Napenergia az űrből: a jövő energiája? Űrenergia felhasználása Vezeték nélküli energiaátvitel a Földre.

Az űrenergia a napsugárzás űrben történő felhasználását jelenti energiaforrásként. Míg ez a fajta energia inkább a jövő ötlete, ezen a területen még csak tervezés alatt állnak a projektek. Mindazonáltal az energiabiztonság kérdése meglehetősen akut az emberiség számára. A világ olaj-, gáz- és szénkészletei kimerülnek, még az urán- és tóriumkészlet is csökken. A termonukleáris energia jövője is homályos. Van azonban egy csodálatos és teljesen ingyenes termonukleáris fúziós reaktor, amely balra és jobbra szétosztja az energiát – ez a mi Napunk. Igen, a napenergia nagyon gyorsan fejlődik a Földön. De bolygónk felszínén, bárhol is legyen a naperőmű, van egy hátránya - éjszaka, ezen kívül felhők és por, valamint egyéb kellemetlenségek is vannak.

De ebben az esetben a logikus következtetés az, hogy erőműveket telepítsenek az űrbe. Ott folyamatosan süt a Nap. Például egy erőművet geostacionárius pályára állíthat.Az SPS (Solar Space Power Plant) első ötletét, amely energiával látná el bolygónkat, Peter Glaser cseh származású amerikai tudós fogalmazta meg 1968-ban. Egyszer egy holdreflektor-távmérőt készített, amelyet az Apollo 11 expedíció telepített a Holdra. Az SCES ötletét Peter Glaser tette közzé a Science folyóiratban, és azonnal szabadalmaztatta. Akkor még úgy tűnt, hogy a közeljövőben megvalósul ez az ötlet, de ez még nem történt meg.

Space napelem állomás

Az amerikai Solaren cég 2009 hajnalán szerződést írt alá egy kaliforniai energiacéggel, hogy megkezdje a világűrben termelt villamos energia ellátását 200 MW teljesítménnyel. már 2016 óta. Vagyis öt éven belül a mindössze mintegy tíz embert foglalkoztató cég nemcsak egy űrerőmű felépítését ígérte a Föld pályájára, hanem 250 millió ember elektromos energiaszükségletének kielégítését is. Érdemes megjegyezni, hogy a 200 MW az egyik legnagyobb orosz vízerőmű - a Nyizsnekamszki vízerőmű - megtermelt kapacitásának körülbelül egyötöde.

Aztán 2009-ben egy tizenhat japán vállalatból álló csoport, amelybe olyan óriáscég is tartozik, mint a Mitsubishi, megállapodást fogadott el saját, 1 GW teljesítményű naperőművük megépítéséről. 2030-ra. A Mitsubishi Heavy Industries hivatalosan irányítja a teljes projektet. A cégcsoport elsődleges célja a vezeték nélküli energiatranszfer technológia megalkotása, melynek megoldása a tervek szerint 2013-ra készül el. A kutatók szerint elméletileg lehetséges energiát átvinni az űrből a Földre mikrohullámú sugárzás segítségével. De hogy ezt a gyakorlatban hogyan lehet megvalósítani, még nem világos. Még mindig nehéz megbecsülni az űrvillany költségét, de az egyértelmű, hogy 1 GW. A SKES energiája mintegy 300 ezer lakóépület áramellátására elegendő. A tudósok számításai szerint egy ilyen nagy teljesítményű generátor létrehozásához a Föld körüli pályán egy sor napelemes fotocellát kell felépíteni egy magasságban. 36.000 km. és összterülete 4 km2. Az áramtermelés azonban éjjel-nappal, megszakítások nélkül, bármilyen időjárási viszonytól függetlenül megtörténik, a közvetlen napsugárzás pedig csak négyszeresére növeli a megtermelt energia teljesítményét a földi napelemekhez képest. A projektben részt vevő egyik vállalat vezetője, Hiroshi Yoshida megjegyezte, hogy 2040-re az emberiség már akkumulátorokat termel.százszor nagyobb teljesítmény, mint a mai napelemek.

Ami a projekt gazdasági elemét illeti, a Mitsubishi Heavy Industries egyetértett abban, hogy ez a projekt lesz a lehető legdrágább projekt ezen a területen, de ez a megközelítés teszi lehetővé a maximális megtérülést. A projekt végső költségeit még nem határozták meg, de az alapítók az első szakaszban megállapodtak abban, hogy 21 milliárd dollárt fektetnek be ebbe az üzletbe. Az általános költségek csökkentése érdekében Japán saját űrszállítást fog létrehozni. A projektfejlesztők azonban minden körülmények között 2040-ig várják az ilyen költségek megtérülését.

A fejlesztők a projekt legkockázatosabb részeit egy speciálisan felbocsátott tesztműholdon dolgozzák ki. Ez egy miniatűr naperőmű lesz. A JAXA japán űrügynökség közölte, hogy a szondát 2015-ben indítják fel. Ha a teszt sikeres lesz, a japán vállalatok már 2016-ban megkezdik a főerőmű alacsony földkörüli pályára történő telepítését. A kutatók azt jósolják, hogy egyelőre, a következő fél évszázadban nem valószínű, hogy egy űrerőmű váltana fel más hagyományos energiaforrásokat, és nem lesz a fő. De az űrenergia mindenképpen elfoglalja a rést. Nos, a világ első űrerőműve a legfontosabb egészségügyi, katonai, távközlési és kormányzati létesítmények szükségáramforrásának tekinthető. Bármilyen természeti katasztrófa vagy katonai támadás esetén az objektumok összekapcsolása a „kozmikus árammal” órákig tart. De szinte lehetetlen áramtalanítani egy űrerőművet, megfosztva a stratégiai létesítményeket az energiától, még nagyszabású természeti katasztrófák esetén is. Így a tudósok nemcsak az energia kimeríthetetlenségére és erejére hagyatkoznak, hanem a függetlenségre és a megbízhatóságra is. A projektben részt vevő összes vállalat tele van optimizmussal.

