам специалиста, такой луч с геостационарной орбиты можно направлять не только на экваториальные области, но и в высокоширотные регионы, где потребность в электричестве стоит особенно остро. Стоит отметить, что у использования лазера есть и отрицательные аспекты. Помимо того, что он может быть опасным для людей и животных, на сохранность сигнала оказывает влияние облачность и прозрачность воздуха.
Ещё одним принципиальным отличием отечественного проекта является отказ от громоздких каркасных конструкций в пользу лёгкого и тонкого экрана площадью несколько квадратных километров, который удерживается в натянутом состоянии за счет вращения. Такую тонкопленочную батарею можно доставить на орбиту в свернутом виде, что существенно сэкономит затраты.
Но все же множество специалистов по всему миру не слишком благосклонны к идее космической электроэнергетики. По их мнению, те же инвестиции, вложенные в получение энергии из возобновляемых источников на Земле, принесут несопоставимо больше пользы. Эти технологии давно отработаны, и мощные ветряные или солнечные электростанции могут быть построены уже сегодня.
