Главная Былины Космическая энергетика. Космическая энергетика: Вот как это может работать

Космическая энергетика. Космическая энергетика: Вот как это может работать

Сегодня Россия отмечает День космонавтики, а весь остальной мир – Международный день полёта человека в космос. 55 лет назад, 12 апреля 1961 года Юрий Алексеевич Гагарин стал первым человеком, покорившим космическое пространство.

Любой космический полёт - с участием или без участия человека – не был бы возможен без решения проблемы автономных систем энергоснабжения.
Идея применять солнечные батареи в космосе впервые появилась больше полувека назад, во время первых запусков искусственных спутников Земли. В тот период в СССР профессор Николай Степанович Лидоренко обосновал необходимость применения бесконечных источников энергии на космических аппаратах.

Первый искусственный спутник Земли (1957 год) обладал энергоустановкой мощностью порядка 40 Вт, тогда как аппарат «Молния-1+» (1967 год) обладал установкой мощностью уже 460 Вт. Для сравнения: солнечные батареи, установленные на Международной космической станции (МКС), позволяют вырабатывать от 84 до 120 кВт электрической мощности. В настоящее время все космические станции функционируют исключительно за счёт солнечной энергии.

Солнечная энергетика МКС

Мощность излучения Солнца на орбите Земли составляет 1367 Вт/м². Это позволяет получать примерно 130 Вт на 1 м² поверхности солнечных батарей (при КПД 8–13%). Солнечные батареи располагают или на внешней поверхности аппарата или на раскрывающихся жёстких панелях.

Электростанция орбитальной станции должна обладать чрезвычайно высокой надёжностью при длительном сроке непрерывной работы, она должна быть полностью автоматизирована и иметь относительно небольшой вес. Кроме того, источник энергии на борту должен быть высокоэкономичным и не реагировать на специфические факторы космического полёта (невесомость, радиацию, метеорную опасность и т. п.).

При этом в российском и американском сегментах МКС мощность электросети разнится. В отечественной части МКС электричество вырабатывается солнечными батареями модулей «Заря» и «Звезда», а также может передаваться от американского сегмента через преобразователь напряжения.

В американском сегменте две гибкие складные панели солнечных батарей образуют так называемое крыло солнечной батареи, всего на станции размещено четыре пары таких крыльев. Каждое крыло имеет длину 35 м и ширину 11,6 м, а его полезная площадь составляет 298 м², при этом вырабатываемая им суммарная мощность может достигать 32,8 кВт. Солнечные батареи генерируют первичное постоянное напряжение от 115 до 173 В, которое затем трансформируется во вторичное стабилизированное постоянное напряжение в 124 В. Энергия аккумулируется в специальных никель-водородных батареях – от них станция питается, когда находится в тени Земли.

Предлагаем вам ознакомиться с инфографикой об энергоснабжении МКС на «Перетоке»: http://сайт/multimedia/infographics/elektrostantsiya-dlya-kosmonavtov.html.

1 кВт на человека

Основные потребители тока на орбитальных космических станциях – это научно-исследовательское и специальное техническое оборудование, система обеспечения жизнедеятельности экипажа, радиоаппаратура связи с Землёй или какими-либо космическими объектами, а также различные вспомогательные установки, например, для управления ориентацией станции, для коррекции и изменения её орбиты.

Суммарная мощность бортовых электростанций на большинстве искусственных спутников США колеблется от 0,3 до 150 Вт. Однако здесь нужно заметить, что оборудование большинства спутников довольно невелико по объёму ввиду малого веса полезной нагрузки их ракет-носителей. Значительно выше мощность энергоустановки на обитаемых космических кораблях. Например, средняя мощность, потребная для орбитального полёта американской пилотируемой капсулы «Меркурий», составляет около 260 Вт, максимальная потребляемая мощность – не более 1 кВт.

Для орбитальной космической станции потребная мощность источника энергии составляет от 0,8–1 кВт для небольшой станции с экипажем из одного-двух человек до 50–100 кВт для крупной орбитальной лаборатории.

