Вихід на ринок РН величезної багаторазової ракети Starship компанії SpaceX, а також прогрес у сфері роботизованої збірки космічних кораблів може нарешті втілити фантастичну мрію про космічні станції, які збиратимуть сонячну енергію та передаватимуть її на Землю у вигляді мікрохвиль. Наземна станція потім може перетворити ці хвилі на класичну для нас, але безвуглецеву електроенергію, яка задовольнить попит людства. Пол Маркс поспілкувався з фахівцями, які сподіваються реалізувати цю фантастичну ідею.
Серед тих, хто ретельно слідкуватиме за успіхами нержавіючого левіафана Ілона Маска, себто Starship, а саме, як він себе покаже на орбіті, є два конкуруючих, але споріднених однією темою табори розробників, одні працюють у Великій Британії, а інші – у США.
Кожна команда прагне визволити людство від полону викопного палива, запускаючи величезні супутники, які, не обмежені земним циклом дня і ночі та несприятливими погодними умовами, поглинатимуть величезну кількість сонячного світла своїми сонячними панелями. Згенеровану ними електроенергію перетворять на такої довжини мікрохвилі, щоб вони могли проникати крізь вологу атмосферу і потрапляти в гігантські колекторні антени на поверхні. Там мікрохвилю можна миттєво перетворити назад в електроенергію, щоб подавати гігавати енергії в наші електромережі.
Конкуруючі концепції космічної сонячної генерації мають чимало відмінностей, але їх об’єднують дві важливі взаємопов’язані вимоги: можливість виробляти комплектуючі цих систем у величезній кількості на Землі й монтувати їх у космосі, а також експлуатація людством систем придатних для підйому величезного корисного навантаження, аби доставити необхідні матеріали й комплектуючі на високі орбіти, де зібрані станції поглинатимуть сонячні промені.
Джерело: International Electric Co.
Ось тут нам і потрібна РН Starship з її надважким бустером Super Heavy і космічним кораблем Starship на другому ступені. З заявленою вантажопідйомністю 150 000 кілограмів на низьку навколоземну орбіту в багаторазовому режимі й 250 000 кілограмів в одноразовому варіанті, саме на цього монстра й чекали прибічники космічної сонячної енергії. Кампанія тестових польотів Starship тільки підігріває їхній інтерес: Генеральний директор SpaceX Ілон Маск 16 березня написав у Twitter, що перша спроба орбітального запуску відбудеться «наприкінці третього тижня квітня», за умови, що FAA надасть ліцензію на запуск.
Всі з нетерпінням чекали цієї події. «Starship змінить правила гри з погляду потужності та економічності», – вважає Мартін Солтау, співголова Space Solar, компанії, створеної британським органом, який займається розвитком космічних стартапів. Перед компанією стоїть завдання розробити та, врешті-решт, запустити британську космічну сонячну електростанцію з 25 супутників, загальною потужністю 50 гігаватів.
Якщо SpaceX зможе довести надійність Starship та матиме достатньо космічних апаратів, Солтау прогнозує, що приблизно 60% капітальних витрат на збірку сузір’я становитимуть витрати на запуск. Він додає, що так знизити витрати на запуск раніше, в часи до багаторазового використання РН, було практично неможливо, адже тоді запуск одноразових космічних апаратів коштував від 20 000 доларів за кілограм на низьку навколоземну орбіту – проти сьогоднішніх 1500 доларів для Falcon Heavy, однак ціна буде знижуватись і надалі.
«SpaceX будує великий флот кораблів Starships для своїх марсіанських місій, – каже Солтау. «Потенційно вони матимуть багато ракет, які простоюють без діла і не приносять багато прибутку [у проміжках між польотами на Марс], тому космічна сонячна енергія може створити для них величезний попит».
Власне, за його словами, Space Solar вже «мала кілька дуже успішних переговорів зі SpaceX», і компанія «дуже, дуже зацікавлена в космічній сонячній енергетиці, як потенційному майбутньому ринку запусків. Але це тільки початок.»
SpaceX не відповіла на запит прокоментувати ці переговори й поділитися своїми поглядами щодо космічної сонячної енергетики.
