Солнечная электростанция в космосе: путь для решения земных проблем или наоборот?

В 1941 году Айзек Азимов опубликовал рассказ «Логика» (Reason). В нем в качестве декорации к сюжету фигурирует колоссальная солнечная электростанция, получающая электричество от фотоэлементов. Затем она вырабатывает с помощью этого электричества микроволны, направляемые на поля принимающих антенн (а точнее — ректенн) на Земле. На тот момент у Азимова не было высшего образования, да и рассказ, в общем-то, был совсем не про энергетику (а про робототехнику), поэтому деталей там не так много. Но именно в этот момент родилась идея, до сих пор не теряющая популярность.

Да что там популярность. В 2008 году Япония даже приняла специальный закон, в котором провозгласила строительство такой станции ключевой национальной целью. Китай тоже периодически заявляет о намерениях строить нечто подобное, США не оставляют эту тему. В чем причина такого интереса?

Все дело в том, что в мире есть два пути решения энергетических проблем: эффективные и те, что нам нравятся. В последнее столетие эти пути существенно разошлись. Тепловая энергетика не нравится практически никому, кроме компаний, добывающих ископаемое топливо: слишком много людей (сотни тысяч) от нее умирают каждый год. Атомная энергетика не нравится общественности, а солнечная, как показывают специальные научные работы, даже при самых щедрых допущениях не может покрыть основную часть потребностей человечества в электричестве. И это мы даже не погрузились в проблему тепла, а ведь на его генерацию наш вид тратит намного больше энергии, чем на выработку электричества.

Солнечные электростанции на Земле имеют такие ограниченные перспективы не просто так. Причина — в базовой физике. На нашей планете половину времени царит ночь, а электричество нужно и тогда, когда солнце не светит. Огромную часть дневного времени небо затянуто облаками, и в итоге за год солнечная электростанция в умеренном климате вырабатывает в 8 раз меньше энергии, чем атомная той же мощности. Потому что АЭС работает больше 8000 часов в году, а СЭС в районе, например, Москвы — около 1000. Причем слабее всего — зимой, когда электричество всего нужнее.

Плюсы космических масштабов

Теперь легко понять, почему Азимов так увлекся космическими солнечными электростанциями. На околоземной орбите нет облаков. Если вывести станцию на геостационарную орбиту, она будет работать весь год, кроме небольшого числа коротких затмений (по 72 минуты, близ равноденствия, когда Земля встанет между ней и Солнцем). При КПД солнечных батарей 40% — такой имеют фотоэлементы на арсениде галлия — с 1 квадратного метра станция будет вырабатывать 4400 киловатт-часов в год. Планета потребляет примерно 25 триллионов киловатт-часов, значит 6 миллиардов квадратных метров солнечных батарей хватит для удовлетворения всех ее потребностей. Это вроде бы много — 6 миллиардов, но в квадратных километрах это всего 6000 (примерно четыре площади Санкт-Петербурга). Правда, арсенид галлия дорог, а КПД кремниевых солнечных батарей ниже, всего 25%. Но и с ними примерно 10 000 квадратных километров солнечных батарей в космосе хватит на всех.

Плюсы космоСЭС кажутся такими самоочевидными, что иноземные сверхцивилизации многие ученые и фантасты стали представлять себе базирующимися именно на солнечных электростанциях в космосе — вспомним известную «сферу Дайсона». Особенно это ощущение усилилось после начала разработки Starship, крупного носителя, от которого ожидают цен вывода ~100 долларов за килограмм.

Это в десятки раз ниже современных цен на доставку грузов в космос, и, кажется, это должно позволить развертывание солнечной энергетики в космосе. Откроем западные научпоп-ресурсы, там прямо так и пишут: «Время космической солнечной энергетики может наконец настать. Старая научно-фантастическая мечта может стать реальностью в следующее десятилетие или около того, считает ряд исследователей».

Невидимые минусы космической энергетики

Сама по себе солнечная батарея может быть очень легкой — буквально 100 нанометров толщиной. Но ей нужна подложка, обеспечивающая механическую прочность, проводник, отводящий ток, стеклянное покрытие, снижающее износ, и — в условиях космоса это очень важно — металлическая поверхность сзади, отводящая тепло в виде инфракрасного излучения. Если отвод тепла будет недостаточным, батарея начнет перегреваться и быстро деградировать.