Обычно приборы, проектируемые специально для использования в космосе, потребляют относительно небольшие мощности. Так, например, устанавливаемый на некоторых американских спутниках Земли детектор космического излучения потребляет 2 Вт, магнитометр – 5 Вт, счётчик микрометеоров – 2,5 Вт, масс-спектрограф – 17 Вт, аппаратура активного ретранслятора радиосигналов – 10 Вт и т. д. По-разному экспертами оценивается мощность, необходимая для поддержания условий жизнедеятельности экипажа на борту. Обычно называют цифры от 500 Вт до 1 кВт на человека.

Новые технические горизонты

Среди аккумуляторных батарей для космических аппаратов сегодня широко используются никель-водородные аккумуляторы. Однако энергомассовые характеристики этих аккумуляторов достигли своего максимума (70–80 Вт∙ч/кг). Дальнейшее их улучшение очень ограниченно и, кроме того, требует больших финансовых затрат.

В связи с этим в настоящее время на рынке космической техники происходит активное внедрение литийионных аккумуляторов (ЛИА).

Характеристики литийионных батарей гораздо выше по сравнению с аккумуляторами других типов при аналогичном сроке службы и количестве циклов заряда-разряда. Удельная энергия литийионных аккумуляторов может достигать 130 и более Вт∙ч/кг, а коэффициент полезного действия по энергии – 95%.

Немаловажным фактом является и то, что ЛИА одного типоразмера способны безопасно работать при их параллельном соединении в группы, таким образом, несложно формировать литийионные аккумуляторные батареи различной ёмкости. Одним из главных отличий ЛИА от никель-водородных батарей является наличие электронных блоков автоматики, которые контролируют и управляют процессом заряда-разряда. Они также отвечают за нивелирование разбаланса напряжений единичных ЛИА и обеспечивают сбор и подготовку телеметрической информации об основных параметрах батареи.

Но всё же основным преимуществом литийионных аккумуляторов считается снижение массы по сравнению с традиционными батареями. По оценкам специалистов, применение литийионных аккумуляторов на телекоммуникационных спутниках мощностью 15–20 кВт позволит снизить массу батарей на 300 кг. Учитывая то, что стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной массы составляет около 30 тысяч долларов, это позволит значительно снизить финансовые затраты.

Одним из ведущих российских разработчиков подобных аккумуляторных батарей для космических аппаратов является ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (АВЭКС), входящее в КРЭТ. Технологичный процесс изготовления литийионных аккумуляторов на предприятии позволяет обеспечить высокую надёжность и снижение себестоимости.

Кстати, россияне не отстают и в плане производства фотоэлектрических преобразователей – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. Проще говоря, это основные элементы устройств, которые мы называем солнечными батареями. Делают такие батареи в Краснодаре, на заводе «Сатурн». Предприятие в Краснодаре входит в структуру Федерального космического агентства, но владеет «Сатурном» компания «Очаково», которая в буквальном смысле спасла это производство в 1990-е годы. Владельцы «Очаково» выкупили контрольный пакет акций, который чуть было не ушёл к американцам. Сегодня «Сатурн» – один из двух лидеров на российском рынке производства солнечных и аккумуляторных батарей для нужд космической отрасли (гражданской и военной).

Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. Само собой напрашивается решение: разместить солнечные энергостанции в космосе, на около земной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции (СКЭС), сегодня точно сказать нельзя. А к проектированию СКЭС конструкторы приступили еще в конце 60-х гг. ХХ в.

Путь энергии от приемника электромагнитного излучение Солнца к розетке в квартире или блоку питания станка может быть различным. В самых первых проектах предлагался такой: солнечные батареи, вырабатывающие электричество – сверхвысокочастотный (СВЧ) передатчик на СКЭС – приемник на Земле – распределительные электрические подстанции. На практике это выглядело бы следующим образом: многокилометровые плоскости солнечных батарей на прочном каркасе; решетчатые антенны передатчиков; похожие на них (и тоже многокилометровые) приемники энергии на поверхности Земли. Вариант, как быстро выяснилось, далеко не идеальный.

