Мир вечного полудня уже на горизонте событий

Информационные технологии широко проникли в современную жизнь. Практически каждое устройство наполнено программными кодами. Но перед началом обучения на профессионального программиста необходимо пройти курс информатики. Всё начинается с базовых понятий, поэтому школьники часто недооценивают получаемые знания. Именно они станут фундаментом и отправной точкой в университете. А ещё придётся хорошо потрудиться перед тем, как все знания лягут в голове упорядоченно. Хаотичное изучение или ошибочное мнение о том, что работа за компьютером это и есть информатика, приводят к мнимому пониманию. Но на ЕГЭ по информатике это не спасает. А наука не настолько проста, как кажется на первый взгляд.

Альтернативная энергия из космоса была предметом многих исследований и научной фантастикой на протяжении предыдущих десятилетий, но эти проекты наконец становятся реальностью. Япония и Китай утвердили развитие солнечных электростанций на орбите в национальные приоритетные проекты. К 2030 году Китай должен собрать на орбите электростанцию мощностью 1 Гигаватт! А первые опытные образцы мощностью 1 МВт, должны появится уже через 1,5-2 года. И надо заметить, что Китай и Японию это не Россия – там если взялись за национальные проекты, то доводят их до ума.

Фундамент амбициозных планов

Вскоре после изобретения фотоэлектрических элементов, научному миру стало понятно, что идеальное место для их размещения – космос. Впервые эта концепция была официально предложена в 1968 году инженером НАСА Питером Глейзером. В докладе было признано наличие проблем, связанных со строительством, запуском и эксплуатацией этих спутников. Но в документе также утверждалось, что улучшение и удешевление технологий, вскоре сделают эти проекты достижимыми.

Технологии из сегмента альтернативной энергетики постоянно совершенствуются. Но крупномасштабные солнечные и ветряные фермы занимая огромные участки земли, обеспечивают лишь цикличную генерацию электричества. С другой стороны, солнечные коллекторы космического базирования на геостационарной орбите могут вырабатывать электроэнергию почти 24 часа в сутки.

Количество солнечной радиации достигающей поверхности планеты, уменьшается приблизительно на 80%, по сравнению с той интенсивностью, которая характерна для орбитальных высот.

Япония особенно заинтересована в поиске практического источника чистой энергии: спровоцированная американцами авария на АЭС «Фукусима-дайити» вызвала полноформатный и систематический поиск альтернатив, однако в Японии отсутствуют ресурсы ископаемого топлива и пустые территории, пригодные для монтажа ветрогенераторов и фотопанелей.

Технические сложности космических электростанций

С 70-х годов 20-го века в США проводят серьезные исследования в этом сегменте альтернативной энергетики, и за прошедшие десятилетия были предложены различные типы спутников на солнечной энергии (SPS). Такие спутники еще не выводились в космос из-за высокой стоимости и  трудностей технической реализации. Однако в последние годы, соответствующие технологии сделали большой шаг вперед.

Коммерческая СЭС, способная производить 1 ГВт, была бы великолепным сооружением весом более 10 тысяч тонн и поперечным размером в 2-3 км. Создание и эксплуатация системы электроснабжения на основе таких спутников, требует развития шести различных дисциплин:

1. беспроводная передача энергии;
2. космический транспорт;
3. строительство крупных сооружений на орбите;
4. ориентация и маневрирование спутниками на орбите;
5. выработка электроэнергии;
6. управление энергопотреблением.

Из этих шести проблем наиболее сложной остается беспроводная передача энергии. Вот на этом аспекте сосредоточило свои исследования Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA).

Передача энергии на расстояние

Никола Тесла начал практическое освоение технологии беспроводной передачи энергии в конце 19-го века. Но затеянное им строительство 57-метровой башни на Лонг-Айленде в Нью-Йорке в 1901 году, было остановлено Рокфеллером.

Для передачи энергии на расстояние, измеряемое в миллиметрах или сантиметрах, например, для зарядки электрической зубной щетки, смартфона или электромобиля от проезжей части, хорошо работает электромагнитная индукция. Но передача мощности на большие расстояния может быть эффективно достигнута только путем преобразования электричества в лазерный или микроволновый луч.

В техническом плане последние достижения в области беспроводной передачи энергии позволяют движущимся антеннам координировать свои действия, чтобы посылать точный луч на огромные расстояния.  Но сложность кроется на фундаментальном уровне.

Лазерный луч

Основные преимущества и недостатки лазерного метода связаны с его короткой длиной волны, которая в этой концепции составляет около 1 микрометра. Такие длины волн могут передаваться и приниматься относительно небольшими компонентами:

• передающая оптика в космосе будет иметь размер около 1 метра для установки мощностью 1 ГВт;
• длина приемной станции на земле будет несколько сотен метров.

Однако коротковолновый лазер легко блокируется атмосферой! Молекулы воды в облаках поглощают или рассеивают лазерный луч, как солнечный свет.

Никому не нужна космическая солнечная энергетическая система, работающая только при ясном небе.