Hol helyezzük el a CSP-t? Valószínűleg a GSO-nál. Más pályákon vagy vevőket kell telepítenie az egész bolygóra, vagy egy csomó akkumulátort kell magával vinnie.

Egyelőre ne fantáziáljunk, hanem nézzük a rendelkezésre álló lehetőségeket.

Az Angara hordozórakéta a Plesetsk kozmodromból 3-4 tonnát juttat majd a geostacionárius pályára. Mit rakhatsz beléjük? Nagyon körülbelül 100 négyzetméter napelem. Folyamatosan a Napra fókuszálva és 20 százalékos hatásfokkal négyzetenként 300 W-ot préselhet ki. Tegyük fel, hogy évente 5%-kal lebomlanak (remélem senkit nem lep meg, hogy a napelemek az űrben romlanak a sugárzástól, mikrometeoritoktól stb.).
Számoljunk: (100*300*24*365*20)/2=2 628 000 000 Wh.
A probléma teljes skálájának megértéséhez hagyja, hogy ezek a megawattok veszteség nélkül érjék el a Földet. Az erő lenyűgöző, de mi van, ha nem repülünk sehova. 300 tonna kerozin áll rendelkezésre. A kerozin szinte benzin. Még egy feltételezést tesz, és vesz egy normál gázgenerátort (200 kW 50 liter óránként).
200000*300000/50=1 200 000 000 Wh
Mi történik: leeresztjük a benzint a rakétából, és máris megkapjuk a teljesítmény felét.
A rakéta másik felét folyékony oxigén foglalja el. Ki akartam számolni a hűtést és a cseppfolyósítást a hőkapacitáson keresztül, de az interneten 8200 rubel/tonna folyékony oxigén árat találtam. Mivel az önköltségi ár gyakorlatilag csak elektromos áram (legyen egy kilowatt 2 rubel):
300*8200*1000/2=1 230 000 000 Wh
Hoppá, második félidő. Már 0%-os hatásfok. Még nem számoltuk meg a rakétát.

De fel fogunk találni valamiféle rakomány-kilövőt a pályára

Vagyis a kinetikus energiát valahogy 10 km/s formájában közöljük a panelekkel:
3000*10000 2 /2 = 150000000000 J = 41 700 000 Wh
Úgy tűnik, hogy a hatékonyság 5000%, de van néhány probléma:
- nem valószínű, hogy a tárgyat elég magasra lehet dobni, ezért a tömeg és az energia egy részét a légkör leküzdésére kell fordítani;
- minden, amit a ballisztika törvényei szerint kidobnak a Földről, visszatér a Földre, vagyis a tömeg egy másik része a perigeus emelkedésére kerül.
Hadd menjen egy tonna a hővédelemre. Számítsuk ki a pálya változását:
ΔV=gyök((3,986ּ10 14 /42000000)(1+2*6000000/(6000000+42000000)))=3441 m/s
A legjobb motorok 4500-as impulzust adnak. Vegyük Ciolkovszkij képletét:
M végső =2000/exp(4500/3500)=572 kg
Vegyük az elektromos rakétamotorokat, az impulzus 10-szer nagyobb, és paneljeink vannak. Igen ám, de a panelek jelenlegi erejével a tolóerő hatalmas lesz, és az átállás évekig tart. És már csak pár óránk van a leszállásig.
Ennek eredményeként: mínusz a motor, a tartályok, a túlterhelések - jó, ha ugyanannyit kapunk.

Emeljük fel a paneleket a liftre

Összességében az ötlet nem rossz. Ha egyszerűen emeli a terhelést egy magasságba, akkor kiszámítjuk a potenciális energia változását:
3000*9,81*36000000/3600 = 294 300 000 Wh
Hogyan közöljük őket a rakomány felé? Villamosenergia átviteli lehetőségek:
- Magával a lifttel. Nem nehéz elképzelni egy 36 000 km hosszú vezető veszteségét és tömegét. Bárcsak magam építhetném meg a liftet.
- Lézerrel – mínusz az átalakításhoz szükséges tömeg jelentős része.
- Szállítson le bizonyos számú panelt a hagyományos módon, majd emelje fel a többit egy kötélen ingyen. Egy megawatt teljesítményhez 3 km 2 panelre van szükség. Ebben az esetben a teher felemelése két hétig tart. Azok. Ugyanennyi megawattot emelünk egy év múlva.

Egyéb nehézségek

Kilométernyi panelek szabad felhasználásával és a napenergia űrben történő befogadásának hatékonyságával ritka szerzők mondják el, hogyan fogják a paneleket a Nap felé orientálni. A GSO csak a Földhöz képest stacioner. Ennek megfelelően mechanizmusokra és üzemanyagra van szükségünk.
Átalakítókra, őrzőkre és vevőkre is szükségünk van a Földön. Sok fogyasztó van az Egyenlítő közelében? Nagyfeszültségű vezetékek a labda felén keresztül. Ha mindezt megszorozzuk a feladat teljesítésének nem 100%-os valószínűségével, akkor az a kérdés, hogy ki tudja ezt megtenni?