Инженеры попытались вообще отказаться от использования солнечных батарей. Например, предлагалось с помощью различных преобразователей (скажем, зеркал) на станции превращать солнечный свет в тепло, кипятить рабочую жидкость и ее паром вращать турбины с электрогенераторами. Но и в таком варианте процесс получения энергии остается очень долгим: солнечный свет через тепло и механическое движение превращается в электричество, потом снова в электромагнитные волны для передачи на Землю, а затем опять в электричество. Каждый этап ведет к потерям энергии; приемные антенны на Земле должны занимать огромные площади. Но хуже всего то, что СВЧ-луч негативно влияет на ионосферу Земли, пагубно сказывается на десятках живых организмах. Поэтому пространство над антеннами необходимо закрыть для полетов авиации. А как уберечь от гибели птиц?

Те же проблемы возникают и при передаче энергии по лазерному лучу, который к тому же сложнее преобразовать снова в электрический ток. Полученную в космосе энергии более целесообразно использовать в космосе же, не отправляя ее на Землю. На производство тратится около 90 % вырабатываемой на планете энергии. Основные ее потребители – металлургия, машиностроение, химическая промышленность. Они же, кстати, и главные загрязнители окружающей среды. Обойтись без таких производств человечество пока что не в состоянии. Но ведь можно убрать их с Земли. Почему бы ни использовать сырье, добываемое на Луне или астероидах, создав на спутниках и астероидах соответствующие базы? Задача, безусловно, сложнейшая, и сооружение солнечных космических электростанций – только первый шаг к ее решению. С производством же электроэнергии для бытовых нужд справятся ветряки, бесплотинные ГЭС и другие экологически чистые энергоустановки.

Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение и причем не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на отдаленную от Земли орбиту. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную – орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно сделать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к «месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.

1968 : Питер Глейзер представил идею больших солнечных спутниковых систем с солнечным коллектором размером в квадратную милю на высоте геостационарной орбиты (ГСО 36000 км над экватором), для сбора и преобразования энергии солнца в электромагнитный пучок СВЧ для передачи полезной энергии на большие антенны на Земле.

1990 :"Исследовательским центром им. М. В. Келдыша" разработана концепция энергоснабжения Земли из космоса с использованием низких околоземных орбит. «Уже в 2020-2030 годы можно создать 10-30 космических электростанций, каждая из которых будет состоять из десяти космических энергомодулей. Планируемая суммарная мощность станций будет равна 1,5-4,5 ГВт, а суммарная мощность у потребителя на Земле - 0,75-2,25 ГВт». Далее планировалось к 2050-2100 годам довести количество станций до 800 единиц, а конечную мощность у потребителя до 960 ГВт. Однако на сегодняшний день неизвестно даже о создании рабочего проекта на основе этой концепции [ ] ;

2009 : Японское агентство аэрокосмических исследований объявило о своих планах вывести на орбиту спутник солнечной энергии, которые будут передавать энергию на Землю с помощью микроволн. Они надеются вывести первый прототип орбитального спутника к 2030 году.

2009 : Компания Solaren расположенная в Калифорнии (США) подписала договор с компанией PG&E о том, что последняя будет покупать энергию, которую Solaren произведет в космосе. Мощность будет составлять 200 МВт. По плану этой энергией будут питаться 250 000 домов. Реализация проекта планируется на 2016 год.

2011 : Объявлено о проекте нескольких японских корпораций, который должен быть реализован на базе 40 спутников с прикрепленными солнечными батареями. Флагманом проекта должна стать корпорация Mitsubishi . Передача на землю будет осуществляться с применением электромагнитных волн, приёмником должно стать «зеркало» диаметром около 3 км, которое будет находиться в пустынном районе океана . По состоянию на 2011 год планируется запустить проект в 2012 году

2013 : Главное научное учреждение Роскосмоса - ЦНИИмаш выступил с инициативой создания российских космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1-10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. В ЦНИИмаше обращают внимание, что американские и японские разработчики пошли по пути использования СВЧ -излучения, которое сегодня представляется значительно менее эффективным, чем лазерное .