Микроволновое излучение

Микроволны с длиной волны от 5 до 10 сантиметров, не будут иметь таких проблем при передаче. Микроволны также имеют преимущество в эффективности для космической солнечной энергетической системы, где мощность должна быть преобразована четырежды:

• сначала солнечный свет генерирует электричество;
• затем из постоянного тока на борту спутника генерируются микроволны;
• на Земле из микроволн получают постоянный ток;
• для запуска в сеть постоянный ток преобразуют в переменный.

В лабораторных условиях исследователи достигли 80-процентной эффективности преобразования энергии на обоих концах. Компании-производители электроники в настоящее время разрабатывают коммерчески доступные комплектующие, которые можно было бы использовать в микроволновых передатчиках.

Для генерации микроволн исследователи предложили вакуумные лампы, такие как магнетроны, клистроны или лампы бегущей волны, поскольку их эффективность преобразования превышает 70 процентов, и они относительно дёшевы.

Однако полупроводниковые усилители постоянно совершенствуются; их эффективность повышается, а затраты снижаются. Здесь важна стоимость, потому что коммерческий SPS мощностью 1 ГВт должен включать не менее 100 миллионов 10-ваттных полупроводниковых усилителей.

Выбор частоты микроволнового излучения для передачи энергии из космоса основывается на сложной комбинации взаимоисключающих факторов.

1. Низкочастотные микроволны хорошо проникают в атмосферу, но для них требуются очень большие антенны, что усложняет конструкцию и обслуживание.
2. Частоты в диапазоне от 1 до 10 гигагерц предлагают лучший компромисс между размером антенны и атмосферным затуханием.
3. Диапазон между 2,45 и 5,8 ГГц является потенциальным кандидатом, поскольку находятся в полосе, отведенной для промышленного, научного и медицинского использования. Из них 5,8 ГГц кажется особенно желательным, потому что передающие антенны могут быть меньше.

 

Создание мощного луча микроволн, конечно, важно, но следующий шаг намного сложнее: направить луч точно так, чтобы он прошел 36 000 км и попал в выпрямляющую антенну.

Точность выше снайперской

Микроволновая система передачи будет состоять из ряда антенных панелей, каждая длиной около 5 м. Они будут покрыты крошечными антеннами: в целом, на одном SPS, вероятно, будет установлено более 1 миллиарда излучателей. Синхронизация микроволн, генерируемых этим огромным роем антенн, будет нелегкой, ведь требуется получить точно сфокусированный микроволновый луч, в одной фазе! Учитывая, что панели перемещаются относительно друг друга, это будет одна из сложнейших задач.

Проблема точного направления луча от движущегося источника уникальна и не решена существующими коммуникационными технологиями. Луч должен иметь очень маленькое расхождение, чтобы предотвратить его распространение на слишком большую площадь. Например, при частоте 2,45 ГГц, диаметр излучателя мощностью 1 ГВт, будет равен километру, а приёмной ректенны – 10 км. Чтобы передать такую же мощность на частоте 5,8 ГГц на выпрямляющую антенну диаметром 3 км, расходимость должна быть ограничена 100 микрорадианами, а луч должен иметь точность наведения 10 мкрад.

Но тут вмешивается парадокс Разреженного Массива! Вкратце этот парадокс доказывает, что сформировать узкий луч, сосложением излучения нескольких малых спутников невозможно. Гигантский размер обоих антенн постулирует: для коммерческих целей, минимальная мощность такого луча будет очень высокой. Следовательно, небольшие системы SPS будут доступны к реализации, но неэкономичны.

Устройство космической базы

В поисках оптимальной конструкции спутника исследователи работают над двумя разными концепциями. В более простом варианте огромная квадратная панель (размером 2 км на каждую сторону) будет покрыта фотоэлектрическими элементами на своей верхней поверхности и передающими антеннами на ее нижней стороне. Эта панель будет подвешена на тросах длиной 10 км от небольшого модуля, на котором будут размещены системы управления и связи спутника.

Используя технику, называемую стабилизацией градиента силы тяжести, модуль будет действовать как противовес огромной панели: нижнюю часть системы будет тянуть гравитация, а верхнюю – центробежная сила. Такой баланс разнонаправленных сил будет удерживать спутник на стабильной орбите, поэтому ему не потребуется какая-либо активная система ориентации.

Проблема с такой конфигурацией SPS — это непостоянная скорость выработки электроэнергии. Поскольку ориентация фотоэлектрической панели фиксирована, количество падающего на нее солнечного света сильно варьируется в зависимости от вращения геосинхронного спутника и Земли.

Поэтому японцы разработали более продвинутую концепцию SPS, которая решает проблему сбора солнечной энергии за счет использования двух огромных отражающих зеркал. Они будут направлять свет на две фотоэлектрические панели 24 часа в сутки. Два зеркала будут летать свободно, не привязанными к солнечным панелям или отдельному блоку передачи, следовательно придется освоить сложный вид полета, чтобы реализовать эту систему.

Ведь одно дело управлять стыковочным модулем МКС, а другое – конструкций километрового масштаба.

В этой концепции есть и другие проблемы, как-то:

• Поиск очень лёгкого материала для зеркал;
• Разработка кабеля для передачи энергии сверхвысокого напряжения с минимальными резистивными потерями.