Következtetések:

- A meglévő technológiák mellett egy űrnaperőmű építése veszteséges.
- Még akkor is, ha mindent egy űrliften emelsz fel, mire az építkezés befejeződik, felmerül a kérdés, hogyan kell megsemmisíteni a meghibásodott paneleket.
- Aszteroidát hozhatsz a Földre, és paneleket készíthetsz belőle. Valami azt súgja nekem, hogy mire ezt megtehetjük, már nem lesz szükség energiát továbbítani a Földre.

Azonban nincs füst tűz nélkül. A békésnek tűnő szándékok alatt pedig egészen más szándékok rejtőzhetnek.
Például egy harci űrállomás építése nagyságrendekkel egyszerűbb és sokkal hatékonyabb:
- a pályát alacsonyabbra lehet és kell választani;
- a vevő 100%-os elütése nem szükséges;
- nagyon rövid idő a start gomb megnyomásától a cél eltalálásáig;
- a terület nem szennyezett.

Ezek a következtetések. A számítások hibákat tartalmazhatnak. Szokás szerint felkérem az olvasókat, hogy javítsák ki ezeket.

Az ötlet története: Az ötlet eredetileg az 1970-es években jelent meg. Egy ilyen projekt megjelenése az energiaválsággal volt összefüggésben. Ezzel kapcsolatban az Egyesült Államok kormánya 20 millió dollárt különített el a NASA űrügynökségnek és a Boeingnek, hogy kiszámítsák az óriás SPS (Solar Power Satellite) műholdprojekt megvalósíthatóságát. Minden számítás után kiderült, hogy egy ilyen műhold 5000 megawatt energiát termelne, amiből 2000 megawatt marad a földre adás után. Annak megértéséhez, hogy ez sok-e vagy sem, érdemes összehasonlítani ezt a teljesítményt a krasznojarszki vízerőművel, amelynek kapacitása 6000 megawatt. De egy ilyen projekt hozzávetőleges költsége 1 billió dollár, ez volt az oka a program lezárásának.

A készülék felépítése: Az űrben elhelyezkedő napenergia-gyűjtő műhold lényegében három részből áll: a napenergia űrben történő gyűjtésére szolgáló eszközből, például napelemeken vagy Stirling hőmotoron keresztül. energiát a talajba továbbítani, például mikrohullámú vagy lézer segítségével. földi energia beszerzésének eszközei, például antennákon keresztül. Az űrhajó GEO-ban lesz, és nem kell megtámasztania magát a gravitáció ellen. Nincs szüksége védelemre a talajszél vagy az időjárás ellen, de megbirkózik az űrben előforduló veszélyekkel, például mikrometeoritokkal és napviharokkal.

A napenergia előnyei és hátrányai a Földön az űrrel szemben: Az űrbeli napenergia olyan energia, amelyet a Föld légkörén kívül kapnak. Gázszennyeződés hiányában a légkörben vagy a felhőkben a légkörbe jutó energia körülbelül 35%-a a Földre esik. Ráadásul a megfelelő keringési pálya kiválasztásával az esetek mintegy 96%-ában energia nyerhető. Így a Föld geostacionárius pályáján (km magasságban) álló fotovoltaikus panelek átlagosan nyolcszor több fényt kapnak, mint a Föld felszínén lévő panelek, és még többet, ha az űreszköz közelebb van a Naphoz, mint a Földhöz. További előny, hogy az űrben nincs probléma a fémek súlyával vagy korróziójával a légkör hiánya miatt. Másrészt az űrenergia legfőbb hátránya a mai napig a magas költsége. További hátrány, hogy legalább 40-50%-os veszteség lesz az energia átvitele során a Föld felszínére.

Főbb technológiai kihívások: Egy 2008-as amerikai tanulmány szerint a tudománynak négy fő technológiai kihívással kell leküzdenie ahhoz, hogy az űrenergia könnyen elérhetővé váljon: A fotovoltaikus és elektronikus alkatrészeknek nagy hatékonysággal kell működniük magas hőmérsékleten. A vezeték nélküli energiaátvitelnek pontosnak és biztonságosnak kell lennie. Az űrerőművek előállítása nem lehet drága. Az űrrepülőgépek alacsony költsége. Az állomás állandó helyzetének fenntartása az energiavevő felett: végül is a Nap részecskéivel való ütközési energia eltávolítja az állomást a kívánt pozícióból, a Földre továbbított energia pedig a Földtől.

A munkacsoport ülésének munkáját a következő üléseken tárgyalt kérdések megvitatása előzte meg: első kerekasztal a vezeték nélküli elektromos energia átvitelről a Földön és az űrben az Állami Duma Energiaügyi Bizottságának elnökének vezetésével. az Orosz Föderáció Szövetségi Közgyűlésének határozata (2012. november 21.); IV. Nemzetközi Fórum „Energiatakarékosság és energiahatékonyság – Fejlesztési Dinamika” (Szentpétervár, 2014. október 7-10.); XIV. Moszkvai Nemzetközi Energiafórum „Orosz üzemanyag- és energiakomplexum a 21. században” (2016. április 19-20.).

A legutóbbi találkozón megállapították, hogy az 1970-es években a szovjet űrenergia világelső volt. Az elmúlt 20-25 évben azonban Oroszországban ez az iparág elmaradt a világszinttől.