Спутник для выработки энергии

История идеи

Изначально идея появилась в 1970-х годах. Появление такого проекта было связано с энергетическим кризисом. В связи с этим правительство США выделило 20 миллионов долларов космическому агентству NASA и компании Boeing для расчёта целесообразности проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).

После всех расчётов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы 5000 мегаватт энергии, после передачи на землю оставалось бы 2000 мегаватт. Чтобы понять много это или нет, стоит сравнить эту мощность с Красноярской ГЭС , мощность которой составляет 6000 мегаватт. Но примерная стоимость такого проекта 1 триллион долларов, что и послужило причиной закрытия программы.

Схема технологии

Система предполагает наличие аппарата-излучателя, находящегося на геостационарной орбите . Предполагается преобразовывать солнечную энергию в форму, удобную для передачи (СВЧ , лазерное излучение), и передавать на поверхность в «концентрированном» виде. В этом случае на поверхности необходимо наличие «приёмника», воспринимающего эту энергию .

Космический спутник по сбору солнечной энергии по существу состоит из трех частей:

средства сбора солнечной энергии в космическом пространстве, например, через солнечные батареи или тепловой двигатель Стирлинга ;
средства передачи энергии на землю, например, через СВЧ или лазер;
средства получения энергии на земле, например, через ректенны .

Космический аппарат будет находиться на ГСО и ему не нужно поддерживать себя против силы тяжести. Он также не нуждается в защите от наземного ветра или погоды, но будет иметь дело с космическими опасностями, такими как микрометеориты и солнечные бури .

Актуальность в наши дни

Так как за 40 лет со времени появления идеи солнечные батареи сильно упали в цене и увеличились в производительности, а грузы на орбиту стало доставлять дешевле, в 2007 году «Национальное космическое общество» США представило доклад в котором говорит о перспективах развития космической энергетики в наши дни.

Преимущества системы

Высокая эффективность из-за того, что нет атмосферы, выработка энергии не зависит от погоды и времени года.
Практически полное отсутствие перерывов так как кольцевая система спутников, опоясывающая Землю, в любой момент времени будет иметь хотя бы один, освещаемый Солнцем.

Лунный пояс

Проект космической энергетики представленный компанией Shimizu в 2010 году . По задумке японских инженеров это должен быть пояс из солнечных батарей протянутый по всему экватору Луны (11 тыс. километров) и шириной 400 километров.

Солнечные панели

Так как производство и транспортировка такого количества солнечных батарей с земли не представляется возможным, то по замыслу ученых солнечные элементы должны будут производиться прямо на Луне. Для этого можно использовать лунный грунт из которого можно делать солнечные батареи.

Передача энергии

Энергия с этого пояса будет передаваться радиоволнами с помощью громадных 20 километровых антенн и приниматься ректеннами здесь, на Земле. Второй способ передачи который может использоваться это передача световым лучом с помощью лазеров и прием свето-уловителем на земле.

Преимущества системы

Так как на Луне нет атмосферы и погодных явлений, энергию можно будет вырабатывать почти круглосуточно и с большим коэффициентом эффективности.

Дэвид Крисуэлл предположил, что Луна является оптимальным местом для солнечных электростанций. Основное преимущество размещения солнечных коллекторов энергии на Луне в том, что большая часть солнечных батарей может быть построена из местных материалов, вместо земных ресурсов, что значительно снижает массу и, следовательно, расходы по сравнению с другими вариантами космических солнечных электростанций.

Технологии применяющиеся в космической энергетике

Беспроводная передача энергии на Землю

Беспроводная передача электроэнергии была предложена на ранней стадии в качестве средства для передачи энергии от космической или Лунной станции к Земле. Энергия может быть передана с помощью лазерного излучения или СВЧ на различных частотах в зависимости от конструкции системы. Какой выбор был сделан, чтобы передача излучения была не ионизирующей, во избежание возможных нарушений экологии или биологической системы региона получения энергии? Верхний предел для частоты излучения установлен таким, чтобы энергия на один фотон не вызывала ионизацию организмов при прохождении через них. Ионизация биологических материалов начинается только с ультрафиолетового излучения и, как следствие, проявляется при более высоких частотах, поэтому большое количество радиочастот будет доступно для передачи энергии.

