Могат ли слънчевите панели в космоса да доставят на Земята чиста енергия?

В продължение на 100 години хората са мечтали да изпратят огромни масиви от слънчеви панели в космоса и да излъчват енергията си надолу към Земята. За разлика от непостоянните източници на възобновяема енергия на земята, тези орбитални панели винаги ще се греят на ярка слънчева светлина и потенциално биха предлагали непрекъснато захранване.

Сега подобни схеми започват да изглеждат възможни, благодарение на по-евтиния хардуер и намаляващите разходи за космически изстрелвания. Екипи по целия свят работят върху ключови части от базирани в космоса системи за слънчева енергия и прототип, създаден от изследователи от Калифорнийски технологичен институт (Caltech) трябва да започне експерименти в орбита този месец.

„Няма нищо необичайно в това, което да изисква нова физика“, казва Джеймс Карпентър, който е един от ръководителите на Соларис инициатива, проучване за осъществимост, предприето от Европейската космическа агенция (ESA), което може да доведе до пълно развитие на технологията от 2025 г. „Икономически това е сравнимо, например, с ядрената енергия“, казва Карпентър, който е базиран в European Space на ESA Изследователски и технологичен център в Нордвейк, Холандия.

Базираната в космоса слънчева енергия би била жизнеспособна само ако бъде приложена в огромен мащаб. Учените очакват изграждането на километрични масиви от слънчеви панели, които ще обикалят около Земята на разстояние от около 36 000 километра. Енергията, която събират, ще бъде преобразувана в микровълни и насочена към повърхностни приемници с още по-големи физически отпечатъци.

Китай обяви плановете си да постави демонстрационен модул с мегаватов мащаб в ниска околоземна орбита през 2028 г., преди да разположи друга система на по-далечна геосинхронна орбита през 2030 г. Карпентър казва, че с достатъчно финансиране първата мултигигаватова слънчева електроцентрала може да заработи до 2040 г. Но въпреки вълнението остават огромни технически пречки.

Природата разглежда пет големи въпроса, на които изследователите трябва да отговорят, за да превърнат космическата слънчева енергия в реалност.

Как може да се изгради слънчева ферма в космоса?

За да генерират гигават мощност – сравнима с мощността на електроцентрала на Земята – орбиталните масиви ще трябва да бъдат с размери повече от един квадратен километър. Това е повече от 100 пъти по-голямо от Международната космическа станция, чието изграждане отне десетилетие. Един масив ще бъде сглобен в космоса от модули, които могат да бъдат масово произвеждани и изстрелвани отделно. Експериментът на Caltech ще включва разгръщане на плътно сгъната структура в платформа за соларен панел с размерите приблизително на маса за хранене, но модулите в пълен размер могат да бъдат с дължина до 60 метра.

Други проекти използват различни дизайни. Сред предложенията, които инициативата Solaris на ESA обмисля, е спираловидна структура, а в Сиан, Китай, проектът Chasing the Sun на университета Xidian разработва слънчев колектор с форма на корона. И двете биха изисквали дистанционно сглобяване от роботи в орбита, все още зараждаща се технология.

Инженерството зад такива системи е „невероятно сложно“, казва Карън Джоунс, космически икономист в Aerospace Corporation в Арлингтън, Вирджиния. Caltech се надява да избегне този проблем, като лети със своите гъвкави панели във формация, без да ги свързва заедно, и използвайки алгоритми за коригиране на всякакви колебания в позицията, които влияят на предаването на енергия. Какъвто и дизайн да се използва, компонентите ще трябва да се пускат всяка седмица, скорост, която би била безпрецедентна, казва Йована Радулович, инженер-химик в университета в Портсмут, Обединеното кралство.

Какъв вид слънчеви клетки ще се използват?

Слънчевите клетки трябва да бъдат леки и ефективни, за да запазят разходите за стартиране ниски. Всеки килограм панел трябва да произвежда 1-2 киловата мощност, казва Дейвид Хомфрай, физик, който ръководи техническа работа в публично-частния сектор на Обединеното кралство Инициатива за космическа енергия. Това съотношение мощност/тегло е около 50 пъти по-голямо, отколкото при конвенционалните силициеви клетки на Земята. Повечето проекти имат за цел да увеличат излагането на слънчевите клетки на слънчева светлина с помощта на концентратори, огледала и други иновативни структури.

