2.2 Космические электростанции

Вопрос энергетической безопасности стоит довольно остро. Запасы угля, нефти и даже урана с торием сокращаются. Перспективы термоядерной энергетики пока туманны. Между тем есть прекрасный и совершенно бесплатный термоядерный реактор, рассеивающий энергию направо и налево, - Солнце, и гелиоэнергетика развивается очень бурно. Однако на Земле, где бы ни построить солнечную электростанцию, есть как минимум одна проблема – ночь, а еще облака, пыль и прочие неудобства [12].

Логичный вывод – перенести электростанции в космос на геостационарную орбиту Земли, как представлено на рисунке 2.5. Впервые идея была выдвинута американцем Питером Глейзером в 1968 году. В 2009 году корпорация Solaren подписала с калифорнийской энергетической компанией контракт о поставке 200 мегаватт электроэнергии космического производства с начала 2016 года. В том же 2009 году шестнадцать японских компаний, включая Mitsubishi, подписали контракт о поставке той же электроэнергии в размере 1 гигаватта до 2030 года.

Самый сложный вопрос – доставка электроэнергии на Землю. Единственно возможный способ – беспроводная передача электроэнергии. Однако, потери при таком способе происходят трижды: при переводе электричества в излучение, при прохождении излучения через атмосферу и при обратном преобразовании.

2.3 Передача энергии с помощью лазерных технологий

Лазерный луч идеально подходит для передачи энергии: когерентный свет, почти не расходящийся пучок света с большой плотностью света. Однако именно высокая энергетическая концентрация делает эту технологию небезопасной [12].

Проблемы с безопасностью можно решить, если лазер мог эффективно передавать энергию. Не так давно японцы добились КПД 42% в преобразовании солнечного света в лазерное излучение. Однако эффективные передатчики и приемники, преобразующие лазерную энергию в электричество, работают в разных спектральных диапазонах и совместно применяться не могут.

Рисунок 2.5 – электростанция на геостационарной орбите Земли

Рисунок 2.6 – Прототип «космического лифта» компании LaserMotive

Прототип космического лифта, представленного на рисунке 2.6, получает по лазерному лучу около киловатта энергии и с КПД 20 % использует ее для подъема по свисающему с вертолета километровому тросу. В ноябре 2009 года на пятых ежегодных гонках космических лифтов этот аппарат, созданный компанией Laser Motive из Сиэтла, преодолел зачетный 900-метровый отрезок за 3 минуты 48 секунд (со средней скоростью 3,95 м/с), вы играв приз 900 000 долларов. Беспроводное питание — принципиальное условие соревнований, проводимых под эгидой Spaceward Foundation и NASA.

2.4 Ректенна

Другой способ доставки энергии – радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) в диапазоне от 2,45 до 5,8 ГГц. Они почти не поглощаются атмосферой, не отражаются ионосферой и эффективно преобразуются в электричество. Выполняет это преобразование так называемая ректенна – от английского rectifying antenna (выпрямляющая антенна). К обычной дипольной антенне размером нескольких сантиметров (порядка длины волны излучения) подключают быстродействующий диод Шоттки. Множество таких антенн, представленных на рисунке 2.7, собирают в решетку, покрывающих достаточно большую площадь, и соединяют между собой, чтобы суммировать выработанный в них электрический ток. Обычный радиоприемник можно сравнить с качелями. Он настраивается на частоту крайне слабого сигнала, чтобы тот, попав в резонанс, «раскачал» переменный ток в антенной цепи. Затем этот ток усиливается за счет внешнего источника энергии, аккумулятора, например, и из него извлекается информация. Ректенна, напротив, рассчитана на сильный сигнал. Американский физик Уильям Браун смог передать с помощью такой технологии 30 кВт на расстояние в одну милю с КПД 84% [12].

Рисунок 2.7 – СВЧ-ректенны

Главная проблема такого способа – капризность диодов Шоттки. Диод такого типа не выдерживает больших токов. Поэтому для создания мощного канала нужны большие площади ректенн с большим числом диполей. В итоге экономический эффект берет верх и возвращает к использованию солнечных батарей.