Лазеры

Преобразование солнечной энергии в электрическую

В космической энергетике (в существующих станциях и при разработках космических электростанций) единственный способ эффективного получения энергии это использование фотоэлементов. Фотоэлемент - электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию . Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43 % .

Получение энергии от СВЧ волн испускаемых спутником

Так же важно почеркнуть способы получения энергии. Один из них это получение энергии с помощью ректенн. Ректенна (выпрямляющая антенна) - устройство , представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока . Простейшим вариантом конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается устройство с односторонней проводимостью (например диод). В таком варианте конструкции антенна совмещается с детектором, на выходе которого, при наличии падающей волны, появляется ЭДС. Для повышения усиления такие устройства могут быть объединены в многоэлементные решётки.

Преимущества и недостатки

Космическая солнечная энергия - энергия, которую получают за пределами атмосферы Земли. При отсутствии загазованности атмосферы или облаков, на Землю падает примерно 35 % энергии от той, которая попала в атмосферу. Кроме того, правильно выбрав траекторию орбиты, можно получать энергию около 96 % времени. Таким образом, фотоэлектрические панели на геостационарной орбите Земли (на высоте 36000 км) будет получать в среднем в восемь раз больше света, чем панели на поверхности Земли и даже больше когда космический аппарат будет ближе к Солнцу чем Земля. Дополнительным преимуществом является тот факт, что в космосе нет проблемы с весом или коррозии металлов из-за отсутствия атмосферы.

С другой стороны, главный недостаток космической энергетики и по сей день является её высокая стоимость. Средства, затраченные на вывод на орбиту системы общей массой 3 млн т. окупятся только в течение 20 лет, и это если принимать в расчёт удельную стоимость доставки грузов с Земли на рабочую орбиту 100 $/кг. Нынешняя же стоимость вывода грузов на орбиту намного больше.

Вторая проблема создания ОЭС - большие потери энергии при передаче. При передаче энергии на поверхность Земли будет потеряны, по крайней мере, 40-50 %.

Основные технологические проблемы

По данным американских исследований 2008 года, есть пять основных технологических проблем, которые наука должна преодолеть, чтобы космическая энергия стала легкодоступной:

Фотоэлектрические и электронные компоненты должны работать с высокой эффективностью при высокой температуре.

Беспроводная передача энергии должна быть точной и безопасной.

Космические электростанции должны быть недорогими в производстве.

Низкая стоимость космических ракет-носителей.

Поддержание постоянного положения станции над приёмником энергии: давление солнечного света будет отталкивать станцию от нужного положения, а давление электромагнитного излучения , направленного на Землю, будет толкать станцию от Земли.

Другие способы использования космической энергии

Использование электроэнергии в космических полетах

Кроме того, чтобы излучать энергию на Землю, спутники ОЭС могут также питать межпланетные станции и космические телескопы. Так же это может быть безопасной альтернативой ядерным реакторам на корабле который полетит на красную планету . Другой сектор, который может извлечь выгоду из ОЭС будет космический туризм .

Примечания

Glaser, Peter E. (December 25, 1973). “Method And Apparatus For Converting Solar Radiation To Electrical Power” . United States Patent 3,781,647 .

Работе заседания рабочей группы предшествовало обсуждение рассматриваемых проблем на следующих совещаниях: первый круглый стол по беспроводной передаче электрической энергии на Земле и в космосе под руководством председателя Комитета Государственной Думы по энергетике ФС РФ (21 ноября 2012 года); IV Международный форум «Энергосбережение и энергоэффективность — динамика развития» (Санкт-Петербург, 7-10 октября 2014 года); XIV Московский международный энергетического форум «ТЭК России в XXI веке» (19-20 апреля 2016 года).

На прошедшем заседании было отмечено, что в 1970-е годы советская космическая энергетика была мировым лидером. Однако за последние 20-25 лет в России наметилось отставание этой отрасли от мирового уровня.