Из всего этого следует: каждый солнечный киловатт в открытом космосе на сегодня не может быть существенно легче 6–7 килограммов. А с учетом передающей на Землю аппаратуры (пока еще даже не созданной), не менее 10.

Тогда его вывод на Starship будет стоить 1000 долларов (10 х 100). Да, это стоимость солнечных батарей с установкой на Земле. Поскольку на установку приходится половина стоимости СЭС, то формально цена за киловатт мощности космоСЭС растет вдвое. Но и отдача от нее растет едва ли не в десять раз, то есть коммерчески это более чем оправдано.

Однако есть нюансы. Вот вам первый: на геостационарную орбиту любой носитель выводит во много раз меньше грузов, чем на низкую околоземную. Значит, цена вывода туда во много раз выше, чем цена доставки на низкую орбиту. Получается, что почти в десять раз более высокая выработка будет перекрыта ценой доставки, почти в десяток раз удорожающей сами фотоэлементы.

Развернуть солнечные электростанции на низкой орбите можно, но тогда половину времени они будут в тени Земли, то есть отдача падает сразу вдвое. Правда, она все равно будет выше, чем на поверхности нашей планеты. Но на практике главную проблему солнечных батарей — прерывистость их выработки — на низкой орбите не решить.

Чтобы электричество с орбиты могло конкурировать по цене с электричеством от наземных источников, нужно выводить грузы на геостационарную орбиту не дороже 200 долларов за килограмм. Это реально, только если Starship смогут выводить килограмм груза на низкую орбиту не за 100 долларов, а за кратно меньшие деньги. Пока такие оптимистичные оценки дает разве что сам Илон Маск. Несмотря на все его несомненные заслуги в области космоса, реализация такой стоимости выведения вызывает серьезные сомнения у всех остальных.

Впрочем, давайте допустим, что Маск прав, и можно добиться стоимости вывода 20 долларов за килограмм. Увы, и тогда снабжать Землю «по-азимовски» не выйдет. Потому что тут в действие вступает второй малоприятный нюанс: проблемы с доставкой электроэнергии из космоса на Землю. Микроволны действительно могут проникнуть через земную атмосферу, они могут достичь полей ректенн у нуждающегося в электричестве города или завода и снабдить его энергией.

Но если в атмосфере в этот момент будет влага, заметная часть микроволн поглотится. И чем больше влаги, тем больше будут потери. Значит, мощность, которую получит наземный потребитель, будет зависеть от погоды. В серьезную непогоду электричества на Земле вообще не будет, а ведь в некоторых частях планеты бури и ураганы не редкость.

Другие средства дистанционной доставки не лучше. Лазеры в оптическом диапазоне вообще почти «не пробивают» плотные облака. Микроволны были выбраны еще Азимовым не просто так: в случае земной атмосферы они действительно самое эффективное из доступных средств доставки.

Хорошо, давайте представим, что мы нашли некие волшебные микроволны (волшебные — потому что физика пока с такими не знакома), которым реалистично было бы передавать энергию через плотные облака и что угодно еще. Тогда мы упремся в третий малоприятный нюанс — физику распространения волн.

Наилучшие из имеющихся на Земле средства отправки микроволн не могут сделать луч даже в 0,9 градуса. Геостационарная орбита в 36 тысячах километрах от нас. Значит, пятно микроволн на нашей планете будет иметь диаметр… да, вы верно подсчитали. От 10 километров. Вопрос: как мы будем строить приемники таких размеров около каждого крупного города или завода? Сколько это будет стоить? Можно выбрать орбиту пониже геостационарной, но все еще дающей круглосуточное облучение солнцем (солнечно-синхронные)

Но что мы будем делать тогда, когда, по мере вращения Земли, поле ректенн около Нью-Йорка уйдет из поля зрения орбитальной солнечной электростанции? Поливать то же поле другой станцией? Кто все это будет координировать? Сколько будет стоить дублирование орбитальных СЭС для этих целей? Наконец, Тувалу, Вануату и прочие поселки Мирные, находящиеся вдали от крупных ЛЭП. Мы что, у каждого построим многокилометровые поля ректенн? Не слишком ли дорого обойдется такое удешевление?

