Nosūtiet to uz leju

Kosmosā saule vienmēr spīd spoži. Neviens mākonis neaizsedz saules starus, un nav nakts. Saules kolektori, kas uzstādīti uz orbītas pavadoņa, tādējādi ražotu enerģiju 24 stundas diennaktī, 365 dienas gadā. Ja šo spēku varētu nodot zemei, tad pasaules enerģētikas problēmas varētu atrisināties uz visiem laikiem.

Saules enerģijas satelītus (SPS) kā risinājumu naftas krīzēm 1970. gados sākotnēji ierosināja čehu-amerikāņu inženieris Pīters Glasers, pēc tam Arthur D. Little. Gleisers iztēlojās 50 kvadrātkilometru lielus saules bateriju blokus, kas izvietoti uz satelītiem, kas riņķo 36 000 kilometrus virs fiksētiem punktiem gar ekvatoru. Satelītam šajā ģeosinhronajā augstumā ir nepieciešamas 24 stundas, lai riņķotu ap Zemi, un tādējādi tas visu laiku paliek fiksēts virs viena un tā paša zemes punkta.

Ideja bija eleganta. Satelīta fotoelementi pārvērstu saules gaismu elektriskajā strāvā, kas savukārt darbinātu iebūvēto mikroviļņu ģeneratoru. Mikroviļņu stars ceļotu caur telpu un atmosfēru. Uz zemes virkne taisngriežu antenu jeb rectennas savāktu šos mikroviļņus un iegūtu elektroenerģiju vietējai lietošanai vai sadalei caur parastajiem komunālajiem tīkliem.

Tehnoloģija, kā sākotnēji bija iecerēts, radīja biedējošus tehniskus šķēršļus. Lai efektīvi pārsūtītu elektroenerģiju no satelīta, kas atrodas ģeosinhronā orbītā, uz satelīta klāja ir nepieciešama raidīšanas antena, kuras diametrs ir aptuveni viens kilometrs, un uztveršanas antena uz zemes aptuveni 10 kilometru diametrā. Šāda mēroga projekts satrauc prātu; valdības finansēšanas aģentūras izvairījās ieguldīt milzīgas summas projektā, kura dzīvotspēja bija tik neskaidra. NASA un Enerģētikas departaments, kas bija sponsorējis provizoriskus dizaina pētījumus, zaudēja interesi 1970. gadu beigās.

Tomēr pēdējos gados sakaru nozare ir paziņojusi par satelītu projektiem, kas liecina, ka ir pienācis laiks pārskatīt saules enerģijas satelīta ideju. Līdz nākamā gadsimta sākumam sakaru satelītu bari riņķos ap Zemi nelielā augstumā, pārraidot balsi, video un datus uz visattālākajām vietām uz Zemes. Šie satelīti pārraidīs sakaru signālus uz zemi ar mikroviļņu stariem. Elektriskās jaudas pārraide ar mikroviļņu staru tika demonstrēta jau 1963. gadā, un jaudas un datu projicēšana pa vienu un to pašu mikroviļņu staru kūli ir vismodernākā. Kāpēc neizmantot vienu un to pašu staru elektrības pārvadei?

Jaunie sakaru satelīti riņķos tikai dažu simtu jūdžu augstumā. Tā vietā, lai lidināties virs vietas uz ekvatora, zemas orbītas satelīti apgriež pasauli tikai 90 minūšu laikā, izsekojot ceļus, kas svārstās ap ekvatoru, paceļoties un nolaižoties līdz pat 86 platuma grādiem. Tā kā tie atrodas tuvāk zemes virsmai, satelīta saules kolektori var būt pāri simtiem metru, nevis 10 kilometrus. Un tā kā to radītie mikroviļņu stari izkliedētos daudz mazāk nekā tie, ko rada ģeosinhronie satelīti, zemes taisnās līnijas varētu būt attiecīgi mazākas un lētākas. Izmantojot šīs sakaru satelītu flotes un izmantojot to mikroviļņu raidītājus un uztvērējus, zemes stacijas un vadības sistēmas, saules enerģijas tehnoloģija var kļūt ekonomiski dzīvotspējīga.