Произошло это по той причине, что в указанный период отечественная космическая энергетика развивалась по принципу «необходимо и достаточно». Фундамент направления был заложен великими учёными и инженерами, уже покинувшими этот мир (С. П. Капица, Б. Е. Черток, А. Г. Иосифьян, Н. С.Лидоренко, В. А. Ванке и др.). После них космическая энергетика как отдельное направление, можно сказать, осиротело — ни Минэнерго России, ни Роскосмос не занимались его перспективным развитием. Но дальнейшее развитие космонавтики неизбежно потребует мегаваттных мощностей. Отечественная космическая энергетика должна быть готова к этим рубежам прогресса, поскольку Российская Федерация и впредь должна оставаться ведущей космической державой.

Интегрально космическая энергетика включает в себя три следующих сегмента технических средств: космическая солнечная электростанция (КСЭС), канал беспроводной передачи электрической энергии и приёмные, преобразующие и аккумулирующие системы. Над повышением эффективности каждого из этих сегментов работает ряд предприятий РАН, Роскосмоса и ведущих вузов России.

От РАН совместно с экспертной секцией «Космическая энергетика» Научно-консультативного Совета при депутате Государственной Думы Федерального Собрания Российской Федерации И. Д. Грачёве и МИРЭА в этой работе принимает участие Институт биохимической физики имени Н. М. Эмануэля в качестве координатора работ по развитию космической энергетики.

Необходимо также отметить, что перемещение процесса преобразования энергии (солнечной или ядерной) за пределы биосферы Земли существенно снижает нагрузку на биосферу и, в частности, приводит к снижению парникового эффекта. Экологические последствия такого энергоснабжения существенно ниже, чем последствия от использования традиционных энергетических источников, таких как тепловые, атомные и гидроэлектростанции.

Перенос солнечных электростанций в космос позволит круглосуточно в нужном месте получать электроэнергию. Канал передачи энергии является наиболее важным сегментом космической электростанции, а беспроводная передача энергии — чрезвычайно сложной задачей для современной техники. Проекты реализации такого канала на основе микроволнового и лазерного излучения разрабатываются во всех передовых странах мира, в том числе и в РФ (табл. 1).

Свои соображения о подходах к решению задачи практического создания КСЭС с учётом реалий сегодняшнего дня в ходе заседания в своих докладах представили Александр Сигов, академик РАН, президент Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики; Иван Редько, д.т.н., профессор, заместитель директора Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН; Дмитрий Айрапетянц, заместитель министра энергетики Московской области; Рашид Артиков, заместитель генерального директора НП «Российское теплоснабжение»; Сергей Нехаев, председатель правления МОО «Устойчивое развитие» и сообщества «СоКоммуникации», Владимир Матюхин, д.т.н., профессор, руководитель Центра аэрокосмической силовой фотоники МИРЭА; Виктор Зайченко, д.т.н., заведующий лабораторией Объединённого института высоких температур РАН; Игорь Костин, коммерческий директор ООО «Эконорм»; Алла Захарова, руководитель филиала «Группа компаний МКС», и другие специалисты.

Участники круглого стола указали на необходимость: создания природоохранных технологий для обеспечения стабилизации климата и замещения нефти, прежде всего в удалённых регионах России; организации системы глобальной аэрокосмической, а также астероидной и метеоритной безопасности Российской Федерации.

Существуют следующие основные концепции космических солнечных электростанций: на базе КСЭС, размещаемых на низких околоземных орбитах (предложение НПО имени С. А. Лавочкина, Россия); на базе КСЭС, размещаемых в точках Лагранжа (проект РКК «Энергия», Россия); на базе КСЭС, размещаемых на геостационарной орбите (проект ЦНИИМаш, Россия; проект SolarBird, Япония; КСЭС по программе Пентагона 2007 года, США; проект Solaren, США; на базе лунных солнечных электростанций (Лунная космическая солнечная электростанция — ЛСЭС) с использованием орбитальных ретрансляторов энергии (Центр Келдыша, Россия); концепция Крисвелла, США; на базе ЛСЭС с прямой передачей энергии (предложение Shimizu Corporation, Япония).