Генерація астроелектроенергії
Отже, що власне сподіваються запустити британські та американські інженери? Конкретно, космічна сонячна енергетична система має працювати за наступною схемою:· Виводиться сузір’я модульних, кілометрового розміру, супутників, які збирають сонячну енергію, кожен з яких має масу в тисячі метричних тонн, тому їх запускатимуть по частинах і збиратимуть на орбіті роботизованими системами;· Кожен супутник збирає сонячну енергію на фотоелектричних елементах, перебуваючи на геостаціонарній, геосинхронній або високо еліптичній орбіті, де сонячне світло можна збирати 99% часу повного оберту;· Електронна апаратура на кожному супутнику перетворюватиме згенеровану сонцем електроенергію на широкий мікрохвильовий промінь, який спрямовуватиметься пілотним променем із землі до визначеної точки на поверхні за допомогою фазованої антенної решітки супутника;· Для кращої безпеки щільність потоку енергії на рівні землі доводять щонайменше до 250 Вт на квадратний метр, що складає чверть інтенсивності найсильнішого сонячного випромінювання в безхмарному небі опівдні на екваторі;· Антенна решітка діаметром близько 5 кілометрів на Землі, яка б перетворювала отриманий змінний електромагнітний мікрохвильовий енергетичний промінь на постійний струм, генерує гігавати електроенергії.
Така система могла б подолати головну проблему використання електростанцій на відновлюваних джерелах енергії, а саме переривчастість генерації в таких системах, адже сонячні електростанції не працюють вночі або в хмарну погоду, а вітрові турбіни можуть раптово зупинятися на тижні, коли затихає вітер, що змушує операторів енергомереж збільшувати генерацію від викопних видів палива. І що важливо, працюючи далеко від земної атмосфери й при майже нескінченному сонячному світлі, приймальні станції можуть надійно постачати в систему те, що в енергетиці називають «базовим навантаженням» – мінімальний рівень постійної потужності, якої потребують споживачі електромережі.
Таким чином, послідовники ідеї космічної сонячної енергетики пропонують поєднувати наземні вітрові турбіни та сонячні батареї з супутниками-колекторами в космосі, що зрештою сприятиме зменшенню викидів парникових газів, оскільки зникне потреба в нафтових, газових та вугільних електростанціях.Такі перспективні проєкти не залишилися поза увагою урядів. Великобританія створила групу фахівців «Ініціатива космічної енергетики» (Space Energy Initiative) для розвитку космічної сонячної енергетики задля досягнення нульового рівня викидів вуглекислого газу до 2050 року. Сьогодні в SEI вже близько 75 учасників – переважно представники університетів, космічних та енергетичних компаній, серед яких Імперський коледж Лондона, Airbus Defence and Space та британська енергетична компанія National Grid.
Джерело: John C. Mankins
«Тут об’єднуються енергетичний і космічний сектори, – розповідає Солтау. «Вони настільки різні, що майже не взаємодіють між собою, а отже, і не розуміють один одного.»
Програма SEI розпочалася після того, як Солтау, який працював аналітиком у британській технологічній консалтинговій компанії Frazer-Nash, завершив техніко-економічне обґрунтування проєкту для уряду Великої Британії. Солтау разом з колегами дійшов висновку, що космічна сонячна енергетика є «технічно можливою і може запрацювати до 2040 року», зокрема завдяки появі багаторазових важких ракет-носіїв та вдосконаленню технологій сонячних панелей і антен.
Так, до 2030 року Space Solar Limited планує запустити демонстраційний супутник потужністю 6 мегаватів, здатний передавати енергію на наземну станцію, а до 2035 року здійснити запуск і ввести в експлуатацію перший сонячний енергетичний супутник потужністю 2 гігавати. У рамках підготовчого етапу учасники SEI та уряд Великої Британії планують виділити по 6 мільйонів фунтів стерлінгів (7,3 мільйона доларів США) на «вдосконалення» проєктів, спрямованих на адаптацію технологій бездротового передавання енергії та фотоелектричних систем для демонстраційного супутника. Крім того, Департамент енергетичної безпеки уряду Великої Британії та організація Net Zero також намагаються залучити великі інвестиції в космічну сонячну енергетику на міжнародному рівні і наразі ведуть переговори з Саудівською Аравією щодо вкладень у цей проєкт.
