Согласно информации Международного энергетического агентства, за период с 1973 по 2012 год мировое потребление электроэнергии увеличилось более чем в 3,5 раза — с 6,1 ТВт·ч до 22,7 ТВт·ч. При этом значительная часть энергетического баланса планеты по-прежнему приходится на устаревшие и экологически вредные методы производства: около половины электроэнергии получается за счёт сжигания угля и нефти. Ученые давно предупреждают, что непрерывный рост выбросов углекислого газа рано или поздно может привести к катастрофическим изменениям.
По подсчетам организации Global Carbon Project, Земля способна поглотить еще менее 1200 миллиардов тонн CO₂ — при превышении этого предела средняя температура повысится на 2 °C относительно уровня 1990 года, что вызовет необратимые климатические изменения.
При нынешней скорости выбросов достижение этой критической отметки ожидается уже через примерно 30 лет. В ответ на это большинство государств ориентируются на развитие возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергетика.
Тем не менее «зеленые» технологии пока занимают лишь незначительную долю мирового энергозаряда.
Ресурсы ископаемого топлива и урана ограничены.
В обозримом будущем человечеству может грозить масштабный энергетический кризис.
Если не обратить внимание на принципиально новые возможности, которые открывает... космос.
Просто посмотрите вверх. На самом деле, космическая энергетика развивается уже десятки лет. "С момента начала освоения космоса основным источником энергии для космических аппаратов остаются солнечные фотоэлектрические преобразователи.
Солнечные панели установлены как на крупной пилотируемой Международной космической станции (МКС), так и на малых автоматических исследовательских аппаратах", — рассказал Иван Соболев, главный конструктор российской частной космической компании «Даурия Аэроспейс», резидента инновационного центра «Сколково».
К примеру, функционально-грузовой модуль «Заря» оснащён солнечными батареями с размахом 24,4 м, которые производят около 3 кВт электроэнергии в сутки. На служебном модуле «Звезда» установлены почти 30-метровые панели, обеспечивающие до 13 кВт мощности.
Однако это примеры использования энергии космоса для нужд самого космоса. А что насчёт возможности снабжать ею Землю?
Первый патент на подобную технологию был выдан в 1968 году американскому ученому чешского происхождения Петеру Глэйзеру. Он разработал концепцию электростанции на геостационарной орбите, которая преобразовывала бы солнечную энергию в электромагнитный луч для передачи на специальные наземные антенны. Правда, источники указывают, что аналогичные идеи изучались и в Советском Союзе. "Известно, что этот вопрос обсуждался в Академии наук СССР почти сразу после полёта Гагарина, но тогда приоритет отдавали более насущным задачам", — говорит Иван Соболев. — "Кроме того, уровень космических технологий 1960–70-х годов позволял рассматривать такие проекты лишь в качестве перспективных концепций". Тем не менее, идея не была забыта. Так, в 1986 году выдающийся русский инженер Владимир Грилихес в книге «Солнечные космические энергостанции» отмечал: "Учитывая развитие космической индустрии, вероятно создание сети солнечных космических электростанций для централизованного электроснабжения различных космических систем посредством направленной передачи энергии в виде лазерного или микроволнового излучения".
