Две соперничающих, но коллегиальных группы технологов, одна из которых базируется в Великобритании, а другая — в Соединённых Штатах, будут внимательно следить за испытаниями нержавеющего стального гиганта, корабля Starship, если и когда он достигнет орбиты.
Каждая из них ведёт работу по ликвидации зависимости человечества от ископаемого топлива путём запуска огромных спутников, не ограниченных временем суток и погодой на Земле, которые будут добывать огромное количество энергии при помощи солнечных панелей.
Сгенерированная таким образом электроэнергия затем будет преобразована в микроволновые лучи, которые пробьются сквозь атмосферные помехи дабы достичь огромных антенн-приёмников на земле. Там они будут мгновенно преобразованы обратно в электричество, чтобы обеспечить гигаваттами энергии наши электросети.
Различные концепции космических солнечных электростанций отличаются друг от друга, но у них есть две важнейших взаимосвязанных потребности: необходимость производства компонентов в огромных количествах на Земле с последующей сборкой в космосе, а также ракета-носитель огромной грузоподъемности для их доставки на высокие орбиты, где они будут поглощать солнечный свет.
И здесь на сцену выходит SpaceX со своей ракетой-носителем Super Heavy и космическим кораблем Starship. Это может быть именно то, на что надеются сторонники космической солнечной энергетики, ведь его заявленная грузоподъемность — 150 тонн в случае отправки груза на низкую околоземную орбиту в многоразовой конфигурации и 250 тонн при использовании системы в одноразовом режиме. При этом, испытательный полёт Starship уже состоялся: глава SpaceX Илон Маск написал в своём твиттере 16 марта, что первая орбитальная попытка запуска состоится «в конце третьей недели апреля», если FAA выдаст лицензию на запуск. И именно в этот срок и получилось его провести. 20 апреля 2023 года ракета стартовала в свой первый полёт. Однако на высоте 39 км носитель был уничтожен системой аварийного прекращения полёта, поскольку отказали 6 из 33 двигателей первой ступени.
Его с нетерпением ждали очень многие. «Starship станет переломным моментом в плане грузоподъёмности и экономической целесообразности полётов в космос», — говорит Мартин Солто, содиректор компании Space Solar, созданной британским правительственным стартап-инкубатором для разработки и в конечном итоге запуска 25-спутниковой, 50-гигаваттной британской космической солнечной электростанции.
Если SpaceX сможет доказать надёжность Starship и если будет доступно достаточное количество таких космических аппаратов, Солто ожидает, что необходимые расходы на услуги по доставке на орбиту группировки таких спутников составят 60% от капитальных затрат. Он добавляет, что это было бы невозможно в дни, когда приходилось довольствоваться неэкономичными одноразовыми ракетами, стоимость запуска килограмма полезной нагрузки на которых доходила до 20 000 долларов, в то время как сегодня стоимость запуска Falcon Heavy составляет 1 500 долларов за килограмм и продолжает снижаться.
«SpaceX строит большой флот кораблей Starship для своих миссий на Марс, — объясняет Солто. — Потенциально у них будет много ракет, простаивающих без достаточно прибыльного бизнеса, поэтому космическая солнечная энергетика может стать для них огромным рынком».
По словам Солто, Space Solar уже провела несколько действительно многообещающих переговоров со SpaceX, и компания очень заинтересована в космической солнечной энергетике как потенциальном рынке запусков. Но пока говорить об этом рано.
Компания SpaceX оставила все просьбы прокомментировать эти переговоры и свои взгляды на космическую солнечную энергетику без ответа.
Генерация космической электроэнергии
Итак, что же конкретно планируют создать инженеры из Великобритании и США? Фактически, система по добыче космической солнечной энергии будет иметь следующие основные элементы:
- Группировка модульных солнечных спутников километрового масштаба, каждый из которых будет иметь массу в тысячи тонн и которые будут запускаться на орбиту по частям и собираться там при помощи роботов.