По той бік океану, інший великий гравець, США, вже працює над низкою проєктів з космічної сонячної енергетики. Наприклад, Каліфорнійський технологічний інститут і Військово-морська дослідницька лабораторія США у Вашингтоні, округ Колумбія, вже запустили окремі компоненти системи для отримання космічної сонячної енергії на низьку орбіту для проведення перших випробувань. Дослідницька лабораторія ВПС США в Огайо також збирається експериментувати з випромінюванням енергії в космосі. У Китаї та Японії подібні програми ведуться вже десятиліттями, а в Австралії компанія Solar Space Technologies досліджує потенціал космічної сонячної енергетики.
В цей час у Європі тривають роботи щонайменше над двома пробними проєктами космічної сонячної енергії. Європейське космічне агентство минулого року розпочало ініціативу Solaris, «щоб підготувати Європу до майбутніх рішень у галузі космічної сонячної енергетики» вже до 2025 року. Каліфорнієць Джон Менкінс, один з провідних піонерів космічної сонячної енергетики, розповідає, що в рамках науково-дослідної програми Європейського Союзу Horizon R&D також ведуться роботи на цю тему. Ми попросили його коротко розповісти про потенціал цієї ініціативи. Він відповів, що ЄС особливо зацікавився можливістю передавати космічну сонячну енергію на космічні апарати в навколоземному та навколомісячному просторі й на поверхню Місяця.
Солтау припускає, що хоча ЄС, ймовірно, врешті-решт реалізує повномасштабну космічну сонячну програму, Великобританія має розвивати власні проєкти космічної сонячної енергії. Чому? Після Brexit Британія не хоче знову ризикувати залишитися на морозі, як це вже сталося з доступом до навігаційної супутникової мережі ЄС Galileo після того, як громадяни Великобританії проголосували за вихід із союзу. Тому на думку британців, найкращою політикою є самостійне створення космічної енергетичної програми.
Науково-фантастичні витоки
Айзек Азімов першим описав космічну сонячну енергію у своєму оповіданні Reason 1941 року (прим.перек.: у перекладі видавалося під назвою «Логіка»). В оповіданні йшлося про робота-злочинця на Сонячній станції №5 – космічній станції для збору сонячної енергії, яка мала «одну милю в поперечнику» і надсилала енергію у вигляді щільно сфокусованого, надзвичайно гарячого променю до антени на Землі. Робот перехоплює контроль над управлінням променем у людей-операторів станції, і цілі міста можуть згоріти, якщо робот замислив недобре.
Вигадка Азімова надихнула Пітера Глейзера з інженерної консалтингової компанії Arthur D. Little у штаті Массачусетс написати у 1968 році статтю для журналу Science. Він дійшов висновку, що космічну сонячну енергетику в принципі можна розвивати, але не за допомогою технологій епохи пізнього Аполлона. Чому? Один супутник із сонячним колектором завширшки 6 кілометрів, який подає енергію через безопорні надпровідники на 2-кілометрову антену мікрохвильового передавача з важких металів, мав би абсурдну масу в 81,5 мільйона кілограмів. Уявіть на мить, що хтось вирішив би запускати ці компоненти на орбіту на борту космічних шатлів. У 1981 році це коштувало б 85 000 доларів за кілограм, тобто майже 7 трильйонів доларів за один супутник.
У 1970-х і 1980-х роках Міністерство енергетики США і NASA знову взялися за це питання, але невдовзі відкинули цю ідею через недосконалість тогочасних технологій. Однак у 1990-х роках NASA знову повернулося до цієї ідеї, щонайменше на папері, і доручило Менкінсу, одному з провідних інженерів у галузі перспективних концепцій, по-новому поглянути на доцільність космічної сонячної енергетики. У 1997 році він дійшов висновку, що ця ідея нарешті відповідає часу та стала реальним варіантом для промислового виробництва електроенергії.
У 2011 році, після того, як Менкінс залишив NASA і заснував власний консалтинговий проєкт, він знову отримав замовлення від Інституту перспективних концепцій NASA, цього разу на визначення технічної та економічної доцільності запропонованого ним самим проєкту космічного супутника для генерації сонячної електроенергії. Модульна конструкція під назвою SPS Alpha, скорочено від Супутник сонячної енергії обладнаний великою фазованою решіткою (Solar Power Satellite via an Arbitrarily Large Phased Array), стала вже легендою в колах фахівців з космічної сонячної енергетики, і Менкінс регулярно оновлює її в міру того, як еволюціонують технології. Окрім супроводу американських проєктів, Менкінс також консультував ЄКА, ЄС, Велику Британію та австралійський проєкт Space Solar Technologies, партнером якого він зараз є.