На некоторую часть из этих вопросов ответ дать уже пробовали. Получилось, что гигаватт мощности принимающих микроволновых ректенн на Земле будет стоить 0,2 миллиарда долларов. Или 200 долларов за киловатт мощности. Это еще туда-сюда для мегаполисов, но для менее крупных населенных пунктов все плохо: микроволны нельзя сфокусировать в слишком малое пятно. То есть нам придется строить циклопические принимающие поля даже близ скромных потребителей энергии, иначе излучаемые орбитальными СЭС микроволны будут просто греть почву, а не превращаться в электроэнергию для землян.

Наконец, добавим еще один пункт: в космосе солнечная батарея деградирует зачастую в восемь раз быстрее, чем на Земле. Особенно это касается орбиты, лежащих выше магнитосферы Земли, то есть практически всех орбит, постоянно освещаемых Солнцем Это и не удивительно: там она не защищена земной атмосферой от коротких электромагнитных волн, способных повреждать полупроводники. То есть менять ее надо в восемь раз чаще, и выработка на единицу мощности в целом за жизнь будет равна земной. Похоже, энергетические проблемы Земли придется решать на Земле.

Где на самом деле может лежать призвание орбитальных электростанций?

И тем не менее идея крупных солнечных электростанций в космосе далеко не такая безнадежная, как может показаться из первой половины этого текста. Определенно, передавать энергию на Землю таким образом непрактично. А если вместо этого передавать ее от околоземной орбиты в другие части космоса?

Нет, речь не идет о строительстве десятка километров полей ректенн для приема микроволн от орбитальных СЭС на Марсе, чтобы заправить там Starship, возвращающиеся к Земле. Это не имеет смысла: расходимость микроволн будет такой, что поля ректенн должны будут занимать чуть ли не всю поверхность Красной планеты, в противном случае основная часть энергии просто нагреет грунт, пройдя мимо получателя. Не будет это иметь смысла и для снабжения энергией колонии на Луне. Во-первых, от геостационарной орбиты до луны в десяток раз дальше, чем до Земли, и принимающие поля ректенн там придется делать по 100 километров в диаметре. Во-вторых, на Луне солнечная постоянная не сильно отличается от той, что на геостационарной орбите. В-третьих, выше уже написано, почему солнечные батареи вообще не лучший выход для запитывания крупных баз и колоний.

Однако если мы перенесем потребителей энергии орбитальных электростанций в космос, то у нас упростится целый ряд казавшихся неразрешимыми проблем. Можно отказаться от микроволн с их огромной расходимостью луча. Да, они идеальны, чтобы пронести энергию через земную атмосферу, но если получатель энергии вне этой атмосферы, куда логичнее воспользоваться лазерами. У них намного ниже расходимость пучка — настолько, что даже за миллионы километров от орбитальной солнечной электростанции лазерные лучи смогут доносить до адресата киловатты на квадратный метр.

Это не очень хороший выбор, если вы собрались снабжать энергией какой-то относительно компактный объект: МКС или даже ровер на другой планете или астероиде. В космосе бывает очень непросто с теплоотводом. Поэтому условный луноход, который мы решим «взбодрить» дополнительными киловаттами от лазерного пучка, может начать перегреваться, что нежелательно. 

Орбитальная станция или корабль на орбите, облучаемые микроволнами, будет нуждаться в дополнительных радиаторах охлаждения, что увеличит их массу. Тогда уж проще оснастить солнечными батареями саму станцию (корабль), благо задняя поверхность фотоэлементов в космосе автоматически работает как радиатор охлаждения. Что ж, в этом направлении польза от орбитальных СЭС невелика. Но остается еще один путь.