Ez azért történt, mert ebben az időszakban a hazai űrenergia a „szükséges és elégséges” elve szerint fejlődött. Az irány alapjait nagy tudósok és mérnökök tették le, akik már elhagyták ezt a világot (S. P. Kapitsa, B. E. Chertok, A. G. Iosifyan, N. S. Lidorenko, V. A. Vanke stb.). Utánuk az űrenergia, mint külön terület, mondhatni elárvult – sem az orosz energiaügyi minisztérium, sem a Roszkoszmosz nem vett részt a hosszú távú fejlesztésében. De az asztronutika további fejlesztése elkerülhetetlenül megawatt teljesítményt igényel. A hazai űrenergia-iparnak készen kell állnia a haladás e mérföldköveire, mivel az Orosz Föderációnak továbbra is vezető űrhatalomnak kell maradnia.

Az integrált űrenergia a következő három technikai eszközszegmenst foglalja magában: űrnaperőmű (CSPS), egy vezeték nélküli elektromos energia átviteli csatorna, valamint fogadó, átalakító és gyűjtő rendszerek. Az Orosz Tudományos Akadémia, a Roszkoszmosz és a vezető oroszországi egyetemek számos vállalkozása azon dolgozik, hogy javítsa ezen szegmensek hatékonyságát.

A RAS-tól az Orosz Föderáció Állami Duma Szövetségi Közgyűlésének helyettese, I. D. Gracsev mellett működő Tudományos Tanácsadó Tanács „Űrenergia” szakértői részlegével és a MIREA-vel együtt az N. M. Emanuelről elnevezett Biokémiai Fizikai Intézet vesz részt ebben a munkában. az űrenergia fejlesztésével kapcsolatos munka koordinátoraként.

Azt is meg kell jegyezni, hogy az energiaátalakítási folyamat (nap- vagy nukleáris) áthelyezése a Föld bioszféráján kívülre jelentősen csökkenti a bioszféra terhelését, és különösen az üvegházhatás csökkenéséhez vezet. Az ilyen energiaellátás környezeti következményei lényegesen alacsonyabbak, mint a hagyományos energiaforrások, így a hő-, atom- és vízerőművek használatának következményei.

A naperőművek űrbe helyezése lehetővé teszi, hogy éjjel-nappal a megfelelő helyen kaphassák az áramot. Az erőátviteli csatorna az űrerőmű legfontosabb szegmense, a vezeték nélküli energiaátvitel pedig rendkívül nagy kihívást jelent a modern technológia számára. A világ minden fejlett országában, beleértve az Orosz Föderációt is, projektek készülnek egy ilyen, mikrohullámú és lézersugárzáson alapuló csatorna megvalósítására (1. táblázat).

A találkozó során Alekszandr Szigov, az Orosz Tudományos Akadémia akadémikusa, a Moszkvai Állami Rádiótechnikai, Elektronikai és Automatizálási Intézet elnöke ismertette gondolatait a KSES gyakorlati létrehozásának problémájának megoldási megközelítéseiről, figyelembe véve a valóságot. Ma; Ivan Redko, a műszaki tudományok doktora, professzor, az N. M. Emanuel RAS-ról elnevezett Biokémiai Fizikai Intézet igazgatóhelyettese; Dmitrij Airapetyants, a moszkvai régió energiaügyi miniszterhelyettese; Rashid Artikov, az NP "Oroszországi Hőellátás" vezérigazgató-helyettese; Szergej Nekhaev, a „Fenntartható Fejlődés” Nemzetközi Közszervezet és a „SoCommunications” közösség igazgatótanácsának elnöke, Vlagyimir Matyukhin, a műszaki tudományok doktora, professzor, a MIREA Aerospace Power Fotonikai Központ vezetője; Viktor Zaichenko, a műszaki tudományok doktora, az Orosz Tudományos Akadémia Magashőmérsékleti Közös Intézete laboratóriumának vezetője; Igor Kostin, az Econorm LLC kereskedelmi igazgatója; Alla Zakharova, az MKS Group of Companies üzletágának vezetője és más szakemberek.

A kerekasztal résztvevői rámutattak a következőkre: környezetvédelmi technológiák létrehozása az éghajlat stabilizálása és az olajcsere biztosítására, elsősorban Oroszország távoli régióiban; az Orosz Föderáció globális repülési, valamint aszteroida és meteorit biztonsági rendszerének megszervezése.

Az űrben lévő naperőműveknek a következő alapkoncepciói vannak: KSES-en alapuló, alacsony földi pályán található (az oroszországi S. A. Lavochkinről elnevezett NPO javaslata); a Lagrange pontokon található KSES alapján (az RSC Energia projektje, Oroszország); geostacionárius pályára helyezett KSES alapján (TsNIIMash projekt, Oroszország; SolarBird projekt, Japán; KSES a 2007-es Pentagon program keretében, USA; Solaren projekt, USA; holdi naperőművek (Lunar Space Solar Power Station – LSES) pályaismétlőket használva energia (Keldysh Center, Oroszország); Criswell koncepció, USA; LSES-en alapul, közvetlen energiaátvitellel (a Shimizu Corporation, Japán ajánlata).