- Каждый спутник будет добывать солнечную энергию при помощи фотоэлектрических панелей на геостационарных, геосинхронных или высокоэллиптических орбитах, где солнечный свет присутствует в течении 99% времени.
- Оборудование на каждом спутнике будет преобразовывать электричество, сгенерированное солнечными панелями, в микроволновые лучи. Контрольный луч с Земли направит их к фиксированной точке на планете через фазированную антенну спутника.
- Для безопасности удельная мощность луча на уровне земли должна быть не более 250 Вт/м², что в четыре раза меньше интенсивности солнечного света в безоблачный полдень на экваторе.
- Почти 5-километровый массив антенн на Земле, который будет конвертировать полученный электромагнитный микроволновый поток в переменный ток, обеспечивая нас гигаваттами электроэнергии.
Такая система могла бы устранить недостатки непостоянности современных земных источников возобновляемой энергии: солнечные электростанции не работают ночью или при облачной погоде, а ветрогенераторы могут неожиданно остановиться при отсутствии ветра, иногда на несколько недель, заставляя компании возвращаться к использованию ископаемого топлива. И важно отметить, что работая вне атмосферы Земли и практически под незаходящим солнцем, приёмные станции могут надёжно обеспечивать «базовую нагрузку» — минимальный уровень надёжной мощности, который требуется потребителям электросетей.
Таким образом, сторонники космической солнечной энергетики предвидят, что в конечном итоге сочетание ветрогенераторов, земных солнечных электростанций и космических аппаратов сможет внести значительный вклад в снижение выбросов парниковых газов, устраняя необходимость в нефтяных, газовых и угольных станциях.
Такие перспективы не остаются без внимания со стороны правительств: Великобритания создала специальную группу Space Energy Initiative для использования космической солнечной энергии в качестве способа достижения около-нулевых выбросов углерода к 2050 году. SEI уже имеет около 75 участников — главным образом учёных, космических и энергетических компаний, включая Имперский колледж Лондона, Airbus Defence and Space и National Grid Великобритании.
«Это объединяет энергетический и космический секторы промышленности, — говорит Солто. — Они настолько разные, что не очень хорошо взаимодействуют и понимают друг друга».
Программа SEI была запущена после того, как Солто в роли аналитика консалтинговой компании Frazer-Nash завершил изучение осуществимости подобного проекта для правительства Великобритании. Солто и его коллеги пришли к выводу, что проект космической солнечной электростанции технически осуществим и может быть разработан к 2040 году при условии появления многоразовых тяжёлых ракет-носителей и развития технологий солнечных панелей и антенн.
По планам компании Space Solar Limited, к 2030 году планируется запуск демонстрационного спутника мощностью 6 МВт, способного передавать энергию на наземную станцию, а к 2035 году — запуск и ввод в эксплуатацию первого солнечного спутника мощностью 2 ГВт. Для подготовки к этому участники SEI и правительство Великобритании планируют внести по £6 миллионов ($7,3 миллиона) для «снижения рисков» проектов, направленных на разработку технологий беспроводной передачи энергии и фотоэлектрических систем для демонстрационного спутника. Кроме того, ведомство по энергетической безопасности и нулевым выбросам Великобритании также ищет значительные инвестиции в международный проект, связанный с космической солнечной энергетикой, и в настоящее время ведёт переговоры с Саудовской Аравией о вложении в него.
На другой стороне океана, в США, также есть несколько текущих проектов, связанных с космической солнечной энергетикой. Например, Калифорнийский технологический институт и Научно-исследовательская лаборатория ВМС США в Вашингтоне уже испытывают компоненты низкоорбитальной космической солнечной электростанции на низкой околоземной орбите. Также в планах научной лаборатории ВВС США в Огайо проведение экспериментов по передаче энергии в космосе. В Китае и Японии подобные программы работают уже десятилетиями, а в Австралии компания Solar Space Technologies исследует возможности добычи космической солнечной энергии.
