Сонячна електростанція в космосі? Як це працюватиме – і які переваги може принести

Авторка: Йована Радулович, голова Школи механічної інженерії та проектування Університету Портсмута.

Уряд Великої Британії розглядає пропозицію вартістю в 16 мільярдів фунтів стерлінгів щодо будівництва сонячної електростанції в космосі.

Так, ви правильно прочитали. Космічна сонячна енергетика є однією з технологій, включених в урядовий портфель інновацій Net Zero (вуглецева нейтральність). Вона вважається одним із потенційних способів досягнення Великою Британією вуглецевої нейтральності до 2050 року.

Але як працюватиме сонячна електростанція в космосі? Якими є переваги та недоліки цієї технології?

Космічна електростанція збиратиме сонячну енергію в космосі та передаватиме її на Землю. Хоча сама ідея не нова, останні технологічні досягнення зробили цю перспективу більш досяжною.

Космічна сонячна енергетична система включає в себе супутник сонячної енергії – величезний космічний корабель, оснащений сонячними панелями. Ці панелі виробляють електроенергію, яка потім бездротовим способом передається на Землю за допомогою високочастотних радіохвиль. Ректена (наземна антена) використовується для перетворення радіохвиль в електрику, яка потім надходить до електромережі.

Космічна сонячна електростанція на орбіті освітлюється сонцем 24 години на добу і тому може безперервно виробляти електроенергію. Це є перевагою перед наземними сонячними електроенергетичними системами, які можуть виробляти електроенергію лише вдень і залежать від погоди.

Оскільки глобальний попит на енергію, за прогнозами, зросте майже на 50% до 2050 року, космічна сонячна енергія може стати вирішенням зростаючого попиту в світовому енергетичному секторі та подолання глобального підвищення температури.

Деякі труднощі

Космічна сонячна електростанція заснована на модульній конструкції, де велика кількість сонячних модулів збирається роботами на орбіті. Транспортування всіх цих елементів у космос є складним, дорогим і негативно впливає на довкілля.

Вага сонячних панелей була визначена як перша проблема. Але її було вирішено завдяки розробці надлегких сонячних елементів (сонячна панель складається з менших фотоелектричних комірок).

Космічна сонячна електростанція вважається технічно можливою, насамперед, завдяки досягненню ключових технологій, включаючи легкі сонячні елементи, бездротову передачу електроенергії та космічну робототехніку.

Важливо зазначити, що для складання навіть однієї космічної сонячної електростанції знадобиться багато запусків космічних човників. Незважаючи на те, що космічна сонячна електростанція призначена для скорочення викидів вуглецю в довгостроковій перспективі, існують значні викиди, пов’язані з космічними запусками, а також витрати.

Наразі космічні човники не можна використовувати повторно, хоча такі компанії, як SpaceX, працюють над тим, щоб це змінити. Можливість повторного використання пускових систем дозволить значно зменшити загальну вартість сонячної енергії в космосі.

Якщо нам вдасться успішно побудувати космічну сонячну електростанцію, її експлуатація також зіштовхнеться з низкою практичних проблем. Сонячні панелі можуть бути пошкоджені космічним сміттям. Крім того, панелі в космосі не захищені атмосферою Землі. Під впливом більш інтенсивного сонячного випромінювання вони втрачають свою ефективність швидше, ніж на Землі, що зменшить потужність, яку вони здатні генерувати.

Ефективність бездротової передачі електроенергії – це вже інше питання. Передача енергії на великі відстані у цьому випадку від сонячного супутника в космосі на землю є складною. Виходячи з можливостей сучасних технологій, лише невелика частина зібраної сонячної енергії досягне Землі.

Пілотні проекти вже тривають

В рамках проекту Space Solar Power Project (Проект сонячної електроенергії) у США розробляються високоефективні сонячні елементи, а також система перетворення та передачі енергії, оптимізована для використання у космосі. У 2020 році Дослідницька лабораторія Військово-морського флоту США провела випробування сонячного модуля та системи конвертації енергії у космосі. Тим часом Китай оголосив про прогрес у створенні своєї космічної сонячної енергетичної станції Бішан і планує мати працездатну систему до 2035 року.

У Великій Британії розробка космічної сонячної електростанції вартістю 17 мільярдів фунтів стерлінгів вважається життєздатною концепцією згідно нещодавнього звіту консалтингової компанії Frazer-Nash Consultancy. Очікується, що проект розпочнеться з невеликих випробувань, які призведуть до створення працюючої сонячної електростанції в 2040 році.

Супутник сонячної енергії буде мати діаметр 1,7 км і важити близько 2000 тонн. Наземна антена займає багато місця – приблизно 6,7 км на 13 км. З огляду на нестачу вільної землі по всій Великій Британії, вона, швидше за все, буде розміщена в морі.

Цей супутник забезпечить Велику Британію електроенергією потужністю 2 ГВт. Хоча це значний обсяг електроенергії, це невеликий внесок у генеруючу потужність країни, яка становить близько 76 ГВт.

З надзвичайно високими початковими витратами та повільною окупністю інвестицій проект потребує значних державних ресурсів, а також інвестицій приватних компаній.

Але в міру розвитку технологій вартість космічного запуску та виробництва буде постійно знижуватися. А масштаби проекту дозволяють організувати масове виробництво, що має дещо знизити вартість.

Чи зможемо ми досягти вуглецевої нейтральності за допомогою космічної сонячної енергії ще невідомо. Інші технології, такі як різноманітне та гнучке зберігання енергії, водень та розвиток систем поновлюваної енергії досліджені краще та можуть бути легше застосовані.

Незважаючи на труднощі, створення космічної сонячної електростанції є передумовою для захоплюючих можливостей у сфері досліджень та розробок. У майбутньому ця технологія, ймовірно, відіграє важливу роль у глобальному енергозабезпеченні.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під заголовком «A solar power station in space? Here’s how it would work – and the benefits it could bring» в журналі The Conversation 17 березня 2022 р.

Переклала Руслана Боліла