Energie spațială

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 11 iulie 2019; verificările necesită 14 modificări .

Energia spațială  este un tip de energie alternativă care implică utilizarea energiei solare pentru a genera electricitate, cu amplasarea unei centrale electrice pe orbita pământului sau pe Lună .

Cronologia dezvoltării energiei spațiale

1968  : Peter Glaser a introdus ideea unor sisteme mari de sateliti solari cu un colector solar de mile pătrate la altitudinea orbitei geostaționare ( GSO 36.000 km deasupra ecuatorului), pentru a colecta și a transforma energia solară într-un fascicul electromagnetic de microunde pentru a transmite energie utilă către mari. antene de pe Pământ.

1970  : Departamentul de Energie al SUA și NASA au revizuit proiectul și studiul de fezabilitate pentru satelitul de energie solară (SPS).

1973  : Peter Glaser a primit brevetul american 3.781.647 pentru metoda sa de transmitere a puterii pe distanțe lungi (de exemplu, de la un satelit la suprafața Pământului) folosind microunde de la antene mari de pe un satelit către rectenele de pe Pământ. [unu]

1990  : Centrul de Cercetare. MV Keldysh a dezvoltat conceptul de alimentare cu energie a Pământului din spațiu folosind orbite joase ale Pământului. „Deja în 2020-2030 pot fi create 10-30 de centrale electrice spațiale, fiecare dintre acestea fiind formată din zece module de putere spațială. Capacitatea totală planificată a stațiilor va fi de 1,5–4,5 GW, iar capacitatea totală a consumatorului de pe Pământ va fi de 0,75–2,25 GW.” În plus, până în 2050-2100, a fost planificată creșterea numărului de stații la 800 de unități, iar capacitatea finală la consumator la 960 GW. Cu toate acestea, până în prezent, nici măcar crearea unui proiect de lucru bazat pe acest concept nu este cunoscută. ;

1994  : Forțele aeriene americane efectuează un experiment folosind sateliți fotovoltaici avansați, lansați pe orbita joasă a Pământului cu o rachetă.

1995-1997  : NASA a efectuat un studiu despre energia solară spațială, conceptele și tehnologiile acesteia.

1998  : Agenția Spațială din Japonia începe un program de dezvoltare a sistemului de energie solară spațială care continuă până în prezent.

1999  : Începe programul de energie solară spațială al NASA .

2002 :  John Mankins de la NASA a depus mărturie în Camera Reprezentanților SUA, spunând: „Un sistem de sateliti solari la scară largă este un sistem integrat foarte complex și necesită multe progrese semnificative în tehnologia actuală. câteva decenii.

2000  : Agenția Spațială Japoneză a anunțat planuri pentru mai multe cercetări și lansarea unui satelit experimental cu 10 kilowați și 1 MW de putere. [2]

2009  : Agenția Japoneză de Explorare Aerospațială și-a anunțat planurile de a lansa pe orbită un satelit cu energie solară care să transmită energie către Pământ folosind microunde. Ei speră să lanseze primul prototip al unui satelit în orbită până în 2030. [3]

2009  : Solaren, cu sediul în California (SUA), a semnat un acord cu PG&E prin care acesta din urmă va cumpăra energia pe care Solaren ar produce-o în spațiu. Puterea va fi de 200 MW. Conform planului, 250.000 de locuințe vor fi alimentate cu această energie. Implementarea proiectului este planificată pentru anul 2016. [patru]

2010  : Shimizu a publicat un articol care descrie posibilitățile de construire a unei centrale electrice lunare gigantice folosind tehnologiile existente [5]

2011  : Se anunță un proiect corporativ multi-japonez care se va baza pe 40 de sateliți cu rețele solare atașate. Mitsubishi Corporation ar trebui să devină nava amiral a proiectului . Transmisia pe pământ se va realiza folosind unde electromagnetice, receptorul ar trebui să fie o „oglindă” cu un diametru de aproximativ 3 km, care va fi situat într-o regiune deșertică a oceanului . Începând cu 2011, este planificat să demareze proiectul în 2012

2013  : Principala instituție științifică a Roscosmos  - TsNIIMash a luat inițiativa de a crea centrale solare spațiale rusești (CSPS) cu o capacitate de 1-10 GW cu transmisie wireless a energiei electrice către consumatorii terestre. TsNIIMash atrage atenția asupra faptului că dezvoltatorii americani și japonezi au ales calea utilizării radiației cu microunde , care astăzi pare a fi mult mai puțin eficientă decât radiația laser . [6]

2015  :

2016  :

2017  : NASA selectează cinci noi propuneri de cercetare în domeniul investițiilor spațiale. Colorado School of Mines se concentrează pe „Tendințe din secolul 21 în producția și stocarea energiei solare în spațiu”.