В Европе также запущено по крайней мере два проекта по исследованию космической солнечной энергии: Европейское космическое агентство в прошлом году создало инициативу Solaris «для подготовки Европы к будущим решениям в области космической солнечной энергетики» к 2025 году. Калифорниец Джон Мэнкинс, один из выдающихся пионеров этой области, говорит, что в рамках программы исследования и разработок ЕС Horizon также будет проанализирована эта тема и что его попросили провести презентацию о потенциале этой технологии. Он добавляет, что Евросоюз особенно заинтересован в возможности добычи солнечной энергии космическими аппаратами на орбите Земли, в окололунном пространстве и на поверхности Луны.
Солто предсказывает, что хотя Евросоюз в конечном итоге, вероятно, запустит программу космической солнечной энергии, Великобритания нуждается в своих собственный разработках. Почему? После выхода из ЕС Великобритания не хочет рисковать остаться отрезанной от технологий снова, как это было с доступом к спутниковой навигационной сети «Галилео» после того, как граждане Великобритании проголосовали за выход из Союза. Поэтому британцы считают, что самоопределение в отношении их собственной программы космической солнечной энергетики — это лучшая политика.
Истоки научной фантастики
Айзек Азимов был первым, кто предложил добычу солнечной энергии в космосе в своём коротком рассказе 1941 года «Логика». Он повествует о бунтующем роботе на Солнечной Станции №5 — космическом корабле в один километр в поперечнике, добывающим солнечную энергию и передающем её на Землю при помощи узконаправленного луча, который выделяет огромное количество тепла. Робот захватывает контроль над лучом, отбирая его у людей, управляющих станцией, которые боятся, что целые города могут быть уничтожены, если робот не будет точно целиться.
Фантастические произведения Азимова вдохновили Питера Глейзера, работавшего в консалтинговой компании Arthur D. Little в Массачусетсе, написать статью для журнала Science в 1968 году. Он пришел к выводу, что использование солнечной энергии в космосе было бы возможным в принципе, но не с технологиями того времени, когда эпоха программы «Аполлон» подходила к концу. Почему? Один единственный спутник с солнечным коллектором диаметром 6 километров, который передавал бы энергию через сверхпроводники с нулевым сопротивлением на микроволновую передающую антенну из тяжёлых металлов диаметром 2 километра, имел бы невероятную массу в 81,5 миллионов килограммов. Представьте себе на минуту, что кто-то действительно влиятельный настоял бы на запуске необходимых компонентов на орбиту при помощи Space Shuttle. Стоимость запуска на орбиту в 1981 году составляла 85 000 долларов за килограмм, что приводит к общей сумме в почти 7 триллионов долларов за один спутник.
В 1970-х и 1980-х годах Министерство энергетики США и NASA вернулись к этому вопросу, но очень ненадолго из-за недостаточного развития технологий. Однако в 1990-е годы идея была вновь рассмотрена руководством NASA, поручившим Мэнкинсу, одному из старших инженеров по передовым разработкам, взглянуть свежим взглядом на возможность добычи солнечной энергии в космосе. В своей статье 1997 года он пришёл к выводу, что эта идея наконец может рассматриваться всерьёз для производства электроэнергии.
В 2011 году, после того, как Мэнкинс покинул NASA и создал свою собственную консалтинговую компанию, он был снова приглашен в NASA Institute of Advanced Concepts для оценки технической и экономической осуществимости концепции космического солнечного энергетического спутника, который он разработал. Эта модульная конструкция под названием SPS Alpha стала легендарной в кругах энтузиастов космической солнечной энергетики, и Мэнкинс регулярно обновляет её с учётом изменения технологий. Кроме того, помимо консультирования в США, Мэнкинс был также привлечён для работы с Европейским космическим агентством, Европейским союзом, Великобританией и Space Solar Technologies для участия в австралийским проекте компании, где он сейчас является партнёром.