A munkacsoport ülésének célja az ipar, az Orosz Tudományos Akadémia és az egyetemek erőinek konszolidálásához szükséges feltételek megteremtése. Az ilyen konszolidáció kiküszöböli a fő problémákat, valamint megoldja az űrenergia fő feladatait:

• áttörést jelentő technológiák létrehozása nagy teljesítményű információ- és energiaáramlások vezeték nélküli transzkontinentális szállítására a sztratoszférikus és az űrutakon az ország területe felett;
• napelemes űrrepülési erőmű demonstrációs modelljének elkészítése lézervonalakon keresztül történő távoli energiaátvitellel;
• stratégiailag fontos földi, légi és űrobjektumok vezeték nélküli tápellátása;
• magas információs távközlési rendszerek felgyorsítása az ország északi és más nehezen elérhető régióiban;
• a regionális biztonság figyelemmel kísérése, beleértve a különösen fontos létesítmények (szárazföldi és úszó atomerőművek, úszó gáz- és olajplatformok, fővezetékek stb.) biztonságát;
• 1-10 GW teljesítményű sztratoszférikus és űrnapelemes erőművek létrehozása vezeték nélküli villamosenergia-átvitellel a földi fogyasztókhoz. Így a vezeték nélküli energiaátviteli rendszerek fejlesztése radikálisan befolyásolhatja az oroszországi élet meghatározó aspektusait. Ezek az energiaellátás, az energia- és környezetbiztonság, a védelmi képesség és az informatizálás.

Várhatóan, miután fejlődése során magának az űrtechnológiának a presztízsét emelte az ország legfontosabb társadalmi-gazdasági problémáinak megoldásában, ez a technológia egy olyan sikeres hazai iparághoz lesz hasonlítható, mint az atomenergia.

Ennek az iránynak a fejlesztésének relevanciáját az a tény is megerősíti, hogy Japán elfogadta a „birodalmi” programot a KSES létrehozására, amely összehasonlítható a Szovjetunió atombomba létrehozásának programjával. A program a legmagasabb állapotú és prioritású. A KSES létrehozásának időkerete a tervek szerint 2025. A projektet egy kormányhivatal, a Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) hajtja végre. Finanszírozás - 21 milliárd dollár Az erőmű tervezett teljesítménye - 1 GW. A napelem tömb területe 4 km 2. A projekt megvalósítására a japán kormány konzorciumot hozott létre a Mitsui, Mitsubishi, NEC, Sharp, Hitachi és más cégek alapján. Két technológiai lehetőséget fontolgatnak: a napenergia közvetlen átalakítása lézersugárzássá (Fresnel lencsék és NiYAG lézer használatával), valamint a napenergia átalakítása mikrohullámú sugárzássá. A japán űrenergia-rendszer (Space Solar Power System, SSPS) körülbelül 4-6 km 2 területű napelemmező telepítését biztosítja geostacionárius pályán. Az általuk megtermelt energiát mikrohullámú sugárzás vagy nagy teljesítményű és rendkívül hatékony lézer szállítja lefelé. Egy ilyen rendszer átlagos kimeneti teljesítményének 1 GW-nak kell lennie („földön”, figyelembe véve az űrből történő átvitel során keletkező összes veszteséget), a csúcsteljesítménynek 1,6 GW-nak kell lennie. A mikrohullámú elektronika jelenlegi fejlettségi szintje lehetővé teszi, hogy a mikrohullámú energia átvitelének meglehetősen magas hatékonyságáról beszéljünk a mikrohullámú sugárral a geostacionárius pályáról a Föld felszínére - körülbelül 70-75%. A Földön található egyenirányító antennának (rectenna) a lehető legnagyobb hatékonysággal kell kapnia a mikrohullámú energiát a CSP-től. Az egyik szerkezet ellipszis alakú, nagytengelye 13 km, kistengelye 9,5 km. A beeső mikrohullámú sugárzás sűrűsége középen 25 mW/cm 2 , a periférián 1 mW/cm 2 -ig terjed. A kapott energia egyenárammá alakítása a rectennába épített elemekben történik. Különféle mikrohullámú frekvenciákat vettek figyelembe és javasoltak számos WPT tanulmányban és demonstrációban: 2,45; 5,8; 8,51; 35; 94; 140 és 170 GHz. A mikrohullámú frekvencia megváltoztatásakor a vevő rectenna mérete 10 km-től 150 m-ig változhat, a mikrohullámú energiasűrűség pedig 10 W/cm 2 -re emelkedhet.

Az űrerőmű amerikai változata az SPS-ALPHA (Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array). Megtestesült formájában a rendszer egy óriási kozmikus „virág”, és egy tükrös antennatömb, amelynek helyzete egyénileg állítható. Ennek a „virágnak” a hátoldala egy fotovoltaikus panelkészlet. A hátoldalán, a Föld felé irányítva számos mikrohullámú adó-adó található, amelyek több tíz-ezer (!) megawatt teljesítménytartományban küldenek energiát a Földre mikrohullámú sugárzás formájában.

A finanszírozás volumene és a külföldön végzett munka nagysága alapján Oroszország számára az űrenergia-piac elvesztésének lehetősége vetődött fel, ami katasztrofális következményekkel jár. Oroszország számára elfogadhatatlan, hogy egy ilyen fontos és ígéretes területen hiányzik a paritás a külfölddel.

A találkozó résztvevői felhívták a figyelmet arra is, hogy a KSES projektek fejlesztése közvetlenül az űrkorszak kezdete után kezdődött. Mint már említettük, az Egyesült Államok és Japán jelenleg aktívan fejleszti a gigawatt szintű CSPP-ket az „űrvillamos” piac elindítása érdekében, ami megváltoztathatja a nemzetközi energiapiacot, különösen csökkentheti az orosz természeti erőforrások iránti keresletet, valamint fenyegetést jelent energiájára és nemzetbiztonságára. Különösen a mikrohullámú sugárzás frekvenciájának tíz és száz gigahertzre emelésével alapvetően lehetséges a légkör felső rétegeiben különböző természeti jelenségek előidézése.