«Основна ідея SPS Alpha полягала в тому, що якщо ви можете скласти дуже великі конструкції з модульних частин, які можна виробляти масово, тож вартість такої великої системи може бути набагато нижчою, ніж може здаватися, на перший погляд», – каже Менкінс.
Джерело: SpaceX
До таких модульних частин належать сонячні панелі, мікрохвильові підсилювачі, модулі фазованих антенних решіток, рефлектори й двигуни, які спрямовують рефлектори на Сонце, і навіть фермові конструкції, які утримують все це разом. Такий «гіпермодульний» підхід, як його називає Менкінс, дозволить будувати супутник на орбіті за допомогою автономних машин.
Отже, перед SPS Alpha стоїть завдання доставити два мільйони попередньо зібраних модулів, кожен з яких важить 3-4 кілограми, з низької навколоземної на геостаціонарну орбіту, можливо, за допомогою космічних буксирів на іонних двигунах. На геостаціонарній орбіті величезний каркас з вуглецевого композиту можна наростити, доєднуючи до нього нові модулі. Зрештою, зібраний решітчастий каркас можна оснастити сонячними панелями або модулями антен.
Окрім зниження вартості запуску, поява масового виробництва космічних апаратів означає, що заробляти мільйони можна вже зараз, і цей довгоочікуваний технологічний перехід «уособлюють мегасузір’я Starlink, OneWeb і Kuiper Systems», – переконаний Менкінс.
У своєму незалежному аналізі він підрахував, що виробництво кожного Starlink коштує 1000 доларів за кілограм. Для порівняння, за його оцінками, NASA витратило 1 мільйон доларів за кілограм на проєктування і будівництво космічного телескопа Джеймса Вебба «через те, що процес проєктування і виробництва систем був дуже ретельним, аби гарантувати, що вони не вийдуть з ладу».
«Дві речі, які зробила SpaceX, надзвичайно важливі для космічної сонячної енергетики: недороге обладнання на супутниках та багаторазові системи з тривалим терміном служби», – пояснює експерт.» «Хитрість Falcon 9 полягає не тільки в тому, що ви можете запускати її по 20 разів, але й у тому, що саме обладнання виробляється масово: двигуни, баки – всі компоненти доволі дешеві. Такий же принцип працює і зі Starship.»
Солтау згадує ще одну перевагу – стійкість. «Космос – це суворе середовище, де мікрометеорити та космічна погода призводять до збоїв. І якщо у вас є гіпермодульна структура, вона дуже, дуже стійка. Окремий модуль може вийти з ладу, і це не вплине на сусідні модулі. Тут немає точки, виведення з ладу якої, зламає всю систему.»
Спіральна схема проти геліостатів
Крім SPS Alpha Менкінса, в рамках Британської Ініціативи космічної енергетики розробляється другий великий проєкт космічного супутника з промисловою генерацією від сонячних панелей, який використовує сучасну, стійку і надійну гіпермодульну конструкцію. Цей проєкт під назвою Твердотільна інтегрована орбітальна фазована решітка з постійною апертурою (Constant Aperture Solid-State Integrated Orbital Phased Array) або CASSIOPeiA розробляє Ян Кеш, головний інженер компанії International Electric Co, яка базується неподалік від Оксфорда і займається бездротовою енергетикою та відновлюваними джерелами енергії.Обидва проєкти розраховані на 2-гігаватну потужність, але загальна маса супутника SPS Alpha становитиме 7,5 мільйона кілограмів, тоді як CASSIOPeiA – 2 мільйони кілограмів. Причина такої разючої розбіжності маси полягає в тому, що сонячні батареї по-різному поглинають світло, а супутники по-різному зорієнтовані на орбіті. Для сонячного супутника критично важливим фактором є розміщення рефлектора, який спрямовує сонячне світло на масив сонячних елементів, тож рефлектори завжди орієнтовані на Сонце, тоді як антена фазованої решітки завжди направлена на визначену випрямляючу антену або ректену на Землі. Два ключові елементи SPS Alpha мають кріпитися на обох кінцях 5-кілометрової ферми. На кінці, зверненому до Землі, шар фазованих антенних решіток діаметром 1,7 кілометра спрямованих до Землі, в той час, як масив сонячних панелей, розміщений безпосередньо над антенами, поглинатиме сонячне світло, спрямоване на них величезними пристроями на іншому кінці ферми: конусоподібною конструкцією шириною 3 кілометри, обладнаною тисячами керованих рефлекторів, які називають геліостатами. Електродвигуни регулюють положення кожного окремого геліостата, щоб сонячне світло постійно спрямовувалося на визначену сонячну панель, крім того, конусоподібна конструкція гарантує, що сонячний потік буде у два-три рази вищим, ніж якщо сонячну панель спрямувати на Сонце напряму. Тисячі геліостатів дозволяють системі працювати навіть за отримання пошкоджень від космічного сміття і мікрометеоритів. Зараз Менкінс працює над третьою версією дизайну SPS Alpha, яку він представив на Міжнародному астронавтичному конгресі 2021 року в Дубаї. Він сподівається, що саме її обере австралійська компанія. Але дещо в цьому дизайні непокоїть Кеша, аерокосмічного інженера і члена Британського міжпланетного товариства.