«Основная идея SPS Alpha, опередившая мегагруппировки спутников на 10 лет, заключается в том, что, если есть возможность создавать действительно большие структуры из модульных частей, которые можно массово производить, стоимость такой большой системы может быть гораздо ниже, чем вы думаете», — говорит Мэнкинс.
Эти модульные части включают солнечные панели, усилители микроволн, модули фазированной антенной решётки, отражатели и моторы, которые поворачивают эти отражатели к солнцу, а также фермы, которые удерживают всё это вместе. Этот «гипермодульный» подход, как называет его Мэнкинс, позволит строить спутники на орбите автономными роботами.
Это означает доставку двух миллионов заранее собранных модулей SPS Alpha весом от 3 до 4 килограммов с низкой околоземной орбиты (НОО) на геостационарную орбиту (ГСО), возможно, при помощи космических буксиров с ионным двигателем. На ГСО огромная карбоновая композитная конструкция сможет развернуться, создавая решётчатую раму, в которую можно будет вставлять солнечные панели или модули антенн.
По словам Мэнкинса, помимо снижения стоимости запусков, появление массового производства космических аппаратов означает, что создание миллионов модулей станет теперь возможным – что воплощено в мега группировках Starlink, OneWeb и Kuiper Systems.
В процессе своего независимого анализа он вычислил, что каждый Starlink стоит 1000 долларов за килограмм производства. В отличие от этого, он оценивает, что NASA потратило 1 миллион долларов за килограмм на проектирование и строительство космического телескопа им. Джеймса Уэбба из-за масштабности процесса системной инженерии и производства, направленного на обеспечение его надежности.
«Две вещи, которые сделала SpaceX, являются чрезвычайно важными для космической солнечной энергетики — это низкая стоимость оборудования, его долговечность и многоразовость, — говорит он. — Секрет Falcon 9 не только в том, что её можно использовать до 20 раз, но и в том, что оборудование само по себе массово производится: двигатели, баки — всё это дешёво. Когда Starship полетит, будь то в этом месяце или когда-либо, с ним будет похожая история».
Солто указывает на ещё одно преимущество — отказоустойчивость. Космическая среда сама по себе довольно сурова. Микрометеориты и космическая погода приводят к отказам системы. Но если у вас есть гипермодульная структура, она чрезвычайно отказоустойчивая. Модуль может выйти из строя, и это не повлияет на соседние модули — нет единой точки отказа.
Спираль против гелиостатов
Дополнительно к SPS Alpha Мэнкинса, есть и второй важный подход к созданию спутников для добычи космической солнечной энергии, использующий современную, отказоустойчивую и надёжную гипермодульную конструкцию, над которым работает Space Energy Initiative из Великобритании. Он называется CASSIOPeiA, что расшифровывается как Constant Aperture Solid-State Integrated Orbital Phased Array, и разрабатывается Иэном Кэшем, главным инженером компании International Electric, занимающейся беспроводной и возобновляемой энергетикой и располагающейся близ Оксфорда.
Оба проекта — SPS Alpha и CASSIOPeiA — имеют мощность 2 ГВт, но спутник SPS Alpha будет иметь массу в 7,5 миллиона килограммов, тогда как CASSIOPeiA будет весить «всего» 2 миллиона. Основная причина такого различия заключается в их разных способах отражения света на солнечные панели и ориентации на орбите. Ключевым моментом для солнечной электростанции является то, что солнечный рефлектор, направляющий солнечный свет на массив солнечных панелей, всегда обращён к Солнцу, а фазированная антенна всегда направлена на свою заданную ректификационную антенну — или ректенну — на Земле.
Основные элементы конструкции SPS Alpha будут прикреплены к обоим концам 5-километровой балки. На обращённой к Земле стороне диаметром в 1,7 километров будет располагаться слой фазированных антенн, направленных в сторону нашей планеты, чтобы отправлять микроволновый луч вниз, тогда как массив солнечных панелей, расположенный непосредственно над ними, будет поглощать солнечный свет, направляемый на него огромным устройством на другом конце балки: конусообразной оболочкой диаметром 3 километра, содержащей тысячи поворотных отражателей, известных как гелиостаты.