Клетките също ще трябва да издържат на интензивна радиация в космоса. И все пак здравите слънчеви фотоволтаични материали, използвани в много космически сонди, са твърде скъпи за разполагане в огромен масив, така че изследователите трябва да знаят как ще се представят по-евтините алтернативи, казва Радулович.

За тази цел експеримент върху прототипа на Caltech ще изпробва 32 леки фотоволтаични клетки, включително евтини перовскити. „Идеята тук е да се направи нещо като тест за дълголетие“, казва Али Хаджимири, който ръководи проекта на Калтех.

Как слънчевата енергия ще достигне Земята?

Това може би е най-голямото предизвикателство. Въпреки че лазерните лъчи пренасят енергия ефективно, облаците могат да ги блокират. За да избегнат този проблем, изследователите се надяват да преобразуват електричеството на слънчевите масиви в микровълни, които преминават през атмосферата, без да губят много енергия. Въпреки това, микровълните се разпространяват, докато пътуват, така че инженерите ще трябва внимателно да синхронизират как се излъчват вълните и да използват километрични приемни станции, за да ги събират.

Преобразуването на слънчевата енергия в електричество, след това в микровълни и обратно в електричество на земята неизбежно ще доведе до известни загуби. „Никой няма да обмисли сериозно тази идея, докато тези загуби не бъдат значително намалени“, казва Радулович. ESA изчислява, че само 10-15% от слънчевата енергия, падаща върху космически масив, трябва да бъде доставена до електрическата мрежа, за да бъде една система икономически жизнеспособна. И все пак постигането на това ще изисква значителен напредък в няколко технологии за преобразуване на енергия, казва агенцията.

Миналата година изследователи от университета Xidian използваха микровълни за предаване на слънчева енергия над 55 метра в малък експеримент на Земята. Използвайки само конвенционални силициеви клетки, той постигна обща ефективност от около 2,4%; тестът отбеляза първия път, когато цялата последователност е демонстрирана в една система, казва Xun Li, изследовател по проекта. Прототипът на Caltech ще бъде първият космически експеримент, който използва микровълни за предаване и приемане на енергия, макар и само на 30 сантиметра, добавя Хаджимири.

Всичко това ще си струва ли усилията?

Космическите агенции и нациите смятат, че базираната в космоса слънчева енергия може да допринесе за целта за постигане на нулеви въглеродни емисии до 2050 г. Но „трябва да докажем, че това действително ще бъде нетна печалба за планетата“, казва Джоунс.

Космическата слънчева енергия със сигурност ще бъде много по-скъпа от земната слънчева енергия. Въпреки това, той може да съперничи на разходите на други източници на непрекъсната нисковъглеродна енергия, като ядрена енергия или газ с технология за улавяне на въглерод, казва Карпентър – въпреки че по-икономичните начини за съхранение на възобновяема електроенергия на земята биха могли да намалят аргумента за космоса масив.

Междувременно изследователи от университета в Стратклайд, Обединеното кралство, са изчислили, че ще са необходими по-малко от шест години на космическа слънчева електроцентрала, за да компенсира парниковите газове, отделяни от разработването, изграждането и инсталирането на проекта. „Изглежда наистина, наистина конкурентно“, казва Хомфрай. Все пак Радулович поставя под въпрос надеждността на подобни оценки, като се има предвид несигурността относно това как тези системи ще бъдат проектирани и разгърнати.

Ще бъде ли безопасно?

Излъчването на микровълнова енергия от космоса е изненадващо безопасно. Честотата на лъча ще бъде избрана така, че да не нарушава комуникацията на самолета. И тъй като мощността му ще бъде разпределена върху толкова широка област, средната енергийна плътност, получена от наземните станции, ще бъде около 50 вата на квадратен метър, казва Карпентър, еквивалентно на безвредното ниво на микровълните, които могат да изтекат от микровълнова фурна. „Това е в рамките на това, което би се считало за нормална препоръка за безопасност при излагане на хора“, казва той.

Но изследователите ще трябва да докажат, че няма неблагоприятни ефекти върху хората, животните или по-широката околна среда. „Мисля, че те трябва да поемат водещата роля от мобилната безжична индустрия, която премина през същите опасения, и да не омаловажават тези опасения, а да го докажат с проучвания“, казва Джоунс.