Orosz szakértők a CSES tervezésének egészének jelentős egyszerűsítését javasolják, csökkentve annak költségeit, növelve a megbízhatóságot és a hatékonyságot. A projektmenedzsment hatékonyságának és eredményességének növelése érdekében a megvalósítás három szakaszban javasolt. Ezen túlmenően az űrenergetikai fejlesztés első szakaszában javasolják az „50 kW teljesítményű repülőgép-naperőmű demonstrációs prototípusának létrehozása lekötött léggömbök alapján” projekt bevezetését azzal a céllal, hogy kialakítsák a szükséges tudományos ismereteket. és műszaki megoldásokat és hazai tapasztalatokat szerezve azok megvalósításában a jövőbeni gigawatt-osztályú AKSES létrehozásához. Ugyanakkor az AKSES egy multifunkcionális energiatechnológiai komplexum (MEC) része, amely a fő erőművekből áll: gázdugattyús erőmű, biomasszából generátorgázt előállító modul, kogenerációs modul, automatikus vezérlőrendszer. és egy elektromos átalakító modul.

A projekt első szakaszának lebonyolításának felgyorsítása érdekében a találkozó résztvevői egyöntetűen arra a véleményre jutottak, hogy egy-egy IEC-modul kidolgozását és bevezetését saját tapasztalatai alapján mindenki vállalhatja. Többoldalú megállapodást kell készíteni az első, 50 kW teljesítményű repülőgép-naperőmű megépítéséről, valamint fellebbezést kell benyújtani az Orosz Föderáció elnökéhez a projekt második és harmadik szakaszának finanszírozásáról.

A jelentések meghallgatása és megvitatása után a munkacsoport tagjai úgy döntöttek:

2. Tegyen javaslatot az ország vezetése számára, hogy fontolja meg a pénzügyi források elosztásának kérdését a „Solar Aerospace Energy Oroszországban” nemzeti program fejlesztésére.

3. Támogassa Alekszandr Szigovnak, az Orosz Tudományos Akadémia akadémikusának, a Moszkvai Állami Rádiótechnikai, Elektronikai és Automatizálási Intézet elnökének kezdeményezését az űrenergia fejlesztésének „útvonaltervének” kidolgozására.

4. Az N. M. Emanuel RAS-ról elnevezett Biokémiai Fizikai Intézet (I. Ya. Redko) a MIREA-vel (V. F. Matyukhin) és a „Fenntartható Fejlődés” Nemzetközi Közszervezettel (S. A. Nekhaev) közösen készítsen elő és írjon alá egy többoldalú megállapodást az IEC részeként egy 50 kW teljesítményű repülőgép-naperőmű.

5. Vegye fel a kapcsolatot az orosz energiaügyi minisztériummal azzal a javaslattal, hogy a 2017-es kutatás-fejlesztési tervben szerepeljen egy „Koncepció egy autonóm, űrrepülőgép napelemes energiaellátó rendszer létrehozására” kidolgozására.

6. Javasoljuk a létrehozását a „Dubna” Állami Egyetem, a MIREA, az Orosz Tudományos Akadémia Csillagászati ​​Intézetének Zvenigorodi Obszervatóriuma, a JIHT RAS, az MPEI, az N. M. Emanuel RAS-ról elnevezett Biokémiai Fizikai Intézet, IOO alapján. A „Fenntartható Fejlődés”, a „KER-Holding”, a DKBA és az Econorm LLC egy kísérleti képzési terület új IEC-technológiák tesztelésére, beleértve az űrenergetikai létesítmények használatát.

7. Utasítsa az N. M. Emanuel RAS I. Ya. Redko Biokémiai Fizikai Intézet igazgatóhelyettesét, hogy az IEC részeként egészítse ki az 50 kW teljesítményű, űrrepülési napelemes erőmű fejlesztésével és építésével foglalkozó munkacsoportot.

8. Utasítsa a Fenntartható Fejlődés Igazgatóságának elnökét, S. A. Nekhaevet, hogy készítsen ajánlásokat a modern pénzügyi infrastruktúra, mechanizmusok és eszközök kialakítására az elosztott energetikai létesítmények és a repülési naperőműveket használó projektek költségvetésen kívüli finanszírozására.

9. A projekt megvalósításáról 2016. I. félévben kibővített értekezlet tartása az érintett vállalkozások részvételével.

Enciklopédiai YouTube

1 / 5

✪ Az Univerzum energiája. A legerősebb tárgyak az űrben. Űrutazás HD 2017.04.01

✪ Kozmikus energia – Vadim Zeland

✪ A Szovjetunió utolsó űrlépcsői (RN Energia)

✪ 118. lecke. A gravitációs kölcsönhatás potenciális energiája. Második menekülési sebesség

✪ Evgeniy Averyanov - Balszerencse, kozmikus energia és a seprűgenerátor

Feliratok

Az űrenergia fejlődésének kronológiája

1990 : Az M.V. Keldysh Kutatóközpont koncepciót dolgozott ki a Föld energiaellátására az űrből alacsony földi pályákon. „Már 2020-2030-ban 10-30 űrerőmű létrehozására van lehetőség, amelyek mindegyike tíz űrerőműből áll majd. Az állomások tervezett összteljesítménye 1,5-4,5 GW, a földi fogyasztó összteljesítménye 0,75-2,25 GW lesz.” A tervek szerint 2050-2100-ra az állomások számát 800 egységre, a fogyasztó végső teljesítményét pedig 960 GW-ra tervezték. A mai napig azonban még az sem ismert, hogy ezen a koncepción alapuló munkaprojektet hoztak volna létre [ ] ;

2009 : A Japán Űrkutatási Ügynökség bejelentette, hogy pályára állít egy napenergia-műholdat, amely mikrohullámok segítségével továbbítja az energiát a Földre. Azt remélik, hogy 2030-ra felbocsátják egy keringő műhold első prototípusát.