Каждый гелиостат может независимо регулировать свой угол наклона, чтобы гарантировать, что свет всегда падает на солнечные панели. Конусообразная оболочка также обеспечивает увеличение солнечного потока в два-три раза по сравнению с центровкой панелей на солнце без помощи гелиостатов. Кроме того, наличие тысяч гелиостатов обеспечивает устойчивость к повреждениям от космического мусора и микрометеороидов.
Мэнкинс представил свой третий вариант возможной конструкции SPS Alpha на Международном астронавтическом конгрессе 2021 года в Дубае. Это именно та конструкция, которую, как он надеется, выберет Австралия. Однако что-то в ней насторожило Кэша, аэрокосмического инженера и члена Британского межпланетного общества.
Испытания технологий космической солнечной энергетики на орбите
В последние годы в рамках двух различных проектов по добыче солнечной энергии и её преобразования в микроволны были запущены на низкую околоземную орбиту два демонстратора технологий в ожидании того дня, когда эти микроволны будут направлены на Землю для преобразования их в электричество.
Photovoltaic Radio Frequency Antenna Module, PRAM, размером с коробку для пиццы, разработанный Лабораторией исследований ВМС США, успешно работал в течение 30 месяцев на борту космического корабля X-37B, миссия которого закончилась в ноябре. Модуль имеет толщину 6 сантиметров и состоит из слоя солнечных панелей и недорогой радиочастотной электроники для преобразования постоянного тока в микроволновые сигналы. Однако, из-за опасений навредить системам X-37B или другим научным экспериментам, микроволны не передавались на Землю. Вместо этого, радиоэнергия поступала в фиктивную антенну на его борту, где её измеряли.
Главной задачей была проверка живучести этих компонентов при повторном переходе из под жаркого солнечного света в холодную земную тень. «Они не показали значимого ухудшения со временем, даже при циклическом изменении температуры во время двух с половиной лет миссии X-37B», — рассказывает Пол Джаффе, главный инженер PRAM в Исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне, округ Колумбия. Организация планирует представить результаты исследования PRAM в октябре на Международном астронавтическом конгрессе в Азербайджане.
Согласно статье, такие плитки, как PRAM, которые объединяют солнечные панели, системы управления и антенны в едином и легко воспроизводимом блоке, могут в будущем быть установлены на гипермодульных космических солнечных электростанциях, подобных SPS Alpha. Однако, это не является целью Исследовательской лаборатории ВМС США. Вместо этого там исследуют возможность создания меньших космических солнечных систем, передающих энергию на передовые базы и зоны бедствий.
Вторая концепция, Caltech’s Space Solar Power Demonstrator, был запущена в космос в январе на борту ракеты SpaceX. По словам соучредителям проекта Серджио Пеллегрино, конструкция SSPD сильно отличается от «традиционной» космической солнечной электростанции огромной массы и высокой стоимости. Она представляет собой свободно парящие ультралёгкие плоские модули, которые могут быть запущены в большом количестве, вместо единственной массивной орбитальной электростанции. Они будут состоять из ультратонких гибких композитных мембран размером 60 на 60 метров, которые развертываются на орбите, с солнечными панелями на одной стороне, электроникой для микроволновой энергии внутри и нижней частью, усыпанной антеннами для передачи микроволн.
Позже в этом году начнутся космические испытания отдельного модуля SSPD от Калифорнийского технологического института, когда космический аппарат Momentus, на котором он будет размещён, полностью введут в эксплуатацию. Однако, по словам Пеллегрино, их контроллеры уже «общаются со своими полезными нагрузками». В рамках испытаний этого модуля, будут протестированы 32 типа солнечных панелей на пригодность к использованию на мембране, а также гибкий передатчик микроволнового диапазона будет осуществлять свободное направленное воздействие на две цели, находящиеся на борту.