Принцип работы космических электростанций понятен. На Землю непрерывно поступает поток солнечной энергии с интенсивностью около 1366 Вт/м². Однако при прохождении через атмосферу из-за отражения и рассеяния мощность значительно сокращается. Кроме того, наземные солнечные панели не работают ночью и при облачной погоде. В космосе же фотоэлектрические системы могут функционировать практически круглосуточно. Конструктивно космическая электростанция (КСЭС) состоит из двух основных частей. Первая — фотоэлектрические панели, размещённые на геостационарной орбите (примерно 36 тыс. км над Землей), где они получают в среднем в восемь раз больше солнечного света, чем на поверхности планеты. Затем энергия преобразуется в форму, удобную для передачи — микроволновое или лазерное излучение. Вторая часть — приёмная антенна на Земле, которая улавливает излучение и преобразует его в доступный для использования электрический ток. Все необходимые технологии уже существуют: проект КСЭС не противоречит законам физики и может быть реализован с технической точки зрения уже сегодня. Однако есть сложности, в том числе в запуске оборудования на орбиту. "Масса гигантских электростанций мощностью гигаватты исчисляется десятками тысяч тонн. Запуск такого объёма на низкую орбиту, не говоря уже о геостационарной, представляет огромную проблему", — объясняет Иван Соболев. — "Одно из решений — разработка российских учёных, предложивших тонкоплёночные бескаркасные солнечные панели, которые удерживаются в раскрытом состоянии за счёт инерционных сил, возникающих при вращении станции. Это позволит существенно снизить вес конструкции". Еще одна проблема — значительные потери энергии при передаче на Землю. Тем не менее, главными остаются вопросы финансирования и экономической целесообразности. "Для электростанций мощностью в несколько сотен мегаватт конкурентоспособная стоимость киловатт-часа энергии на Земле сегодня возможна только в двух случаях: при обеспечении электроэнергией труднодоступных регионов с дорогими углеводородными ресурсами, таких, как заполярная Якутия, или в военном секторе, как это рассматривает Пентагон", — подчеркнул Соболев. Теоретические расчёты показывают, что при масштабном развитии космической энергетики себестоимость энергии могла бы стать даже ниже земной, но для этого необходимо обеспечить передачу количества энергии, сопоставимого с полной мощностью глобальной энергосистемы планеты. Следовательно, о широком практическом применении можно будет говорить лишь через несколько десятилетий.
От Солнца до Луны Пока что в космической энергетике обсуждаются маломасштабные проекты с локальным значением. В США компании Solaren Corporation и Pacific Gas & Electric заключили первый в мире контракт на поставку электроэнергии из космоса. Solaren планирует разместить на геостационарной орбите электростанцию мощностью 200 МВт, этой мощности хватит примерно для 250 тысяч домохозяйств в Калифорнии. Изначально запуск запланировали на 2016 год, однако сроки сдвинулись, и сейчас ожидается завершение проекта в конце текущего десятилетия. Впрочем, специалисты отмечают, что задержки — обычное явление для космических программ. Еще один интересный проект реализуется в Японии под руководством Mitsubishi Electric. "Группа японских компаний во главе с Mitsubishi Corporation намерена к 2025 году построить каскадную КСЭС гигаваттного уровня в рамках проекта Solarbird. Общие инвестиции оцениваются в 24 миллиарда долларов", — сообщает Валерий Мельников, научный сотрудник Центрального научно-исследовательского института машиностроения, ведущего учреждения Роскосмоса. Проект Solarbird подразумевает запуск 40 спутников с солнечными панелями, которые будут работать в координации. На Земле энергия будет приниматься огромным зеркалом диаметром около 3 км, расположенном в океане. Как указывают совместные американско-японские исследователи, планируется использовать микроволновое излучение, тогда как по словам Мельникова лазерное излучение выглядит более перспективным. Благодаря меньшему расхождению лазерного луча по сравнению с микроволновым сигналом становится реально создавать значительно меньшие по размеру передающие и приёмные устройства, что открывает возможности энергоснабжения высокоширотных регионов России, Канады, Гренландии, а также Антарктиды. Другими словами там, где космическая энергия может быть дешевле традиционных источников.
В космической энергетике имеется ещё один необычный и привлекательный проект — установка солнечных батарей на поверхности ближайшего к Земле небесного тела. Проект Lunar Ring, предложенный японской компанией Shimizu Corporation, предусматривает создание полосы солнечных батарей по лунному экватору длиной 11 тысяч километров и шириной 400 километров. При этом панели будут изготавливаться непосредственно на Луне, поскольку местный реголит содержит достаточное количество кремния. Для реализации проекта потребуется только доставка на поверхность Луны управляемого роботизированного комплекса, который выполнит работы по производству батарей и формированию кольца.