2009 : A kaliforniai (USA) székhelyű Solaren megállapodást írt alá a PG&E-vel, amely szerint az utóbbi megvásárolja azt az energiát, amelyet a Solaren az űrben termel majd. A teljesítmény 200 MW lesz. A terv szerint 250 000 otthont látnak el ezzel az energiával. A projekt megvalósítását 2016-ban tervezik.

2011 : Több japán vállalat bejelentett egy projektet, amely 40 műholdra épülne napelemekkel. A projekt zászlóshajója a Mitsubishi Corporation legyen. A földre történő átvitel elektromágneses hullámok segítségével történik; a vevőnek körülbelül 3 km átmérőjű „tükörnek” kell lennie, amely az óceán sivatagos területén található. 2011-től a projekt a tervek szerint 2012-ben indul

2013 : A Roszkozmosz fő tudományos intézménye, a TsNIIMash kezdeményezte, hogy 1-10 GW teljesítményű orosz űrnaperőműveket (KSPP) hozzanak létre vezeték nélküli villamosenergia-átvitellel a földi fogyasztókhoz. A TsNIIMash rámutat, hogy az amerikai és japán fejlesztők a mikrohullámú sugárzás használatának útját választották, amely ma lényegesen kevésbé hatékony, mint a lézersugárzás.

Energiatermelő műhold

Az ötlet története

Az ötlet eredetileg az 1970-es években jelent meg. Egy ilyen projekt megjelenése az energiaválsággal volt összefüggésben. Ezzel kapcsolatban az Egyesült Államok kormánya 20 millió dollárt különített el a NASA űrügynökségnek és a Boeingnek, hogy kiszámítsák az óriás SPS (Solar Power Satellite) műholdprojekt megvalósíthatóságát.

Minden számítás után kiderült, hogy egy ilyen műhold 5000 megawatt energiát termelne, amiből 2000 megawatt marad a földre adás után. Annak megértéséhez, hogy ez sok-e vagy sem, érdemes összehasonlítani ezt a teljesítményt a krasznojarszki vízerőművel, amelynek teljesítménye 6000 megawatt. De egy ilyen projekt hozzávetőleges költsége 1 billió dollár, ez volt az oka a program lezárásának.

Technológiai diagram

A rendszer feltételezi egy geostacionárius pályán elhelyezkedő emitter jelenlétét. A napenergiát hivatott átvitelre alkalmas formává alakítani (mikrohullám, lézersugárzás), és „tömény” formában továbbítani a felszínre. Ebben az esetben a felületen kell lennie egy „vevőnek”, amely érzékeli ezt az energiát.

A napenergia-gyűjtő műhold alapvetően három részből áll:

• a napenergia világűrben történő gyűjtésére szolgáló eszközök, például napelemek vagy Stirling-hőmotor segítségével;
• energiát a talajba továbbító eszközök, például mikrohullámú vagy lézer segítségével;
• a földi energia előállításának eszközei, például rectennákon keresztül.

Az űrhajó GEO-ban lesz, és nem kell megtámasztania magát a gravitáció ellen. Nincs szüksége védelemre a talajszél vagy az időjárás ellen, de megbirkózik az űrben előforduló veszélyekkel, például mikrometeoritokkal és napviharokkal.

Relevancia ma

Mivel az ötlet megjelenése óta eltelt 40 év alatt a napelemek ára jelentősen csökkent, a termelékenység nőtt, és olcsóbbá vált a rakomány pályára állítása, 2007-ben az Egyesült Államok Nemzeti Űrtársasága bemutatott egy jelentést, amelyben arról beszél. az űrenergia mai fejlődési kilátásairól .

A rendszer előnyei

• Magas hatásfok a légkör hiánya miatt, az energiatermelés nem függ az időjárástól és az évszaktól.
• Szinte teljesen hiányoznak a megszakítások, mivel a Földet körülvevő műholdak gyűrűrendszerében mindenkor legalább egyet megvilágít a Nap.

Hold-öv

A Shimizu által 2010-ben bemutatott űrenergia-projekt. A japán mérnökök ötlete szerint ennek a Hold teljes egyenlítőjén (11 ezer kilométer) és 400 kilométer szélesen kifeszített napelem-övnek kell lennie.

Napelemek

Mivel ekkora számú napelem előállítása és a Földről történő szállítása nem lehetséges, a tudósok szerint a napelemeket közvetlenül a Holdon kell majd előállítani. Ehhez holdtalajt használhat, amelyből napelemeket készíthet.

Energiaátvitel

Az ebből az övből származó energiát rádióhullámok fogják továbbítani hatalmas, 20 kilométeres antennák segítségével, és rectennák fogadják itt a Földön. A második használható átviteli mód a fénysugár lézeres továbbítása és a földi fényfogóval történő vétel.

A rendszer előnyei

Mivel a Holdon nincs légkör vagy időjárási jelenség, ezért szinte éjjel-nappal és magas hatásfok mellett lehet energiát előállítani.

