Солнечные электростанции в космосе: как передать энергию на Землю лучом

Произошло это летом 2023 года. Спутник Vigoride-5, пролетая над кампусом Калтеха, нацелил тончайший луч микроволн на приемник. Источником был 50-килограммовый экспериментальный блок SSPD-1, болтающийся в негерметичном отсеке и испытывающий на себе все «прелести» космического пространства. На нем проверяли 32 типа фотоэлементов. Рядом трудился массив передатчиков MAPLE, испускавших не один мощный сигнал, а целый сложный «аккорд».

Волны интерферировали, гася друг друга в одних местах и усиливаясь в других, в итоге формируя сфокусированный пучок. И самое изящное: меняя момент включения каждого передатчика, инженеры могли направлять этот луч без единой подвижной детали. Именно так им удалось попасть точно в цель на крыше. Представьте: управляемая энергия, отправленная из холодного вакуума на расстоянии сотен километров. Это ли не магия?

От фантастики до инженерии

Как это часто бывает, идея родилась на страницах научной фантастики. Еще в 1941 году Айзек Азимов в рассказе «Логика» описал космическую электростанцию, работающую в паре с искусственным интеллектом. Реальные изыскания начались лишь в конце 1960-х, а в 1973-м инженер NASA Питер Глейзер запатентовал метод передачи энергии с орбиты с помощью микроволн. Энергетический кризис 70-х придал идее веса, но тогдашние технологии и стоимость космических запусков похоронили проект. Он казался красивой, но несбыточной утопией.

А ведь преимущества очевидны! Орбитальная станция не знает ночи, ей не мешают облака, атмосфера не рассеивает солнечный свет. Она дает стабильную энергию 24/7, независимо от времени года и политических бурь на Земле. Наземная инфраструктура нужна относительно простая — лишь большая приемная антенна.

В 1997 году NASA снова изучило перспективы. Выводы были суровы: солнечные батареи слишком неэффективны (меньше 10% КПД), а выводить грузы в космос — невероятно дорого. Но к 2010-м мир изменился. Производительность фотоэлементов перевалила за 20%, их цена рухнула в десятки раз. Резко подешевела и электроника, и сами запуски. Мечта внезапно превратилась в инженерную задачу с понятным бюджетом. Разве не удивительно, как время догоняет фантазию?

От Земли до орбиты

Куда же разместить эту электростанцию? Классический вариант — геостационарная орбита на высоте 35,8 тыс. км. Спутник там «висит» над одной точкой Земли, постоянно освещенный Солнцем (лишь на 72 минуты в год попадая в тень). Это удобно для постоянной передачи.

Но есть и другие идеи. Можно запустить целую флотилию на низкую орбиту — если один спутник в тени, работают другие. Консорциум Orbital Composites и Virtus Solis присматривается к эллиптической орбите типа «Молния», где аппараты то стремительно сближаются с Землей, то улетают далеко. А японский стартап Shimizu и вовсе предлагает радикальное решение: построить станцию на Луне и передавать энергию оттуда!

Конструкции тоже различаются. Одни предлагают рой зеркал, концентрирующих свет на центральном излучателе. Другие — плоские «бутерброды»: с одной стороны фотоэлементы, с другой — передающие антенны. Прототип такой системы уже летал в космосе на борту секретного мини-шаттла X-37B в 2020 году. Похоже, выбор лучшего варианта — дело ближайшего будущего.

С орбиты на Землю

Самый сложный этап — доставка энергии вниз. Лазер? Не лучшая идея. Коротковолновое излучение рассеивается в атмосфере, нагревает и ионизирует воздух. Зачем нам дополнительные проблемы в эпоху потепления?

Решение, опять же, придумали давно: микроволны. Сфокусированные антенной решеткой, они теряют в атмосфере всего несколько процентов мощности. Первую передачу таким пучком осуществили в 1964 году на 1,6 км. К 2010-му дистанция выросла до сотен километров.

И что важно — это безопасно. Микроволновые фотоны несравнимо слабее лазерных. Они не ионизируют ткани и не вызывают пожаров. Даже в центре пучка мощность излучения не превысит фоновых значений в верхних слоях атмосферы. На Земле, у края приемной антенны, уровень будет и вовсе безвредным.

Приемное устройство — ректенна — принципиально просто. Это проводник в половину длины волны с диодом посередине. Электромагнитное поле заставляет заряды двигаться, диод выпрямляет ток. Для приема энергии с орбиты понадобится огромная сетка из миллионов таких элементов, растянутая на километры. Но она может быть полупрозрачной, висеть на высоте в несколько метров, пропуская солнечный свет и не мешая сельскому хозяйству или жизни людей. Элегантно, не правда ли?

В будущее

Конечно, препятствий еще много. Главное — низкий КПД. Лабораторные прототипы преобразуют солнечную энергию в микроволны и обратно с эффективностью около 5%. Для рентабельности нужно в разы больше.

Добавьте сюда необходимость в орбитальных ремонтных роботах, которые будут менять поврежденные панели. И проблему космического мусора на геостационарной орбите — она уже переполнена. Мощное излучение может повредить соседние спутники, а старые обломки — угрожать самой станции. Придется продумывать и ее будущую утилизацию, чтобы она сама не стала гигантской угрозой.

И все же работа кипит. Европейские стартапы, Китайская академия наук — все активно исследуют технологию. Первые орбитальные испытания полноценных систем намечены на 2025 год или около того. Когда именно над нами заработает первая космическая электростанция, не знает никто. Но тот факт, что мы сейчас обсуждаем не «если», а «как» и «когда», говорит о многом. Будущее, похоже, действительно на подходе.