В мире есть два пути решения энергетических проблем: эффективный и приятный

Naked ScienceHi-Tech

Солнечная электростанция в космосе: путь для решения земных проблем или наоборот?

Александр Березин

Давным-давно — более 80 лет назад — один известный фантаст предложил построить в космосе огромную орбитальную солнечную электростанцию и оттуда микроволнами передавать получаемую энергию на Землю. Хотя с тех пор прошло немало лет, его концепция все еще активно обсуждается космическими агентствами и правительствами по всему миру. Но есть причины, по которым она вряд ли будет реализована. И тем не менее польза от таких станций может быть огромной — вот только не для Земли. Попробуем разобраться в деталях.

В 1941 году Айзек Азимов опубликовал рассказ «Логика» (Reason). В нем в качестве декорации к сюжету фигурирует колоссальная солнечная электростанция, получающая электричество от фотоэлементов. Затем она вырабатывает с помощью этого электричества микроволны, направляемые на поля принимающих антенн (а точнее — ректенн) на Земле. На тот момент у Азимова не было высшего образования, да и рассказ, в общем-то, был совсем не про энергетику (а про робототехнику), поэтому деталей там не так много. Но именно в этот момент родилась идея, циркулирующая в нашем мире до сих пор и со временем не теряющая популярность.

Да что там популярность. В 2008 году Япония даже приняла специальный закон, в котором провозгласила строительство такой станции ключевой национальной целью. Китай тоже периодически заявляет о намерениях строить нечто подобное, США не оставляют эту тему. В чем причина такого интереса?

Все дело в том, что в мире есть два пути решения энергетических проблем: эффективный и тот, что нам нравится. В последние лет 70 у нескольких групп представителей человечества эти пути существенно разошлись. Тепловая энергетика не нравится практически никому, кроме нефтяных компаний: слишком много людей (сотни тысяч) от нее умирают каждый год. Атомная энергетика не нравится общественности, а солнечная, как показывают специальные научные работы, даже при самых щедрых допущениях не может покрыть основную часть потребностей человечества в электричестве. И это мы даже не погрузились в проблему тепла, а ведь на его генерацию наш вид тратит намного больше энергии, чем на выработку электричества.

Солнечные электростанции на Земле имеют такие ограниченные перспективы не просто так. Причина — в базовой физике. На нашей планете половину времени ночь, а электричество нужно и тогда, когда солнце не светит. Огромную часть дневного времени небо затянуто облаками, и в итоге за год солнечная электростанция в умеренном климате вырабатывает в 8–10 раз меньше энергии, чем атомная той же мощности. Потому что АЭС работает больше 8000 часов в году, а СЭС в районе, например, Москвы — около 1000. Причем слабее всего — зимой, когда электричество всего нужнее.

Плюсы космических масштабов

Теперь легко понять, почему Азимов так увлекся космическими солнечными электростанциями. На околоземной орбите нет облаков. Если вывести станцию на геостационарную орбиту, она будет работать весь год, кроме небольшого числа коротких затмений (по 72 минуты, близ равноденствия, когда Земля встанет между ней и Солнцем). При КПД солнечных батарей 40% — такой имеют фотоэлементы на арсениде галлия — с 1 квадратного метра станция будет вырабатывать 4400 киловатт-часов в год. Планета потребляет примерно 25 триллионов киловатт-часов, значит 6 миллиардов квадратных метров солнечных батарей хватит для удовлетворения всех ее потребностей. Это вроде бы много — 6 миллиардов, но в квадратных километрах это всего 6000 (примерно четыре площади Санкт-Петербурга). Правда, арсенид галлия дорог, а КПД кремниевых солнечных батарей ниже всего 25%. Но и с ними 9000–10 000 квадратных километров солнечных батарей в космосе хватит на всех.

Любой солнечной орбитальной электростанции кроме самих фотоэлементов потребуется собственная мини-ЛЭП и крупный микроволновый излучатель, иначе передать энергию на Землю не выйдет. Источник: NASA

Плюсы космоСЭС кажутся такими очевидными, что иноземные сверхцивилизации многие ученые и фантасты стали представлять себе базирующимися именно на солнечных электростанциях в космосе — вспомним известную «сферу Дайсона». Особенно это ощущение усилилось после начала разработки Starship, крупного носителя, от которого ожидают цен вывода ~100 долларов за тонну. Это в десятки раз ниже современных цен на доставку грузов в космос, и, кажется, это должно позволить развертывание солнечной энергетики в космосе. Откроем западные научпоп-ресурсы, там прямо так и пишут: «Время космической солнечной энергетики может наконец настать. Старая научно-фантастическая мечта может стать реальностью в следующее десятилетие или около того, считает ряд исследователей».