Zema zemes orbīta tomēr rada savas grūtības. Tā kā tie tik ātri riņķo ap planētu, zemas orbītas satelītiem ir jābūt izsmalcinātām datorvadāmām sistēmām, lai pielāgotu mikroviļņu stara mērķi tā, lai tas nonāktu uztveršanas stacijā. Šiem satelītiem būs jāizmanto sarežģītas elektroniskās sistēmas, ko sauc par fāzu blokiem, lai nepārtraukti atkārtoti mērķētu izejošo staru.

Enerģija attīstībai

Pieprasījums pēc kosmosa saules enerģijas varētu būt ārkārtējs. Saskaņā ar dažām aplēsēm līdz 2050. gadam pasaulē apdzīvos 10 miljardi cilvēku, no kuriem vairāk nekā 85 procenti jaunattīstības valstīs. Lielais jautājums: kā mēs varam vislabāk nodrošināt cilvēces pieaugošās enerģijas vajadzības ar vismazāko negatīvo ietekmi uz vidi?

Meklēju lētu izlaišanu

Viens no svarīgiem apsvērumiem, plānojot kosmosa enerģiju, ir satelīta nosūtīšanas orbītā izdevumi. Šobrīd objekta nosūtīšana kosmosā maksā tūkstoš reižu dārgāk nekā tā pārlidošana ar komerciālu lidmašīnu, lai gan abiem darbiem ir vajadzīgs aptuveni vienāds enerģijas daudzums — aptuveni 10 kilovatstundas uz kilogramu kravnesības. Papildu izmaksas rada divi faktori: inženieru un zinātnieku armija, kas nepieciešama veiksmīgai palaišanai kosmosā, un prakse pēc katra lidojuma izmest lielu daļu nesējraķetes.

Tomēr palaišanas izmaksas, visticamāk, samazināsies, jo palielinās pieprasījums pēc liela apjoma materiālu regulāras pacelšanas kosmosā: jo biežāk tiek izmantota palaišanas sistēma, jo zemākas ir lietošanas izmaksas. Turklāt NASA meklē jaunas paaudzes atkārtoti lietojamas nesējraķetes. Aģentūra nesen sponsorēja konkursu starp aviācijas un kosmosa darbuzņēmējiem par kosmosa transportlīdzekli ar potenciālu aviokompānijai līdzīgai darbībai. Uzvarēja Lockheed Martin Skunk Works, leģendāri novatori lidmašīnu dizainā no U-2 līdz Stealth iznīcinātājam. Uzņēmums Lockheed Martin plāno uzbūvēt un pārbaudīt 1 miljardu dolāru vērtu ķīļveida atkārtoti lietojamo X-33, kas ir pusotra izmēra un vienas astotās daļas masas nesējraķetes Venture Star versija, kas aizstātu kosmosa kuģus kravas nogādāšanai zemā orbītā. Mērķa palaišanas izmaksas ir 2200 USD par kilogramu, kas ir viena desmitā daļa no atspoles palaišanas. Par šādu cenu kosmosa enerģija varētu kļūt rentabla, ja satelīti darbotos dubultā kā sakaru releji un saules enerģijas avoti.

Saules enerģijas satelītam ātri jāatmaksā enerģija, kas nepieciešama, lai to novietotu orbītā. Sāciet ar konservatīvu pieņēmumu, ka saules enerģijas satelītu tehnoloģija uz zemes orbītā saražotu 0,1 kilovatu elektroenerģijas uz kilogramu masas. Tādā gadījumā enerģijas patēriņš 10 kilovatstundu uz kilogramu, lai satelītu paceltu orbītā, tiktu atmaksāti ar elektroenerģiju tikai pēc 100 stundām, kas ir mazāk nekā piecas dienas.
Viens no veidiem, kā samazināt palaišanas izmaksas, ir izmantot piepūšamu konstrukciju kā saules kolektoru. Tādējādi tiktu palielināts kolektora virsmas laukums, kas ir svarīgi, lai savāktu vislielāko saules enerģijas daudzumu, neuzliekot nesējraķetei lielu svara slogu. Deflācijas saules kolektorus var salocīt kompaktā telpā uz kosmosa kuģa; nonākot orbītā, gāze no spiediena konteinera uzpūstu konstrukciju.