| Випробування технологій космічної сонячної енергетики на орбіті Нещодавно на низьку навколоземну орбіту вивели демонстратори обох концепцій збору сонячного світла і перетворення його на мікрохвилі, аби наблизити той час, коли мікрохвилі можна буде спрямовувати на Землю та перетворювати на електроенергію. Фотоелектричний радіочастотний антенний модуль розміром з коробку для піци (PRAM) від Військово-морської науково-дослідної лабораторії США, знаходився на орбіті протягом 30 місяців на борту космічного літака X-37B, місія якого завершилася в листопаді. Плитка товщиною 6 сантиметрів мала шар сонячних батарей поверх пласта дешевої радіочастотної електроніки для перетворення енергії постійного струму в мікрохвильові сигнали. Однак мікрохвилі не транслювалися на Землю через побоювання, що вони завадять роботі систем X-37 або іншим експериментам, які там проводилися, тому електроніка подавала радіовипромінювання на бортову імітаційну антену, де воно і вимірювалося. Великий сумнів викликало те, як ці компоненти витримають численні стрибки температури від переміщення з під сонячного світла у холодну тінь Землі. «Вони не продемонстрували значної деградації з часом, навіть в умовах циклічних перепадів температур, які супроводжували більшу частину дворічної місії X-37B», – розповідає Пол Джаффе, головний дослідник PRAM у Військово-морській дослідницькій лабораторії у Вашингтоні, округ Колумбія. NRL збирається повідомити про результати PRAM у жовтні під час Міжнародного астронавтичного конгресу в Азербайджані. Такі панелі, як PRAM, які складаються з сонячних елементів, керуючої електроніки та антен в одному легко відтворюваному блоці, колись можливо встановлюватимуть на гіпермодульних космічних супутниках сонячної енергії, таких як SPS Alpha, але мета NRL полягає в іншому. Команда досліджує можливість створення невеликих космічних сонячних установок, які будуть передавати енергію на оперативні бази і в зони стихійних лих. Другу концепцію реалізували в Демонстраторі космічної сонячної енергії Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech Space Solar Power Demonstrator), який досягнув орбіти в січні цього року на ракеті-носії SpaceX. За словами Серджіо Пеллегріно, співдиректора проєкту, дизайн SSPD відрізняється від «традиційної архітектури» важких і дорогих космічних сонячних установок. Замість однієї масивної орбітальної електростанції Каліфорнійський технологічний інститут пропонує надлегкі, вільно літаючі плоскі конструкції, які можна запускати у великій кількості. Ці конструкції з надтонких, гнучких композитних мембран розміром 60 на 60 метрів поступово розгортаються на орбіті, зокрема відкривають сонячні батареї з одного боку, активують мікрохвильову електроніку всередині і висувають нижню частину, оснащену мікрохвильовими передавальними антенами. Планується, що установку SSPD Калтеху випробують на орбіті пізніше цього року, як тільки космічний транспортний блок Momentus повністю введуть в експлуатацію, хоча Пеллегріно каже, що їхні диспетчери вже «обговорюють деталі з надавачами корисного навантаження». Апарат випробує 32 типи сонячних панелей щодо ефективності їх використання на мембрані, а масив гнучких мікрохвильових передавачів має здійснити сфокусовану передачу сигналу у відкритому космосі до двох бортових приймачів. SSPD також спробує розгорнути гнучку мембрану розміром 2 на 2 метри, на створення якої фахівців з Калтеху надихнув приклад орігамі, розповідає Пеллегріно. «Орігамі складається з суцільних аркушів, в той час як кірігамі це ще й розрізи на поверхні. І нам потрібні саме такі розрізи, адже в певних місцях нам треба мати суцільну поверхню, а в інших частинах – переривчасту». Команда Калтеху сподівається, що енергії деформації, закладеної у вуглецевому волокні та пластиковій, вирізаній на манер кіригамі мембрані, буде достатньо для її саморозгортання. Пол Маркс |
«В конструкції безліч обертових частин, які викривляють сонячне світло, а це означає, що у вас будуть проблеми з надійністю протягом усього терміну експлуатації, пов’язані з різними з’єднаннями, двигунами й підшипниками, – каже Кеш, – на додачу, всі ці рухомі компоненти рефлектора значно збільшують його масу.»
