Напрашивается логичный вывод — следует перенести электростанции в космос, где Солнце светит круглые сутки. Например, «подвесить» их на геостационарную орбиту. Первым идею солнечной космической электростанции (СКЭС), поставляющей энергию на Землю, высказал в 1968 году американский ученый чешского происхождения Питер Глейзер, создатель лунного отражателя-дальномера, оставленного на нашем естественном спутнике экспедицией «Аполлон-11». Опубликовав идею в журнале Sciencе, он, как истинный американец, запатентовал свою концепцию. В те годы казалось, что воплощение этой идеи — дело ближайшего будущего. Но срок действия патента давно истек, а престарелый Глейзер только сейчас стал получать обнадеживающие сообщения о возможной реализации своей идеи.
В начале 2009 года американская корпорация Solaren подписала с калифорнийской энергетической компанией контракт о поставке 200 мегаватт электроэнергии космического производства с начала 2016 года. То есть всего через шесть лет фирма, где сейчас работают лишь около десятка человек, обещает не только построить электростанцию на геостационарной орбите, но и обеспечивать энергетические потребности четверти миллиона человек (200 МВт — это примерно пятая часть мощности Нижнекамской ГЭС, которая входит в десятку крупнейших ГЭС в России)! В том же 2009 году шестнадцать японских компаний, включая такого гиганта, как Mitsubishi, подписали соглашение о создании к 2030 году своей космической электростанции мощностью 1 ГВт.
Так что на бумаге (точнее, в Интернете) перспектива выглядит радужной. Но возьмем публикацию 30-летней давности — обзор В.А. Ванке, В.М. Лопухина и В.Л. Саввина «Проблемы солнечных космических электростанций», вышедший в журнале «Успехи физических наук» в 1977 году. О советских проектах в нем не упоминается, обсуждаются американские и японские: «...предполагаемый срок реализации — 90-е годы текущего столетия (эксперименты в космосе к 1985 году, прототип СКЭС к 1992 году, коммерческие экземпляры в 1997 году)». Выходит, ожидаемые сроки внедрения за три десятилетия так и не изменились и по-прежнему убегают за двадцатилетний горизонт. В космической энергетике, как и в термоядерной, научные и инженерные проблемы оказались более серьезными, чем представлялось первоначально. И самый сложный вопрос — доставка энергии на Землю. Ни провода, ни аккумуляторы для этого не годятся. Поэтому именно в контексте проектирования космических электростанций были впервые глубоко изучены проблемы беспроводной передачи энергии при помощи электромагнитных волн. Потери при этом происходят трижды: при переводе электричества в излучение, при прохождении излучения через атмосферу Земли и при обратном преобразовании его в электричество.
Для большинства видов электромагнитных волн земная атмосфера непрозрачна, поэтому широкого выбора у физиков не было. Направленная передача больших потоков энергии на большие расстояния возможна при помощи лазерного луча или пучка радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ). У обоих способов есть серьезные недостатки, причем лазер пока проигрывает соревнование.
Лазеры прямой наводкой
Казалось бы, лазер идеально подходит для передачи энергии на расстояние: он дает когерентный, почти не расходящийся пучок света с большой плотностью энергии, что облегчает прием луча и его преобразование в электричество. Однако именно высокая концентрация энергии делает эту технологию небезопасной. Конечно, не стоит представлять себе бьющий из космоса лазерный луч этакой невидимой (или даже, на оборот, пылающей) энергетической нитью, способной разрезать пополам случайно налетевший на нее самолет. Путь от геостационарной орбиты неблизкий — 36 тысяч километров, и даже идеально сформированный луч, пройдя такое расстояние, будет уже диаметром в пару сотен метров. Греть он будет в десятки раз сильнее полуденного Солнца, но реактивный самолет подвергнется такому облучению лишь на секунду и, скорее всего, выдержит (а вот пассажиры вполне могут получить ожог сетчатки). Иное дело — птица, случайно влетевшая в зону действия луча. Ее судьбе не позавидуешь, как и тем существам, по кому этот луч скользнет при малейшей ошибке в ориентации космической электростанции, например, из-за попадания метеорита или сбоя автоматики.