Baloni kosmosā ir sens stāsts. Faktiski 1960. gada vēsturiskais satelīts, kas pazīstams kā Echo I, bija balons, ko izmantoja, lai radioviļņus atgrieztu uz Zemi. NASA tagad pēta piepūšamo konstrukciju iespējamību kosmosā antenām, saulessargiem un saules blokiem, lai gan ne tieši saules enerģijas satelītu sistēmām. Svarīgs eksperimentālais pavērsiens bija Space Shuttle Endeavour astronautu veiksmīgā izvietošana 1996. gada maijā Spartan Inflatable Antenna Experiment — 14 metrus gara antena, ko orbītā piepūš slāpekļa gāzes balons.

Tas nav tik liels solis no šāda eksperimenta līdz saules savākšanas satelītam, ko varētu salikt orbītā no piepūstiem segmentiem. Ja NASA izpēti par piepūšamām kosmosa struktūrām padarītu par augstu prioritāti, zināšanu bāze, lai izveidotu rentablus mazjaudas satelītus, varētu strauji attīstīties.

Viens solis vienlaikus

Sākumā saules enerģija, kas tiek pārraidīta no kosmosa, tiktu izmantota tikai, lai nodrošinātu minimālo elektrisko jaudu, kas nepieciešama uztvērēja stacijas elektronikas darbināšanai uz zemes, līdzīgi kā līnijas strāva nodrošina parastos tālruņus. Galu galā satelīti raidītu lielāku jaudu, kas varētu nodrošināt megavatus elektroenerģijas, kas būtiski veicinātu ciemata vai pat pilsētas apgādi.

Mērogošana līdz augstākiem jaudas līmeņiem būtu vienkārša, un tas vienkārši nozīmētu lielāka saules enerģijas savākšanas zonas izvietošanu kosmosā. Jauda tiktu pārsūtīta caur raidītāju un uztvērēju infrastruktūru, kas pēc tam tiks izmantota satelītu sakaru sistēmām. Šajā ziņā mikroviļņu pārraidei ir noteiktas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajām jaudas pārsūtīšanas kabeļa metodēm. Mikroviļņu sistēma, kuras efektivitāte ir 80 procenti, raidot 1 kilovatu, joprojām būs 80 procenti efektīva, nosūtot 1 megavatu. Tas būtiski atšķiras no elektrotīkla pārvades līnijas, kur jums ir nepieciešami biezāki un dārgāki vadi, lai nodrošinātu lielāku jaudu. Ja caur kabeli tiek ievadīta pārāk liela jauda, ​​izolācija izkusīs.

Daži baidās, ka saules enerģijas satelītu tīkls var pārvērst atmosfēru vienā lielā mikroviļņu krāsnī, pagatavojot visu, kas nonāk stara ceļā. Patiesībā mūsu piedāvātā mikroviļņu intensitāte būtu par kārtu zem sliekšņa, pie kura objekti sāk uzkarst. Cilvēki būtu pakļauti mikroviļņu iedarbībai, kas ir salīdzināma ar mikroviļņu krāsnīm un mobilajiem tālruņiem. Lai gan daži kritiķi uzskata, ka mikroviļņi nerada netermiskus draudus cilvēku veselībai, nav ticamu epidemioloģisku pierādījumu par mikroviļņu negatīvo ietekmi šādos zemajos līmeņos. Augstāks mikroviļņu starojuma līmenis būtu atrodams taisnās vietās, uz kurām ir fokusēti stari, bet žogi un brīdinājuma zīmes varētu norobežot šīs iespējamās briesmas. Bet saskaņā ar mūsu aprēķiniem mikroviļņu intensitāte pat taisnās līnijas perimetrā ietilpst diapazonā, ko Darba drošības un veselības pārvalde tagad uzskata par drošu.