Невидимые минусы космической энергетики

Сама по себе солнечная батарея может быть очень легкой — буквально 100 нанометров толщиной. Но ей нужна подложка, обеспечивающая механическую прочность, проводник, отводящий ток, стеклянное покрытие, снижающее износ, и — в условиях космоса это очень важно — металлическая поверхность сзади, отводящая тепло в виде инфракрасного излучения. Если отвод тепла будет недостаточным, батарея начнет перегреваться и быстро деградировать.

Из всего этого следует: каждый солнечный киловатт в открытом космосе на сегодня не может быть существенно легче 6-7 килограммов. А с учетом передающей на Землю аппаратуры (пока еще даже не созданной), не менее 10.

Тогда его вывод на Starship будет стоить 1000 долларов (10 х 100). Да, это стоимость солнечных батарей с установкой на Земле, то есть формально цена за киловатт мощности такой СЭС растет вдвое. Но и отдача от нее растет едва ли не в десять раз, то есть коммерчески это более чем оправданно.

Однако есть нюансы. Первый: на геостационарную орбиту любой носитель выводит во много раз меньше грузов, чем на низкую околоземную. Значит, цена вывода туда во много раз выше, чем цена доставки на низкую орбиту. Получается, что почти в десять раз более высокая выработка будет перекрыта ценой доставки, почти в десяток раз удорожающей сами фотоэлементы.

Развернуть солнечные электростанции на низкой орбите можно, но тогда половину времени они будут в тени Земли, то есть отдача падает сразу вдвое. В теории, она все равно выше, чем на нашей планете. Но на практике главную проблему солнечных батарей — прерывистость их выработки — на низкой орбите не решить.

Чтобы электричество с орбиты могло конкурировать по цене с электричеством от наземных источников, нужно выводить грузы на геостационарную орбиту не дороже 200 долларов за килограмм. Это реально, только если Starship смогут выводить килограмм груза на низкую орбиту не за 100 долларов, а за кратно меньшие деньги. Пока такие оптимистичные оценки дает разве что сам Илон Маск. Несмотря на все его несомненные заслуги в области космоса, реализация такой стоимости выведения вызывает серьезные сомнения у всех остальных.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Дети декабря Дети декабря

Декабристы — безумцы, герои, предатели или лучшие сыны нации?

Дилетант
История единственной порнозвезды Афганистана, сбежавшей от «Талибана» (фото прилагаются) История единственной порнозвезды Афганистана, сбежавшей от «Талибана» (фото прилагаются)

Жизнь порноактрисы Ясмины Али похожа на сценарий блокбастера, но все интереснее

Maxim
7 мифов о популярных продуктах питания - эта еда точно есть в вашем холодильнике 7 мифов о популярных продуктах питания - эта еда точно есть в вашем холодильнике

Популярные мифы заставляют неправильно менять свои пищевые привычки

Популярная механика
Поле чудес Поле чудес

Что происходит на территории закрытого гольф-клуба в Сколково?

AD
#Эстетственный отбор #Эстетственный отбор

Исследуем внутренний мир и эстетические ориентиры поколения Z

Esquire
Что делать в Катаре зимой Что делать в Катаре зимой

Причины, по которым нужно провести холодный сезон в Катаре

GQ
Советский поезд на магнитной подушке четверть века провел Советский поезд на магнитной подушке четверть века провел

ТП — удивительные советские поезда на магнитной подушке

Популярная механика
Наша настоящая повестка — ГОЭЛРО-3 Наша настоящая повестка — ГОЭЛРО-3

России необходимо заняться комплексной модернизацией энергосистемы

Эксперт
В поисках себя В поисках себя

Изменения моды: смешение гендерных ролей, появление нейтрального гардероба

Домашний Очаг
Мы ищем таланты Мы ищем таланты

8 основных типов дарований и способы раскрыть свой потенциал

Лиза
Три рецепта счастья для молодого одинокого дедушки Три рецепта счастья для молодого одинокого дедушки

Когда в 34 года становишься одиноким дедом, может это с тобой что-то не так?