Традиционная проблема всех космических аппаратов — им нужно что-нибудь отбрасывать назад, чтобы двигаться вперед. Поэтому разогнаться быстрее чем на десятки километров в секунду очень и очень сложно. Между тем до системы Сатурна от нас почти 10 миллиардов километров, а до ближайшей звезды — 40 триллионов километров. Легко видеть, что на скорости 20 километров в секунду лететь к спутнику Сатурна Титану мы будем 15 лет, а к Проксиме Центавра — более полутысячи лет. Как-то уж очень долго, нельзя ли побыстрее?

Можно! Еще в 1899 году физик Петр Лебедев продемонстрировал в эксперименте, что свет способен оказывать физическое давление на другие тела, без «отдачи» в отношении самого космического корабля, разгоняемого источником светового излучения. А в 1925 году Фридрих Цандер предложил использовать этот физический факт для перемещения в пространстве космических кораблей.

До изобретения лазеров такой парус называли солнечным: космический корабль должен был развернуть в космосе огромную пластину из тонкого материала (чтобы общая масса корабля не была слишком большой) и затем дать Солнцу разогнать себя. Двигаясь при этом по спиралевидной орбите, чтобы не удалиться от светила чересчур быстро, корабль с солнечным парусом, по расчетам, мог разогнаться до сотен или даже тысяч километров в секунду в зависимости от размеров и массы паруса.

И все-таки его тяга была очень небольшой. В околоземном пространстве парус 800 на 800 метров получает от Солнца всего 5 ньютонов тяги, направленной вовне Солнечной системы.

Революцией в этом вопросе стало изобретение лазера. Оказалось, что с его помощью можно концентрировать излучение в пучок, который сохранит заметную плотность даже за 100 миллионов километров. Но и здесь возникла проблема: серьезный нагрев лазером, по расчетам, мог перегреть тот космический аппарат, который призван подталкивать лазерный парус. И даже если особо тонким парусом закрыть основную часть космического зонда, тот все еще оставался слишком массивным, чтобы его можно было быстро разогнать до разумных скоростей.

В Институте продвинутых исследований NASA еще в конце 1990-х подсчитали: одним из лучших применений лазерной передачи энергии в космосе может стать лазерный парус, причем экстремально тонкий. А несколько лет назад команда Филиппа Лубина из Калифорнийского технологического института решила, что самый простой способ снять все проблемы лазерного паруса — радикально переосмыслить, что означают слова «космический аппарат».

Лубин обратил внимание на то, что от исследовательского зонда, по сути, нужно не так много: оптические или ИК-сенсоры да система связи. Однако современная электроника уже позволяет создать матрицу мини-сенсоров на одной микросхеме, и туда же интегрировать микросхему связи. По периметру такой пластинки из кремния с нанесенной на него микросхемой может быть размещена антенна для связи с Землей — и все, исследовательский аппарат готов.

Лубин считает, что оптимальными параметрами для исследования Солнечной системы будет обладать зонд массой не более грамма, что вполне реально, если вспомнить, что типичная толщина кремниевой подложки — 300–800 микрометров. Условное название концепта — Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN). Несмотря на предельное облегчение зонда, с ним можно будет осуществлять обратную связь (за счет направленного излучения радиосигнала «зондом на кремниевой пластине») на удалении в несколько световых лет: мощности радиосигнала для этого хватит, хотя и скорость связи будет предельно малой.

Рассеивание лазерного пучка будет заметно снижаться за счет использования группы лазеров, работающих по принципу фазированной антенной решетки. Но даже в этом случае для отправки зонда к Проксиме Центавра потребуется громадная мощность. Если солнечная орбитальная электростанция будет излучать с общей мощностью лазерных передатчиков 1 гигаватт, то ближайшей звезды «зонд на микросхеме» достигнет через 193 года. Если мощность излучателей поднимется до 100 гигаватт, то всего за 21 год. Это немыслимо короткое время, никакими другими средствами на сегодня недостижимое.

Серьезной проблемой проекта оказалось то, что при переходе к демонстрационным аппаратам добиться граммовой массы пока не удается. Конечно, не в последнюю очередь тут дело в том, что группа Лубина не электронщики, поэтому их системы далеко не самые компактные в мире. Но есть и объективные трудности: чтобы зонд такого рода не вышел из строя под действием космический лучей, его приходится делать заметно более толстым (и с дублированием множества функций), чем обычную электронику.