Lielāka iespējamā problēma ir ierobežoto frekvenču koplietošana mikroviļņu spektrā. Motorola ir kritusi, piemēram, tāpēc, ka tās plānotā sistēma izmantos frekvences diapazonā no 1,616 līdz 1,626 gigahercu, kas gandrīz pārklājas ar 1,612 gigahercu frekvenci, ko astrofiziķi pieskaņo, vācot datus par kosmosu. Radioastronomi uztraucas, ka saules enerģijas satelīta radītie traucējumi pārņems salīdzinoši vājos signālus, ko viņi cenšas atklāt. Motorola sola ierobežot savu sakaru staru izplatīšanos radioastronomu frekvenču nišā, taču problēma uzsver faktu, ka mikroviļņu spektrs ir ierobežots resurss, ko greizsirdīgi sargā gan komerciālie, gan bezpeļņas lietotāji. Spektra piešķiršana ir jārisina nekavējoties un efektīvi, lai izvairītos no kosmosa enerģijas tehnoloģiju priekšlaicīgas izmantošanas, pirms tā ir dzimusi.

Tas, vai saules enerģijas satelīti kļūs par realitāti, galu galā būs atkarīgs no telekomunikāciju un elektroenerģijas pakalpojumu uzņēmumu vēlmes iesaistīties kosmosa enerģijas biznesā. Līdz šim neviena no nozarēm nav izrādījusi lielu interesi. Bet tad viņi lielākoties nezina par komerciālajām iespējām. Ir jāzina, ka pastāv iespēja to izvēlēties. Pirms trīsdesmit gadiem sakaru satelīti bija jaunums. Pirms desmit gadiem neviens nebija dzirdējis par internetu.

Skaidrs ir tas, ka pašreizējie centieni pēc ierobežojumu atcelšanas ir izraisījuši telekomunikāciju, datoru, kabeļtelevīzijas un komunālo pakalpojumu nozares, lai iekļūtu viena otras tirgos. Daži elektroenerģijas uzņēmumi vēlas iesaistīties telekomunikāciju biznesā, lai gūtu labumu no milzīgajām investīcijām vados un kabeļos, kas sasniedz gandrīz katru valsts ēku. Tikpat loģiski ir ierosināt sakaru uzņēmumiem ienākt elektroenerģijas biznesā. Praksē elektroenerģijas un sakaru uzņēmumu konsorciji piedāvāto tehnoloģiju varētu izstrādāt kopā.

Neviens šīs tehnoloģijas elements nerada būtisku klupšanas akmeni. Fotoelementu fizika un mikroviļņu ģenerēšana ir labi saprotama. Tomēr, lai pārietu uz nākamo posmu, būs jāpierāda, ka visas šīs sistēmas daļas var darboties kopā: saules paneļi, fāzētu bloku mikroviļņu antenas, uztveršanas stacijas, kas atdala datu signālus no strāvas stariem, un datori, kas norāda satelītiem, kur atrodas uz zemes, lai tie mērķētu starus. NASA varētu ārkārtīgi paātrināt šo attīstību, novietojot orbītā saules enerģijas satelīta prototipu.

Priekšrocības ir pārāk lielas, lai no tām iet prom. Saules enerģijas satelītu tīkls, piemēram, tas, ko mēs piedāvājam, varētu nodrošināt Zemi ar 10 līdz 30 triljoniem vatu elektroenerģijas, kas ir pietiekami, lai apmierinātu cilvēces vajadzības nākamajā gadsimtā. Tādējādi saules enerģijas pavadoņi piedāvā vīziju, kurā enerģijas ražošana pārvietojas no zemes virsmas, ļaujot ikvienam dzīvot uz zaļākas planētas. Apsveriet filozofiskās sekas: vairs nav vajadzības, lai cilvēce redzētu sevi iesprostotu uz kosmosa kuģa ar ierobežotiem resursiem. Mēs varētu izmantot neierobežotos kosmosa resursus, saglabājot planētu kā nenovērtējamu bioloģiskās daudzveidības resursu.

paslēpties