Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин
Во-первых, отмечу, что самые ранние документы, описывающие сбор солнечной энергии, восходят к Древней Греции. Ещё Сократ писал: «В домах, смотрящих на юг, зимнее солнце проникает через галерею, а летом путь солнца проходит над нашей головою и прямо над крышей, из-за чего образуется тень». Эти наблюдения существенно повлияли на древнегреческую архитектуру и спасли греков от серьёзного энергетического кризиса, с которым они столкнулись в V веке до н. э.
Основное на тот момент топливо, древесный уголь, заканчивалось, так как греки вырубили близлежащие леса совершенно беспощадно. Дело дошло до введения квот на лес и уголь, а оливковые рощи требовалось защищать от граждан.
Для того чтобы кризиса избежать, одного только контроля было мало, поэтому греки пришли к тому, что начали максимально тщательно планировать городскую застройку, чтобы каждый дом смог воспользоваться по максимуму преимуществами солнечной энергии, которую описал Сократ.
В дальнейшем технологии сбора солнечной энергии, преобразуемой в тепло, развивались. Древнегреческие принципы городской застройки были позаимствованы колонистами Новой Англии, а самые обыкновенные пассивные солнечные водонагреватели, создать которые не сложнее, чем покрасить бочку в чёрный цвет, продавались в США вплоть до конца XIX века.
Эти системы становились всё сложнее. Появились солнечные коллекторы, прокачивающие воду через поглощающие или фокусирующие свет панели. В особо морозных регионах начали применять двухжидкостную систему, в которой солнце греет смесь воды с антифризом, проходящую через спираль в баке для хранения воды, выполняющего заодно роль теплообменника. Солнечные коллекторы сегодня устанавливаются по всему миру, и больше всего их в пересчёте на душу населения в Австрии, на Кипре и в Израиле.
История же современных солнечных панелей начинается в 1954 году, когда в лаборатории Белла был открыт практический способ добычи электричества из света, благодаря созданию фотовольтаического (преобразующего давление света в электрический ток) материала из кремния.
В дальнейшем эти технологии развивались со всё ускоряющимися темпами. С 1980 года цены на панели упали в сто раз. Согласно оценкам экспертов, уже к 2023 году мощность установок во всем мире превысит 1 ТВт, а к 2050 году достигнет 30–100 ТВт. Так почему человечество до сих пор не перешло на солнечную энергетику?
Начнём с того, что, для того чтобы вытеснить ископаемое топливо, солнечная энергетика должна работать максимально стабильно и надёжно как на экваторе, так и на полюсах, независимо от погоды. С одной стороны, производители закладывают срок службы панелей в диапазоне 25–35 лет. Собственно, скажем, в США менее 1 % панелей выходят из строя в течение первых пяти лет работы. Получается, нет проблем?
Не совсем так. Например, во время шторма в Техасе в 2019 году град диаметром до 7 см разрушил модули солнечных панелей, питавших около 20 000 домов, из-за чего страховые убытки превысили 75 млн долларов.
Теперь представьте, что энергетический сектор перешёл в основном на солнечную энергетику – количество страховых случаев возрастёт многократно, что приведёт к потере доходов и, как следствие, к энергетическому кризису.
Тем не менее есть и положительные примеры. Скажем, когда всё в том же Техасе из-за сильнейших заморозков 10 млн человек лишились электричества и тепла, а общий ущерб составил около 130 млрд долларов, производство именно солнечной энергии практически не пострадало. Тем не менее на него сегодня приходится около 2 % всей энергии в штате.
Так может всё-таки в космос?
Солнечные электростанции на Земле имеют серьёзные недостатки по довольно банальной причине – из-за физики. Мало того что половину времени на планете ночь, так ещё и существенную часть дневного времени суток небо затянуто облаками, что в итоге приводит к тому, что за год солнечная электростанция в умеренном климате вырабатывает в 8 раз меньше энергии, чем, скажем, атомная той же мощности.
Климат на планете равномерным не будет (во всяком случае, не в обозримом будущем), а потенциал солнечной энергетики мало кто оспаривает. Как и сказано выше, концепция солнечных электростанций в космосе появилась ещё до наступления эры космонавтики. В 1941 году Айзек Азимов опубликовал рассказ «Логика» (Reason), в котором без особых подробностей описал солнечную электростанцию, генерирующую с помощью фотоэлементов электроэнергию, которая, преобразовываясь в микроволны, отправляется на Землю, где расположено поле принимающих антенн (ректенн).
Интересно, что у Азимова на тот момент даже высшего образования не было, да и рассказ был совсем не про энергетику, но вскользь упомянутая технология с тех пор напрочь укоренилась сначала в умах фантастов, а затем и учёных по всему миру.
В 2008 году Япония стала первой страной, принявший специальный закон, в рамках которого национальной целью стало строительство космической солнечной электростанции. Многие страны уже включились в эту гонку, ведь энергетические проблемы, так или иначе, существуют, и решать их надо. Ну а тот, кто сделает это раньше остальных, скажем прямо, соберёт все сливки.
О том, что тепловая энергетика непосредственно приводит к смертям тысяч людей, уже сказано. Атомная довольно сильно себя дискредитировала из-за нескольких очень серьёзных аварий. И только солнечная в глазах общественности является наиболее перспективной, несмотря на то что данные, имеющиеся сегодня, говорят, что она, даже при очень серьёзных допущениях, не скоро сможет покрыть всё возрастающую потребность человечества в электричестве.
Самый очевидный выход – отправить солнечную электростанцию в космос
Все «земные ограничения» в космосе снимаются: облаков нет, а на геостационарной орбите станция всегда будет на Солнце (если быть точным, то кроме небольшого числа коротких затмений по 72 минуты, близ равноденствия, когда Земля будет располагаться между станцией и Солнцем) и над одной и той же точкой планеты.
При среднем КПД солнечных батарей 40 %, который имеют фотоэлементы на арсениде галлия, с одного их квадратного метра станция будет вырабатывать 4 400 кВт/ч в год. Человечество за год потребляет около 25 трлн кВт/ч. Несложными расчётами получаем, что нам необходимо 6 млрд м2 солнечных панелей.
Если вы подумали, что на этом можно заканчивать разговор, то ошиблись, ведь речь идет о 6 000 м2, площади почти четырёх Санкт-Петербургов; вы такую станцию, расположенную на геостационарной орбите, даже не заметите невооружённым глазом. И, повторюсь, речь о том, что одна такая станция (или, скажем пять с требуемой общей площадью панелей) позволит отказаться от всех остальных источников энергии на Земле.
Даже если учесть, что арсенид галлия слишком дорог, а КПД кремниевых солнечных батарей не превышает 25 %, то с ними станция вырастет менее чем в два раза – до 10 000 км2.
Малозаметные минусы космической солнечной энергетики
Самый очевидный минус – это устройство солнечных панелей для космоса. Вообще, панель можно сделать максимально тонкой, вплоть до 100 нм, но это ведь не всё. Чтобы создать работающее устройство, необходимы подложка, которая обеспечит механическую прочность, проводник для отвода тока, стеклянное покрытие, которое будет снижать её износ, и, когда мы