СНОБ
Алиса умеет мечтать Алиса умеет мечтать

Алиса Вольская рассказывает Ариану Романовскому свою версию «Дьявол носит Prada»

Tatler
Другой принц Уильям: история кузена Елизаветы II — плейбоя, погибшего в 30 лет Другой принц Уильям: история кузена Елизаветы II — плейбоя, погибшего в 30 лет

Другой принц Уильям — он собирался жениться по любви, но трагически погиб

Cosmopolitan
Важные вещи, которых не хватает на планете, а ты и не подозревал Важные вещи, которых не хватает на планете, а ты и не подозревал

Подборка дефицитных вещей, без которых пандемия покажется цветочками

Maxim
С легким паром, или как правильно париться в бане: 10 полезных советов С легким паром, или как правильно париться в бане: 10 полезных советов

Что может быть лучше настоящей русской баньки с ароматным веником?

Playboy
За сколько можно похудеть на 10 кг и больше: 4 женщины рассказали о своем опыте За сколько можно похудеть на 10 кг и больше: 4 женщины рассказали о своем опыте

Историй похудения: этим женщинам удалось похудеть на 10 кг и даже больше!

Cosmopolitan
Скандальный дайджест: стереотипы про русских, вторжение в «Бойцовский клуб» и устарелые гномы Скандальный дайджест: стереотипы про русских, вторжение в «Бойцовский клуб» и устарелые гномы

Обзор тревожных, оскорбительных, неосторожных и прочих сомнительных жестов

GQ
Пропал звук на ноутбуке: решаем проблему несколькими способами Пропал звук на ноутбуке: решаем проблему несколькими способами

Разбираем причины проблем со звуком на ноутбуке и способы их решения

CHIP
Входит и выходит Входит и выходит

За связи с Эпштейном британского принца Эндрю изгнали из приличного общества

Tatler
Исцеляющие кристаллы: что о них нужно знать Исцеляющие кристаллы: что о них нужно знать

Какой целебной силой многие люди наделяют кристаллы

Cosmopolitan
Ела бы и ела: Какие продукты еще сильнее разжигают аппетит Ела бы и ела: Какие продукты еще сильнее разжигают аппетит

Если ты хочешь похудеть, стоит избегать этих продуктов

Лиза
Мотор, экшен! Мотор, экшен!

Фэшн-директор Лиля Симонян — о самых необычных моментах на модных съемках

Elle
В пазырыкском погребении нашли 26 золотых бляшек в форме крадущихся тигров и бараньих голов В пазырыкском погребении нашли 26 золотых бляшек в форме крадущихся тигров и бараньих голов

Археологи исследовали артефакты из могильника Сигоу, расположенного в Синьцзяне

N+1
Обыкновенные шакалы колонизировали Эстонию меньше чем за десять лет Обыкновенные шакалы колонизировали Эстонию меньше чем за десять лет

В последние десятилетия обыкновенные шакалы быстро расселяются по Европе

N+1
Полупроводниковые кубиты вступили в квантовую гонку Полупроводниковые кубиты вступили в квантовую гонку

Ученые смогли показать возможности квантовых процессоров на полупроводниках

N+1
Самые романтичные фильмы о новогодних чудесах Самые романтичные фильмы о новогодних чудесах

Увлекательные фильмы, которые погрузят вас в атмосферу новогоднего чуда

Cosmopolitan
Мода, наркотики, йога: как менялась внешность Кейт Мосс за последние 30 лет Мода, наркотики, йога: как менялась внешность Кейт Мосс за последние 30 лет

Как менялась внешность культовой модели Кейт Мосс 1990-х за последние 30 лет

Cosmopolitan
Чудеса изобретательности Джеффа Безоса: зачем Amazon поощряет научную фантастику Чудеса изобретательности Джеффа Безоса: зачем Amazon поощряет научную фантастику

Отрывок из книги Алекса Кантровица об успехах IT-компаний

Forbes
Смена привычек. Зимний тест электрического Jaguar i-Pace Смена привычек. Зимний тест электрического Jaguar i-Pace

Как тест Jaguar i-Pace превратился в проверку городской зарядной инфраструктуры

РБК
Сколь велик шанс, что вокруг — Матрица, а мы на самом деле живем в симуляции? Сколь велик шанс, что вокруг — Матрица, а мы на самом деле живем в симуляции?

«Гипотеза симуляции» — все вокруг реальность или симуляция?

Популярная механика
Открыть в приложении