Целью заседания рабочей группы является создание условий для консолидации сил промышленности, РАН и вузов. Такая консолидация позволит снять основные проблемы, а также решить главные задачи космической энергетики:

создание прорывных технологий беспроводной трансконтинентальной транспортировки мощных информационноэнергетических потоков по стратосферным и космическим магистралям над территорией страны;
создание демонстрационного образца солнечной аэрокосмической электростанции с дистанционной передачей энергии по лазерным магистралям;
беспроводное энергообеспечение стратегически важных наземных, воздушных и космических объектов;
ускоренное развитие высокоинформативных систем телекоммуникаций в северных и других труднодоступных регионах страны;
мониторинг региональной безопасности, в том числе безопасности особо важных объектов (наземных и плавучих АЭС, плавучих газовых и нефтяных платформ, магистральных трубопроводов и пр.);
создание стратосферных и космических солнечных электростанций мощностью 1-10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Таким образом, развитие систем беспроводной передачи энергии способно кардинальным образом повлиять на определяющие стороны жизни России. Это энергообеспечение, энергетическая и экологическая безопасность, обороноспособность, информатизация.

Ожидается, что, подняв в ходе своего развития престиж самой космической техники в решении важнейших социально-экономических задач страны, эта технология будет сопоставима с такой успешной отечественной отраслью, как атомная энергетика.

Актуальность развития этого направления подтверждается и тем, что в Японии принята «императорская» программа создания КСЭС, которую можно сравнить с программой создания атомной бомбы в СССР. Программа имеет высший государственный статус и приоритет. Сроки создания КСЭС намечены на 2025 год. Проект реализуется государственным органом — Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA). Финансирование — $ 21 млрд. Планируемая мощность электростанции — 1 ГВт. Массив солнечных батарей имеет площадь 4 км 2 . Для реализации проекта правительство Японии учредило консорциум на базе корпораций Mitsui, Mitsubishi, NEC, Sharp, Hitachi и других компаний. Рассматривается два варианта технологии: прямое преобразование солнечной энергии в лазерное излучение (с использованием линз Френеля и NiYAG-лазера) и преобразование солнечной энергии в СВЧ-излучение. Космическая японская энергетическая система (Space Solar Power System, SSPS) предусматривает развёртывание на геостационарной орбите поля из солнечных панелей площадью примерно 4-6 км 2 . Произведённую ими энергию вниз будет доставлять либо поток СВЧ-излучения, либо мощный и высокоэффективный лазер. Средняя выходная мощность такой системы должна составить 1 ГВт («на грунте», с учётом всех потерь при передаче из космоса), пиковая — 1,6 ГВт. Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли — порядка 70-75 %. Выпрямительная антенна (ректенна) на Земле должна принимать энергию микроволнового излучения от КСЭ с максимально возможной эффективностью. Одна из конструкций имеет форму эллипса с большой осью 13 км и малой осью 9,5 км. Плотность падающего микроволнового излучения — от 25 мВт/см 2 в центре и до 1 мВт/см 2 на периферии. Преобразование принимаемой энергии в постоянный ток осуществляется в элементах, встроенных в ректенну. Рассматривались различные микроволновые частоты, предложенные во многих исследованиях WPT и демонстрациях: 2,45; 5,8; 8,51; 35; 94; 140 и 170 ГГц. Размер приёмной ректенны при изменении частоты СВЧ мог изменяться от 10 км до 150 м, а плотность СВЧ-энергии может возрасти до 10 Вт/см 2 .

Американская версия космической энергетической станции — SPS-ALPHA (Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array). В своём воплощённом виде система представляет собой гигантский космический «цветок» и является антенной решёткой с зеркалами, положение которых регулируется индивидуально. Задняя часть этого «цветка» является набором фотоэлектрических панелей. На обратной его стороне, направленной в сторону Земли, имеется множество СВЧ излучателей-передатчиков, которые отсылают на Землю в виде СВЧ-излучения энергию в диапазоне от десятков до тысяч (!) мегаватт мощности.