2019  : Aditya Baraskar și profesorul Toshiya Khanada de la Laboratorul de dinamică a sistemelor spațiale de la Universitatea Kyushu au propus Energy Orbit (E-Orbit), o mică constelație de sateliți spațiali alimentați cu energie solară pentru transferul de energie între sateliții de pe orbita joasă a Pământului. Un total de 1600 de sateliți pentru a transmite 10 kilowați de energie electrică pe o rază de 500 km la o altitudine de 900 km.

2020  : Laboratorul de Cercetare Navală din SUA lansează un satelit de testare. În plus, US Air Force are propriul proiect Solar Power Space Demonstration and Research (SSPIDR), care intenționează să lanseze satelitul de testare ARACHNE în 2024.

Satelit pentru generarea de energie

Istoria ideii

Ideea a apărut pentru prima dată în anii 1970. Apariția unui astfel de proiect a fost asociată cu o criză energetică. În acest sens, guvernul SUA a alocat 20 de milioane de dolari agenției spațiale NASA și Boeing pentru a calcula fezabilitatea gigantului proiect SPS (Solar Power Satellite).

După toate calculele, s-a dovedit că un astfel de satelit ar genera 5.000 de megawați de energie, după ce va fi transferat la sol, ar rămâne 2.000 de megawați. Pentru a înțelege dacă este mult sau nu, merită să comparăm această putere cu centrala hidroelectrică Krasnoyarsk , a cărei capacitate este de 6.000 de megawați. Dar costul aproximativ al unui astfel de proiect este de 1 trilion de dolari, care a fost motivul închiderii programului.

Presa sovietică a publicat descrieri detaliate ale teoriei și calculului OES [7] [8] [9] .

Diagrama tehnologiei

Sistemul presupune prezența unui dispozitiv-emițător situat pe orbită geostaționară . Se presupune că transformă energia solară într-o formă convenabilă pentru transmisie ( cu microunde , radiație laser ) și transferă la suprafață într-o formă „concentrată”. În acest caz, este necesar să existe la suprafață un „receptor” care percepe această energie [10] .

Un satelit de colectare a energiei solare constă în esență din trei părți:

Nava spațială va fi în GEO și nu va trebui să se sprijine împotriva gravitației. De asemenea, nu are nevoie de protecție împotriva vântului din sol sau a intemperiilor, dar va face față pericolelor spațiale, cum ar fi micrometeoriții și furtunile solare .

Relevanța astăzi

De peste 40 de ani de la apariția ideii, panourile solare au scăzut dramatic la preț și au crescut în performanță, iar livrarea mărfurilor pe orbită a devenit mai ieftină, în 2007, Societatea Națională Spațială din SUA a prezentat un raport care vorbește despre perspectivele pentru dezvoltarea energiei spațiale în zilele noastre. [unsprezece]

Proiectul FSUE NPO im. Lavochkina își propune să folosească panouri solare și antene radiante pe un sistem de sateliți autonomi controlați de un semnal pilot de pe Pământ. Pentru antenă - utilizați intervalul de microunde cu unde scurte până la unde radio milimetrice. Acest lucru va face posibilă formarea de fascicule înguste în spațiu cu dimensiuni minime de oscilatoare și amplificatoare. Generatoarele mici vor permite ca antenele de recepție să fie cu un ordin de mărime mai mici [12]

Beneficiile sistemului

Centura lunară

Proiect de energie spațială prezentat de Shimizu în 2010 . După cum au planificat inginerii japonezi, aceasta ar trebui să fie o centură de panouri solare întinse de-a lungul întregului ecuator al Lunii (11 mii de kilometri) și 400 de kilometri lățime. [13]

Panouri solare

Deoarece producerea și transportul unui astfel de număr de celule solare de pe pământ nu este posibilă, conform planului oamenilor de știință, celulele solare vor trebui produse direct pe Lună. Pentru a face acest lucru, puteți folosi solul lunar din care puteți face panouri solare. [paisprezece]

Transfer de energie

Energia din această centură va fi transmisă prin unde radio folosind antene imense de 20 km și primită de rectenele de aici pe Pământ. A doua metodă de transmisie care poate fi utilizată este transmisia printr-un fascicul de lumină folosind lasere și recepția printr-o capcană de lumină pe sol. [cincisprezece]

Beneficiile sistemului

Deoarece nu există atmosferă sau vreme pe Lună, energia poate fi generată aproape non-stop și cu un factor de eficiență mare.