David Criswell azt javasolta, hogy a Hold optimális hely a naperőművek számára. A napkollektorok Holdon való elhelyezésének fő előnye, hogy a napelemek többsége helyi anyagokból építhető a földi erőforrások helyett, jelentősen csökkentve a tömeget és ezáltal a költségeket a többi űrnaperőmű-lehetőséghez képest.

Az űrenergiában használt technológiák

Vezeték nélküli energiaátvitel a Föld felé

A vezeték nélküli energiaátvitelt már korán javasolták egy űr- vagy holdállomásról a Földre való energia átvitelére. Az energia lézersugárzással vagy mikrohullámú sugárzással, a rendszer kialakításától függően különböző frekvenciákon továbbítható. Milyen döntéseket hoztak annak biztosítására, hogy a sugárzás átvitele nem ionizáló legyen, hogy elkerülhető legyen az energiatermelő régió ökológiájának vagy biológiai rendszerének esetleges zavarása? A sugárzás frekvenciájának felső határa úgy van beállítva, hogy a fotononkénti energia ne okozza az élőlények ionizációját, amikor áthaladnak rajtuk. A biológiai anyagok ionizációja csak ultraibolya sugárzással kezdődik, és ennek következtében magasabb frekvenciákon megy végbe, így nagyszámú rádiófrekvenciás lesz elérhető az energiaátvitelhez.

Lézerek

A napenergia átalakítása elektromos energiává

Az űrenergiában (meglévő állomásokon és űrerőművek fejlesztésekor) a hatékony energiaszerzés egyetlen módja a fotovoltaikus cellák alkalmazása. A fotocella egy elektronikus eszköz, amely a fotonenergiát elektromos energiává alakítja. Az első külső fotoelektromos effektuson alapuló fotocellát Alekszandr Stoletov készítette a 19. század végén. Energetikai szempontból a napenergiát elektromos energiává alakító eszközök a leghatékonyabbak a félvezető fotovoltaikus átalakítók (PVC), mivel ez egy közvetlen, egyfokozatú energiaátmenet. A kereskedelemben gyártott napelemek hatásfoka átlagosan 16%, a legjobb minták akár 25%-os. Laboratóriumi körülmények között már 43%-os hatásfokot sikerült elérni.

Energia vétele a műhold által kibocsátott mikrohullámú hullámokból

Fontos kiemelni az energiaszerzés módjait is. Az egyik az energia beszerzése rectennák segítségével. A Rectenna (egyenirányító antenna) egy nemlineáris antenna, amelyet arra terveztek, hogy a rá eső hullám mező energiáját egyenáramú energiává alakítsa. A legegyszerűbb tervezési lehetőség egy félhullámú vibrátor, amelynek karjai közé egyirányú vezetőképességű eszköz (például dióda) van felszerelve. Ebben a tervezési lehetőségben az antennát egy detektorral kombinálják, amelynek kimenetén beeső hullám jelenlétében emf jelenik meg. Az erősítés növelése érdekében az ilyen eszközöket többelemes tömbökké lehet kombinálni.

Előnyök és hátrányok

A kozmikus napenergia olyan energia, amelyet a Föld légkörén kívül nyernek. Gázszennyezés hiányában a légkörben vagy a felhőkben a légkörbe jutó energia körülbelül 35%-a a Földre esik. Ráadásul a megfelelő keringési pálya kiválasztásával az esetek mintegy 96%-ában energia nyerhető. Így a Föld geostacionárius pályáján (36 000 km magasságban) álló fotovoltaikus panelek átlagosan nyolcszor több fényt kapnak, mint a Föld felszínén lévő panelek, és még többet, ha az űreszköz közelebb van a Naphoz, mint a Földhöz. További előny, hogy az űrben nincs probléma a fémek súlyával vagy korróziójával a légkör hiánya miatt.

Másrészt az űrenergia legfőbb hátránya a mai napig a magas költsége. A 3 millió tonna össztömegű rendszer pályára állítására fordított összegek csak 20 éven belül térülnek meg, és ha figyelembe vesszük a rakomány Földről a működő pályára szállításának fajlagos költségét 100 $/kg . A rakomány pályára állításának jelenlegi költsége sokkal magasabb.

A második probléma az IPS létrehozásával a nagy energiaveszteség az átvitel során. Legalább 40-50% elvész, amikor energiát továbbítanak a Föld felszínére.

Főbb technológiai problémák

Egy 2008-as amerikai tanulmány szerint a tudománynak öt fő technológiai kihívást kell leküzdenie ahhoz, hogy az űrenergia könnyen elérhetővé váljon:

• A fotovoltaikus és elektronikus alkatrészeknek nagy hatékonysággal kell működniük magas hőmérsékleten.

• A vezeték nélküli energiaátvitelnek pontosnak és biztonságosnak kell lennie.

• Az űrerőművek előállításának olcsónak kell lennie.

• Az űrrepülőgépek alacsony költsége.

• Az állomás állandó helyzetének fenntartása az energiavevő felett: a napfény nyomása az állomást a kívánt helyzettől távolítja el, a Föld felé irányuló elektromágneses sugárzás nyomása pedig a Földtől távolítja el az állomást.

A kozmikus energia felhasználásának egyéb módjai

Az elektromosság felhasználása az űrrepülésekben

Az ECO műholdak amellett, hogy energiát sugároznak a Földre, bolygóközi állomásokat és űrteleszkópokat is képesek táplálni. Ez is biztonságos alternatívája lehet a vörös bolygóra repülõ hajó atomreaktorainak. Egy másik ágazat, amelyből profitálhat