Исходя из объёмов финансирования и масштабности проводимых за рубежом работ, обозначилась перспектива потеря космического энергетического рынка для России, что чревато катастрофическими последствиями. Отсутствие паритета с зарубежными странами в столь важном и перспективном направлении для России недопустимо.

Участники заседания обратили своё внимание и на то, что проекты КСЭС стали разрабатываться сразу после начала космической эры. Как уже было сказано, в настоящее время США и Япония активно разрабатывают КСЭС гигаваттного уровня для начала рынка «космического электричества», который может изменить международный рынок энергетических ресурсов, в частности, снизить спрос на природные ресурсы России, а также породить угрозу её энергетической и национальной безопасности. В частности, при увеличении частоты СВЧ-излучения до десятков и сотен гигагерц принципиально возможно инициировать возникновение различных природных явлений в верхних слоях атмосферы.

Российскими специалистами предлагается существенное упрощение схемы КСЭС в целом, снижение её стоимости, повышение надёжности и эффективности. Для повышения оперативности и эффективности управления проектом предлагается его реализацию осуществить в три этапа. Причём на первом этапе развития космической энергетики предлагается внедрение проекта «Создание демонстрационного прототипа аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт на базе привязных аэростатов», с целью формирования необходимых научно-технических решений и приобретения отечественного опыта по их реализации для создания в перспективе АКСЭС гигаваттного класса. При этом АКСЭС находится в составе многофункционального энерготехнологического комплекса (МЭК), состоящего из основных энергетических установок: газопоршневой электростанции, модуля по производству из биомассы генераторного газа, модуля когенерации, САУ и модуля преобразования электроэнергии.

С целью ускорения реализации первого этапа проекта участники заседания пришли к единодушному мнению, что каждый из них может взять на себя обязательство по разработке и реализации того или иного модуля МЭК в соответствии со своими наработками. Должно быть подготовлено многостороннее соглашение по строительству первой аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт и письмо-обращение к президенту РФ по финансированию второго и третьего этапов проекта.

Заслушав и обсудив доклады, члены рабочей группы решили:

2. Выйти с предложением к руководству страны о рассмотрении вопроса выделения финансовых средств на разработку национальной программы «Солнечная аэрокосмическая энергетика России».

3. Поддержать инициативу Александра Сигова, академика РАН, президента Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики о разработке «дорожной карты» развития космической энергетики.

4. Институту биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН (И. Я. Редько) совместно с МИРЭА (В. Ф. Матюхин) и МОО «Устойчивое развитие» (С. А. Нехаев) подготовить и подписать многостороннее соглашение по строительству аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт в составе МЭК.

5. Обратиться в Минэнерго России с предложением включить в план НИОКР на 2017 год разработку «Концепции создания автономной солнечной аэрокосмической системы энергоснабжения».

6. Рекомендовать создание на базе государственного университета «Дубна», МИРЭА, Звенигородской обсерватории Института астрономии РАН, ОИВТ РАН, МЭИ, Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН, МОО «Устойчивое развитие», «КЭР-Холдинга», ДКБА и ООО «Эконорм» экспериментального учебного полигона по отработке новых технологий МЭК, в том числе с использованием объектов космической энергетики.

7. Поручить заместителю директора Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН И. Я. Редько дополнить рабочую группу по разработке и строительству аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт в составе МЭК.

8. Поручить председателю совета директоров ООО «Устойчивое развитие» С. А. Нехаеву подготовить рекомендации по формированию современной финансовой инфраструктуры, механизмов и инструментария для внебюджетного финансирования объектов и проектов распределённой энергетики с использованием аэрокосмических солнечных электростанций.

9. Провести в первом полугодии 2016 года расширенное совещание по вопросам реализации проекта с участием привлекаемых предприятий.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Энергия Вселенной. Самые мощные объекты в космосе. Космические путешествия HD 01.04.2017

✪ Космическая энергия - Вадим Зеланд

✪ Последние космические шаги СССР (РН Энергия)

✪ Урок 118. Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия. Вторая космическая скорость

✪ Евгений Аверьянов - Невезение, космическая энергия и генератор метелка

Субтитры

Хронология развития космической энергетики