David Criswell a sugerat că Luna este locația optimă pentru centralele solare. [16] [17] Principalul avantaj al plasării colectoarelor de energie solară pe Lună este că majoritatea rețelelor solare pot fi construite din materiale locale, în locul resurselor terestre, ceea ce reduce semnificativ masa și, prin urmare, costurile în comparație cu alte sisteme solare spațiale. optiuni de putere...

Tehnologii utilizate în energia spațială

Transmiterea fără fir a energiei către Pământ

Transmisia de energie fără fir a fost propusă într-un stadiu incipient ca mijloc de transmitere a energiei de la o stație spațială sau lunară către Pământ. Energia poate fi transmisă folosind radiații laser sau microunde la diferite frecvențe, în funcție de designul sistemului. Ce alegere a fost făcută pentru ca transmisia radiațiilor să fie neionizantă, pentru a evita eventualele perturbări ale ecologiei sau sistemului biologic al regiunii primitoare de energie? Limita superioară a frecvenței radiațiilor este stabilită astfel încât energia per foton să nu provoace ionizarea organismelor la trecerea prin ele. Ionizarea materialelor biologice începe doar cu radiația ultravioletă și, ca urmare, se manifestă la frecvențe mai mari, astfel încât o cantitate mare de frecvențe radio va fi disponibilă pentru transferul de energie.

Lasere

Cercetătorii NASA au lucrat în anii 1980 cu posibilitatea de a folosi lasere pentru a radia energie între două puncte din spațiu. [18] În viitor, această tehnologie va deveni o modalitate alternativă de transfer de energie în energia spațială. În 1991, a început proiectul SELENE, care a implicat crearea de lasere pentru energia spațială, inclusiv energie laser pentru radiarea energiei către bazele lunare. [18] În 1988, Grant Logan a propus utilizarea unui laser plasat pe Pământ pentru a alimenta stațiile spațiale și s-a speculat că acest lucru ar putea fi făcut în 1989. [18] S-a propus să se utilizeze celule solare cu diamant la 300 °C pentru a converti radiația laser ultravioletă. Proiectul SELENE a continuat să lucreze la acest concept până când a fost închis oficial în 1993, după doi ani de cercetare și nicio testare pe termen lung a tehnologiei. Motivul închiderii: cost ridicat de implementare. [optsprezece]

Transformarea energiei solare în energie electrică

În energia spațială (în stațiile existente și în dezvoltarea centralelor electrice spațiale), singura modalitate de a genera eficient energie este utilizarea celulelor fotovoltaice. O fotocelula este un dispozitiv electronic care transformă energia fotonului în energie electrică . Prima fotocelulă bazată pe efectul fotoelectric extern a fost creată de Alexander Stoletov la sfârșitul secolului al XIX-lea. Din punct de vedere energetic, cele mai eficiente dispozitive pentru transformarea energiei solare în energie electrică sunt convertoarele fotovoltaice cu semiconductori (PVC), deoarece aceasta este o tranziție energetică directă, într-o singură etapă. Eficiența celulelor solare produse comercial este în medie de 16%, pentru cele mai bune probe de până la 25%. [19] În condiții de laborator, s-a atins deja o eficiență de 43% [20] .

Obținerea energiei din undele cu microunde emise de satelit

De asemenea, este important să subliniem modalitățile de obținere a energiei. Una dintre ele este obținerea energiei cu ajutorul rectenelor. O rectennă ( antenă de redresare ) este un dispozitiv care este o antenă neliniară concepută pentru a converti energia de câmp a unei unde incidente în energie de curent continuu . Cea mai simplă opțiune de proiectare poate fi un vibrator cu jumătate de undă, între brațele căruia este instalat un dispozitiv cu conducție unidirecțională (de exemplu, o diodă). În această versiune a designului, antena este combinată cu un detector, la ieșirea căruia, în prezența unei unde incidente, apare un EMF. Pentru a crește câștigul, astfel de dispozitive pot fi combinate în matrice cu mai multe elemente.

Avantaje și dezavantaje

Energia solară spațială este energia care se obține în afara atmosferei Pământului. În absența contaminării cu gaz a atmosferei sau a norilor, aproximativ 35% din energia care intră în atmosferă cade pe Pământ. [21] În plus, prin alegerea corectă a traiectoriei orbitei, este posibil să se obțină energie în aproximativ 96% din timp. Astfel, panourile fotovoltaice aflate pe orbita geostaționară a Pământului (la o altitudine de 36.000 km) vor primi în medie de opt ori mai multă lumină decât panourile de pe suprafața Pământului [22] și chiar mai mult atunci când nava spațială este mai aproape de Soare decât de suprafața Pământului. [22] Un avantaj suplimentar este faptul că în spațiu nu există nicio problemă cu greutatea sau coroziunea metalelor din cauza absenței unei atmosfere.