Однако пластины диаметром 10 сантиметров и массой около 100 граммов в рамках такой технологии сделать уже можно. Если такой зонд надо доставить к Марсу, с этим может справиться лазер мощностью всего 100 киловатт, причем время путешествия будет всего три недели. Более дальние полеты потребуют больше мощности — к Плутону до 10 мегаватт. К системе Юпитера зонд долетит за 120 дней, а к Плутону — за три года. Для сравнения: зонд New Horizons летел к Плутону девять лет, в три раза дольше.

Зачем этой каше солнечный топор?

Возникает вопрос: а почему для всего этого нужна солнечная орбитальная электростанция, почему не атомная? В конце концов атомный реактор что на 1, что на 10 мегаватт электрической мощности создать не так сложно и можно вывести на орбиту «в сборе». Группируя модули такого рода, можно получить лазерные комплексы и на 100 гигаватт. Зачем упираться именно в солнечные батареи, ведь те при больших мощностях систем получаются намного более материалоемкими, чем атомные реакторы?

Последнее действительно верно. Один киловатт мощностей солнечных батарей сейчас весит как минимум 6–7 килограммов, то есть 10 мегаватт такой мощности потянут на 60–70 тонн. Определенно можно создать атомный реактор с большей удельной отдачей. По этой причине при колонизации других небесных тел атомные реакторы неизбежно выигрывают у солнечных батарей. Но в открытом космосе ситуация заметно отличается.

Недостаточно вывести на орбиту условные 10-мегаваттные реакторы и собирать из них лего для обеспечения энергией лазерных излучателей. От любого источника энергии в космосе придется рассеивать избыточное тепло. Реактор на 10 мегаватт будет давать его не менее 10 мегаватт, а это означает, что ему придется развернуть очень большие радиаторы охлаждения, никак не менее 1000 квадратных метров. К тому же эти радиаторы придется прикрыть противосолнечным экраном, иначе лучи нашего светила помешают реактору нормально охлаждаться. Сколько такие радиаторы будут весить? Кто будет следить за их корректным развертыванием в космосе? А ведь достаточно одной пластине «пойти не туда», и реактор включать запретят, чтобы не перегревать активную зону.

Сравним это с орбитальной солнечной электростанцией. Она состоит из множества модульных систем умеренной мощности, а не из установки сразу на 10 мегаватт. Одна не развернулась — можно послать взамен новую. Радиаторы охлаждения уже интегрированы в каждую солнечную батарею — задняя сторона каждого фотоэлемента активно излучает в ИК-диапазоне, охлаждая устройство.

Атомный реактор на поверхности Марса или даже Луны в конце концов можно разместить в зоне вечной тени, закопав в грунт, например. Небольшой излучающий радиатор-зонтик, воткнутый над таким реактором, может разогреваться хоть до красного каления в прямом смысле этого слова, у атомных реакторов прошлого уже были такие системы охлаждения. Причем при удвоении температуры радиатора его теплоотводящая способность растет сразу в 16 раз, а при учетверении — в 256 раз.

Но вот в открытом космосе мы не сможем обойтись таким «зонтиком». Чтобы радиатор отводил тепло от реактора на 800, например, градусах, придется держать нагретым внешние стенки реактора, и, по сути, он весь станет радиатором охлаждения. А ведь лазерным установкам тоже нужны системы охлаждения, и если их радиаторы охлаждения будут рядом с компактными и докрасна раскаленными радиаторами питающих их реакторов, то начнутся серьезные проблемы.

Конечно, можно разместить реактор на километровой штанге, прокинуть по ней кабель (кстати, его тоже надо будет охлаждать). Тогда радиаторы реактора будут мало мешать радиаторам лазерных установок. Но все это добавит системе сложности, материалоемкости, стоимости.

Иными словами, пока — во всем обозримом будущем — солнечные орбитальные электростанции остаются оптимальным выбором для обеспечения энергией лазеров, «дующих» в лазерные паруса космических зондов. И если у человечества дойдут руки до реализации всего этого, наши знания о дальней Солнечной системе и ближайших звездах станут намного больше уже в этом столетии.