Тому він створив проєкт CASSIOPeiA. Це – «твердотіла» конструкція без рухомих частин, які можуть зношуватися або критично впливати на надійність системи вже на орбіті. Натомість вся конструкція повільно обертатиметься, а рефлектори зверху і знизу спрямовуватимуть сонячне світло на комбіновану сонячну батарею і фазовану антену, яка, завдяки своїй 3D-формі, зможе випромінювати мікрохвильовий сигнал на Землю незалежно від її орієнтації відносно планети.
Тож яка форма потрібна такому супутнику? Спіраль.
Замість плоскої, круглої структури сонячних панелей та антен на SPS Alpha, 1,7-кілометровий спіральний масив, який пропонує Кеш, складатиметься з 50 000 блоків сонячних панелей та антен. Кожен блок матиме сонячну панель згори й знизу, а посередині – мікрохвильову генеруючу установку. За словами Кеша, 50 000 блоків гвинтового масиву будуть розділені металевими стрижнями, які виконуватимуть роль антенних елементів фазованої решітки. Кожен блок масиву фактично буде друкованою платою.
Ідея цієї конструкції полягає в тому, що коли постійно освітлені верхні та нижні сонячні батареї генерують енергію, фазування сигналів на антенну решітку дозволяє спрямовувати промінь у будь-якому напрямку, а саме в місце, де знаходиться наземна антена. Весь космічний апарат можна вважати гіпермодульним, адже складання передбачає залучення роботизованої збірки. Конструкція апарату жорстка, але на орбіті супутнику достатньо обертатися лише на один градус за добу, щоб рефлектори лишались спрямовані на Сонце, пояснює Кеш.
«Я гадаю, що ідея розумна, і я розумію, що Ян намагається зробити», – ділиться Менкінс з CASSIOPeiA, але додає, що «реалізувати такий проєкт занадто складно».
Як то кажуть, час покаже. Серед незалежних спостерігачів, які сподіваються на успіх космічної сонячної енергетики, є Пітер Свон, президент Міжнародного консорціуму космоліфтів, який розташований у Каліфорнії. Пітер сподівається, що одного дня зможе постачати «збирачам» супутників необхідні матеріали на надважких ліфтах, без шкідливих викидів від польотів Starship. Звичайно, вся концепція залежить від появи технології виробництва надійного ліфтового троса. В моді зараз говорити про графеновий суперламінат – останній матеріал-вундеркінд (згадаємо, що вуглецеві нанотрубки, які не виправдали великих сподівань).
Свон приємно вражений, що Великобританія розглядає космічну сонячну енергетику як можливість створити високотехнологічні робочі місця, і що ЄС після вторгнення Росії в Україну, схоже, нарешті визнав, що треба розвивати ті джерела генерації енергії, над якими він має повний контроль.
Свон підсумовує: «Знаєте, Великобританія, ЄКА і ЄС дійшли до того, що ставлять перед собою питання: «Як нам це зробити?» і «Чи варто воно того?». І відповідь очевидна: «Так, ми мусимо це зробити.»
За авторством Пола Маркса