В рамках проекта SSPD также будут проведены испытания развёртывания гибкой мембраны размером 2 на 2 метра, для которой, по словам Пеллегрино, Калифорнийский технологический институт обратился за вдохновением к оригами. «Оригами предназначено для складывания цельных листов, в то время как киригами позволяет делать разрезы на поверхности. И нам нужны подобные разрезы, так же как и цельность определённых частей поверхности, но одновременно другие элементы определённо не будут полностью цельными».
Команда института надеется, что запасённой разрывной силы в углеродных волокнах и мембране, разрезанных по принципу киригами, будет достаточной для того, чтобы конструкция сама себя развернула.
«Тем не менее, нам все ещё нужно множество вращающихся деталей, чтобы отражать свет от солнца, и это означает, что у нас все ещё есть проблемы с надёжностью в течение срока службы из-за различных соединений, двигателей и подшипников, — говорит Кэш, — и все эти компоненты поворотных отражателей также делают конструкцию тяжелой».
Поэтому он создал CASSIOPeiA, используя конструкцию «твердотельного» типа без подвижных деталей, которые могут выйти из строя или вызвать проблемы с надёжностью на орбите. Вместо этого, вся она будет медленно вращаться вокруг Земли, с отражателями сверху и снизу, направляющими солнечный свет на комбинированный массив солнечных панелей и фазированную антенну, которая, благодаря трёхмерной форме массива, сможет излучать свой микроволновый сигнал в любом направлении на Землю.
Какая форма позволяет это сделать? Спираль.
Вместо плоского, кругового массива солнечных панелей и антенны на SPS Alpha, предлагаемый Кэш спиральный массив длиной 1,7 километра состоит из 50 000 слоёв солнечных панелей и антенн. Каждый слой имеет по одной панели сверху и снизу, а в середине находится оборудование, генерирующие микроволны. 50 000 слоёв в спиральном массиве, как говорит Кэш, представляют собой по сути печатные платы, которые разделены металлическими стержнями, выступающими в роли элементов фазированной антенны.
Суть этой конструкции заключается в том, чтобы по мере генерации энергии солнечными панелями сверху и снизу, фазировать сигналы к антенному массиву и направлять луч в любом направлении к земной антенне. Как говорит Кэш, вся космическая аппаратура, которая также легко поддается гипермодулярной роботизированной сборке, вполне надёжна, и ей нужно поворачиваться всего на один градус в день на орбите вокруг Земли, чтобы её отражатели всегда были обращены к Солнцу.
«Я думаю, что это умно, и я понимаю, что Иэн пытается сделать», — говорит Манкинс о проекте CASSIOPeiA, но добавляет, что это будет очень и очень трудно сделать.
Время, как говорится, покажет. Ещё один независимый наблюдатель, рассчитывающий на успех в области космической солнечной энергетики, — Питер Свон, президент консорциума Международного космического лифта со штаб-квартирой в Калифорнии. Он также надеется однажды обеспечить возможность запуска супертяжёлых спутников, но без неэкологичных выбросов Starship. Конечно, это зависит от появления жизнеспособной технологии подъёмника-троса, однако новый уникальный материал — графеновый суперламинат, являющийся последним технологическим чудом (после того, как углеродные нанотрубки не оправдали всех надежд), возможно поможет в этом.
Питер Свон одобряет то, что Великобритания видит в космической солнечной энергетики отличный способ создания высокотехнологичных рабочих мест, и что Европейский союз, в свете вторжения России в Украину, начинает осознавать, что в конечном итоге должен развивать источники энергии, которые он контролирует.
«Вы знаете,— говорит Свон, — Великобритания, Европейское космическое агентство и Европейский союз рано или поздно дойдут до того момента, когда начнут задавать себе вопросы: “Как это сделать?” и “Стоит ли это делать?”. И ответ, конечно же, будет однозначным: “Конечно же, мы обязаны это сделать”».