Но с проблемами безопасности можно было бы справиться, умей лазер эффективно передавать энергию. Не так давно японцы добились преобразования солнечного света в лазерное излучение с довольно приличным КПД — 42%. Существуют и приемники с неплохим КПД, превращающие лазерный свет в электричество. Но, увы, эффективные передатчики и приемники работают в разных спектральных диапазонах и совместно применяться не могут. Добавьте к этому невозможность использования лазерной передачи в пасмурную погоду — и перспективы этой технологии для космической энергетики станут еще более туманными. Зато лазерный канал можно использовать на Земле. Например, в японском Университете Кинки смогли 20 минут питать лазером двигатель мотодельтапланчика с размахом крыла около метра. Аналогичные работы проводились и в NASA.
Прототип космического лифта получает по лазерному лучу около киловатта энергии и с КПД 20% использует ее для подъема по свисающему с вертолета километровому тросу. В ноябре 2009 года на пятых ежегодных гонках космических лифтов этот аппарат, созданный компанией LaserMotive из Сиэтла, преодолел зачетный 900-метровый отрезок за 3 минуты 48 секунд (со средней скоростью 3,95 м/с), вы играв приз 900 000 долларов. Беспроводное питание — принципиальное условие соревнований, проводимых под эгидой Spaceward Foundation и NASA. Фото: /PHOTOLINK (x2
Нежная ректенна
Другой возможный способ доставки энергии на Землю — это радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) в диапазоне от 2,45 до 5,8 ГГц. Они почти не поглощаются атмосферой, не отражаются ионосферой и вдобавок эффективно преобразуются в электричество. Выполняет это преобразование так называемая ректенна — от английских слов rectifying antenna (выпрямляющая антенна). К обычной дипольной антенне размером несколько сантиметров (порядка длины волны излучения) подключают быстродействующий диод Шоттки. Множество таких антенн собирают в решетку, покрывающую достаточно большую площадь, и соединяют между собой, чтобы суммировать выработанный в них электрический ток. Обычный радиоприемник можно сравнить с качелями. Он настраивается на частоту крайне слабого сигнала, чтобы тот, попав строго в резонанс, «раскачал» переменный ток в антенной цепи. Потом этот ток усиливается за счет батареек, и из него извлекают информацию (например, звук или телевизионное изображение).
Лес СВЧ-ректенн. Размах «крыльев» этих небольших диполей сопоставим с длиной волны СВЧ-излучения — несколько сантиметров. Фото: OURTESY JULIAN WORSKETT, YWD LTD., UK
Ректенна, напротив, рассчитана на сильный сигнал. Каждая приходящая электромагнитная волна с силой толкает электроны в диполе то в одну, то в другую сторону. Однако диод обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока и позволяет току, который возникает под воздействием СВЧ-излучения, идти только в одну сторону. Получается пульсирующий постоянный ток, причем в него переходит большая часть энергии излучения. Еще в 1964 году американский физик Уильям Браун на телеканале CBS демонстрировал модель вертолета с такой ректенной. Энергию он получал от микроволнового излучателя на Земле, и ее хватало, чтобы держать аппарат в воздухе. Позднее, изучая проект СКЭС в Лаборатории реактивного движения NASA, Браун смог передать 30 кВт на расстояние в одну милю с КПД 84%. Неясно, правда, имеется ли в виду КПД всей цепочки «электричество — СВЧ — электричество» или только второй ее половины, но результат все равно впечатляет.
Ректенна могла бы стать удачным решением проблемы беспроводной передачи энергии, если бы не одно обстоятельство: полупроводниковые диоды Шоттки — очень нежные элементы и не выдерживают больших потоков энергии. Поэтому для создания мощного канала нужны большие площади ректенн с огромным числом маленьких диполей и диодов. Подсчитано, что для передачи с геостационарной орбиты пяти гигаватт мощности придется строить передатчик в космосе диаметром в 1 километр (!) и приемник на Земле поперечником в 10 километров. Зато при такой площади плотность потока энергии оказывается много меньшей, чем от Солнца, и опасности система не представляет. Вот только не выгоднее ли в таком случае построить обычную солнечную электростанцию, пусть даже она будет простаивать по ночам и в плохую погоду?