Pe de altă parte, principalul dezavantaj al energiei spațiale până în prezent este costul ridicat. Fondurile cheltuite pentru punerea pe orbită a unui sistem cu o masă totală de 3 milioane de tone se vor achita numai în 20 de ani, iar asta dacă luăm în considerare costul unitar al livrării de mărfuri de pe Pământ pe o orbită de lucru de 100 USD/ kg. Costul actual al punerii mărfurilor pe orbită este mult mai mare.

A doua problemă a creării unui IPS este pierderile mari de energie în timpul transmisiei. Când se transferă energie pe suprafața Pământului, cel puțin 40-50% se vor pierde. [21] [23]

Provocări tehnologice majore

Conform unui studiu din 2008 din SUA, există cinci provocări tehnologice majore pe care știința trebuie să le depășească pentru a face ca energia spațială să fie ușor disponibilă: [21]

  • Componentele fotovoltaice și electronice trebuie să funcționeze cu eficiență ridicată la temperaturi ridicate.
  • Transmisia de putere fără fir trebuie să fie precisă și sigură.
  • Centralele electrice spațiale ar trebui să fie ieftine de fabricat.
  • Vehicule de lansare spațială low cost.

Alte moduri de a folosi energia spațială

Utilizarea energiei electrice în zborurile spațiale

Pe lângă faptul că radiază energie către Pământ, sateliții ECO pot alimenta și stații interplanetare și telescoape spațiale. Poate fi, de asemenea, o alternativă sigură la reactoarele nucleare de pe o navă care va zbura pe planeta roșie . [24] Un alt sector care ar putea beneficia de ECO ar fi turismul spațial . [21]

Note

  1. ↑ Glaser, Peter E. Method And Apparatus For Converting Solar Radiation To Electrical Power  //  Brevetul Statelor Unite 3.781.647 : jurnal. - 1973. - 25 decembrie.
  2. ↑ Space Future - Conceptual Study of A Solar Power Satellite, SPS 2000
  3. ↑ Japonia transmite energie solară din spațiu pe lasere - FoxNews.com
  4. ↑ California va construi prima centrală electrică spațială din lume
  5. ↑ Inelul Lunii
  6. ↑ Institutul Roskosmos își propune să se angajeze în producția de energie pe orbită
  7. ↑ [epizodsspace.no-ip.org/bibl/tm/1973/3/zolushka.html „Era solară” în sectorul energetic „Tehnologie-tineret” 1973 Nr. 3, p.11, 26-27, 40, obl .4]
  8. ↑ § 6. Centrale orbitale. Levantovsky V. I. Mecanica zborului spațial într-o prezentare elementară
  9. ↑ V. A. Griliches. Centrale solare spațiale (L.: Nauka, 1986) și alte cărți
  10. ↑ http://www.ursi.org/files/Appendices070529.pdf
  11. ↑ Energia solară bazată pe spațiu ca o oportunitate pentru securitate strategică
  12. ↑ Centrală electrică pe orbita Pământului
  13. ↑ LUNA RING/Shimizu's Dream - Shimizu Corporation
  14. ↑ Oamenii de știință propun să facă centrale electrice din praf lunar
  15. ↑ Centura lunară va transporta energie către Pământ de-a lungul fasciculului
  16. ↑ Universitatea din Houston: Tip Sheets
  17. ↑ David R. Criswell - Publications and Abstracts
  18. ↑ 1 2 3 4 „Implicarea mea cu radiația laser”
  19. ↑ Tehnologii. Fotocelule din polisiliciu
  20. ↑ Panouri solare cu eficiență record
  21. ↑ 1 2 3 4 Mankins, John S. (2008). „Energie solară spațială”
  22. ↑ 1 2 Energia solară din spațiu (link inaccesibil) . Consultat la 30 martie 2011. Arhivat din original pe 18 martie 2010. 
  23. ↑ Ghenady Malyshev. Centralele orbitale au ramas pe hartie din cauza lipsei consumatorilor orbitali si a problemelor insurmontabile de deversare a energiei catre consumatorii terestri . din Nezavisimaya Gazeta , 24.01.2001 . Lumea spațială. Preluat: 10 ianuarie 2011.
  24. ↑ o privire nouă asupra energiei cosmice (link inaccesibil) . Preluat la 30 martie 2011. Arhivat din original la 26 octombrie 2017. 

Link -uri

Vezi și

 Colonizarea spațiului
Colonizarea
sistemului solar		 Colonizarea spațiului
Terraformarea
Colonizarea în afara
sistemului solar
Așezări spațiale
Resurse și energie