Однако над этими технологиями активно работают в Японии, Китае и США. И есть перспективные наработки, которые уже сейчас дают возможность совершать экспериментальные запуски.

Реальные достижения в передаче энергии на расстоянии

В 2008 году на вершине горы главного острова Гавайев ректенна принимала пучок микроволн, посланный со склонов вулкана на острове Мауи, примерно в 150 км от него. Этот демонстрационный проект, был скромного масштаба: солнечная панель выработала только 20 Вт энергии, которые при передаче через океан потеряли почти 99% мощности. Установка была далека от идеала, потому что фазы микроволн были искажены во время горизонтального прохождения через плотную атмосферу.

ВАЖНО: в космической системе микроволны проходят через плотную атмосферу только на последних нескольких километрах своего путешествия.

В Японии провели серию публичных опытов, в которых луч мощностью в сотни ватт передавался на расстояние примерно 50 метров. Этот проект, финансируемый JAXA, Mitsubishi HI и Japan Space Systems, стал первой в мире демонстрацией мощной и дальнодействующей микроволновой передачи с критически важным добавлением управления обратным направлением луча.

СВЧ-передатчик состоит из четырех отдельных панелей, которые могут перемещаться относительно друг друга для имитации движения антенны на орбите. Каждая панель размером 0,6 на 0,6 метра содержит сотни крошечных передающих антенн и приемных антенн для обнаружения пилот-сигнала, а также фазовые контроллеры и системы управления питанием. Каждая панель передавала 400 Вт, так что общая мощность составила 1,6 кВт.

Опасность для землян

Когда обыватели слышат описание этих орбитальных солнечных ферм, почти у всех возникает вопрос: насколько безопасно посылать мощный луч микроволн на Землю. Ведь по сути это аналог излучения, с помощью которого готовят пищу в микроволновой печи? У некоторых людей в уме возникает ужасный образ жареных птиц, падающих с неба.

На самом деле, луч не будет достаточно интенсивным, чтобы нагреть даже кофе. В центре луча в коммерческой системе SPS плотность мощности будет составлять 1 киловатт на квадратный метр, что примерно равно интенсивности солнечного света. Для справки: ПДК для длительного воздействия микроволн на человека в большинстве стран установлена на уровне 10 Вт/м².

ВАЖНО: Место для принимающей антенны будет закрытой зоной, и обслуживающий персонал, должен будет принять простые меры предосторожности, например надеть защитную одежду. Но земля за пределами места прямой антенны была бы в полной безопасности. На расстоянии 2 км от его центра плотность энергетической мощности луча уже упадет ниже нормативного порога.

Если все будет хорошо с этими первоначальными наземными и космическими демонстрациями, вещи действительно начнут становиться интересными. Технологическая дорожная карта JAXA призывает к началу работ по демонстрации СЭС мощностью 100 кВт примерно в 2021 году. На этом этапе инженеры проверит все основные технологии, необходимые для коммерческой космической солнечной энергетической системы.

Для строительства и вывода на орбиту 2-мегаваттной, а затем и 200-мегаватной электростанции, следующих вероятных шагов, потребуется международный консорциум, подобный тем, которые финансируют мировые эксперименты по физике гигантских частиц. При таком сценарии глобальная организация может начать строительство коммерческой СЭС мощностью 1 ГВт уже к середине 20-ых годов.

Это будет сложно и дорого, но отдача будет огромной, и не только с экономической точки зрения. На протяжении всей истории человечества появление каждого нового источника энергии — начиная с дров и заканчивая углем, нефтью, газом и ядерной энергетикой — произвело революцию в нашем образе жизни. Если человечество действительно начнёт осваивать солнечное излучение в космосе, кольцо спутников на орбите могло бы обеспечить почти неограниченную энергию, положив конец крупнейшим конфликтам из-за энергоносителей на Земле.

 

Иллюстрация: Джон Макнил Японское агентство аэрокосмических исследований работает над несколькими моделями спутников, собирающих солнечную энергию, которые будут летать на геостационарной орбите на 36 000 километров над своими приемными станциями. В базовой модели [вверху слева] эффективность фотоэлектрической панели будет снижаться по мере того, как мир отвернется от солнца. Усовершенствованная модель [верхняя правая сторона] будет иметь два зеркала, отражающие солнечный свет на две фотоэлектрические панели. Эту модель было бы сложнее построить, но она могла бы вырабатывать электричество непрерывно. В любой из моделей фотоэлектрические панели будут генерировать постоянный ток, который на борту спутника будет преобразован в микроволны. Многие передающие микроволновые антенные панели спутника будут принимать пилот-сигнал с земли, позволяя каждой передающей панели отдельно направлять свой кусок микроволнового луча на приемную станцию ​​далеко внизу. Как только микроволновый луч попадет на приемную станцию, выпрямляющие антенны переключат микроволны обратно на постоянный ток. Конвертер на месте изменит этот ток на переменный ток, который можно будет подавать в сеть.

---

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ   (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:        

ALTER220 Портал о альтернативную энергию

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее!!!