Солнечная панель космос: Солнечные батареи в космосе: эффективность, виды, тенденции

Солнечные батареи в космосе: от идеи к воплощению

Единственным источником электрической энергии, размещенным на борту первого искусственного спутника Земли, являлась батарея серебряно-цинковых аккумуляторов. Она применялась для питания несложного радиопередатчика, транслировавшего в эфир прерывистые сигналы. Такое решение позволяло выполнить экспериментальный полет, но для сколько-нибудь продолжительного пребывания на орбите оно категорически не подходило. По этой причине уже весной 1958 года на спутниках начали устанавливать батареи солнечные — легкие и достаточно эффективные источники энергии, без которых освоение как ближнего, так и дальнего космоса стало бы невозможным.

Появление фотоэлементов

В 1839 году Александр Эдмон Беккерель, впоследствии ставший одним из наиболее известных французских физиков, заметил, что при воздействии света на «утопленные» в электролите пластины из платины гальванометр регистрирует появление тока. Разумеется, говорить о создании хотя бы даже прототипа солнечной батареи в данном случае не приходится, но сам по себе эффект прямого преобразования одной формы энергии в другую был замечен и зафиксирован.

В 1873 году британский инженер Уиллоби Смит, пытаясь сконструировать устройство для проверки подводных кабелей, обнаружил, что используемые им селеновые стержни обладают странной особенностью — при попадании на них света электропроводность материала буквально «подскакивает». Дальнейшее изучение этого явления, осуществленное американским изобретателем Чарльзом Фриттсом, позволило спустя десятилетие создать первый фотоэлемент. Электроэнергия генерировалась тонким слоем селена, «зажатого» между медной и золотой поверхностями.

Следует отметить, что физическую природу данного явления удалось объяснить лишь в 1905 году. Это было сделано самым знаменитым ученым всех времен – Альбертом Эйнщтейном. Практическое же применение как фотоэлементов, так и созданных на их основе солнечных батарей долгое время оставалось ограниченным как из-за их относительной дороговизны, так и вследствие низкого коэффициента полезного действия (КПД). Этот важнейший показатель поначалу редко превышал 1%.

Путь на орбиту

К моменту запуска первого спутника идея установки солнечных батарей на космические аппараты уже не являлась новой. К её практической реализации в США приступили в 1954, а в СССР – в 1956 году. В обеих странах основные надежды возлагались на кремниевые фотоэлементы. КПД при этом оставался невысоким — от 4% на первых опытных образцах до 8% для солнечных батарей, выводившихся на орбиту в 1964 году. Этот недостаток компенсировался несколькими ключевыми достоинствами:

• Долгий срок непрерывной работы.
• Отсутствие необходимости в каком-либо «топливе».
• Малый вес.
• Полная автономность.
• Безупречная надежность.

Практическое использование достаточно быстро показало, что микрометеориты хотя и воздействуют на работоспособность солнечных батарей, но крайне незначительно. Куда более значительной проблемой являлся постоянный рост энергопотребления всё более крупных и сложных космических аппаратов.

Новинкой середины 60-х годов прошлого века стала батарея солнечная на основе арсенида галлия. Этот материал позволил существенно повысить начальный КПД (от 14-15% до 20%), сократить потери при нагреве и сделать фотоэлементы менее чувствительными к космической радиации. Практическое применение улучшенных источников питания началось в 1967 году, когда их установили на межпланетной автоматической станции «Венера-4».

В последние годы XX века на космических аппаратах появились батареи, созданные на основе так называемых каскадных элементов. От обычных «ячеек» их отличает многослойность, позволяющая последовательно преобразовать практически весь спектр излучений, создаваемых Солнцем. Основной материал при этом всё тот же — арсенид галлия, размещенный на особой германиевой подложке. Эффект использования новых элементов питания очевиден — объем вырабатываемой энергии заметно увеличился.

Возможные перспективы развития

На Земле, как известно, использование солнечных батарей остается сравнительно незначительным. К примеру, в 2016 году они обеспечили всего 1,3% от общего объема генерации электроэнергии во всем мире. Дело в том, что львиную долю солнечных лучей поглощает атмосфера планеты. При выходе в открытый космос эффективность фотоэлементов, разумеется, резко увеличивается. Таким образом, орбитальные солнечные электростанции потенциально могли бы стать куда более мощными, чем любые наземные установки.

Конечно, выработанную энергию потребуется каким-то образом передать по назначению, то есть на Землю. Для этого можно использовать один из двух альтернативных методов. Один из них предполагает применение микроволн – своего рода «энергетического радио». Сразу же необходимо отметить, что пока что это лишь теория. Даже лабораторные эксперименты еще не проводились. По этой причине невозможно сказать, не окажется ли передаваемый с орбиты «луч» губительным для живых организмов или вредным для атмосферы. Привлекательной стороной применения радиоволн является возможность налаживания энергоснабжения в любой точке планеты, сколь угодно удаленной от благ современной цивилизации.

Второй и пока что более перспективный метод основан на преобразовании света Солнца в инфракрасное излучение мощного лазера. КПД подобного устройства может достигать 80%. Предполагается, что передавать энергию этим способом вначале будут от орбитальной станции на отдельные космические аппараты, а в дальнейшем, возможно, и на Землю.

Разумеется, сооружение подобных объектов потребует огромных затрат. Вывод в околоземное пространство большого количества солнечных панелей и сборка их в единый генерирующий блок приведет к необходимости использования десятков, если не сотен тяжелых ракет, не говоря уже о выполнении сложных монтажных работ. Окупятся ли эти расходы в дальнейшем – пока сказать невозможно. Тем не менее ясно, что рано или поздно человечество просто вынуждено будет перейти к масштабному использованию энергии Солнца, поскольку земные ресурсы конечны.

Орбитальная электростанция: между фантастикой и планированием | Статьи

Средства массовой информации Китая рассказали о намерении страны построить орбитальную солнечную электростанцию и начать передачу энергии из космоса на Землю уже к 2030 году. Так что можно прекращать качать нефть и добывать уголь, впереди мир ждет много чистой, возобновляемой, а в перспективе очень дешевой электроэнергии? «Известия» разобрались в ситуации.

Солнце. Практически неисчерпаемый источник энергии под боком у человечества. Проекты использования солнечной энергии человечество копит с античности, и до последних лет пятидесяти их все отличали два основных критерия: принципиальная возможность и неэффективность. Панели солнечных батарей были созданы уже более ста лет назад, но и до сих пор количество солнечных электростанций в общем количестве энергообеспечения нашей планеты относительно невелико.

Есть несколько серьезных причин, мешающих повсеместному распространению солнечных электростанций. Во-первых, это атмосфера и погодные явления, сильно снижающие эффективность использования. Даже в самый ясный день земная атмосфера минимум на 36% уменьшает количество получаемого фотоэлементами солнечного света, а про плохую погоду, когда фотоэлементы практически бесполезны, и говорить не стоит.

батареи

Солнечная электростанция в китайской провинции Шаньдун

Фото: TASS/Zuma

Еще одна серьезная проблема — это невозможность использовать солнечную энергию постоянно. В ночное время электростанция опять же стоит без дела, что приводит к ее сильному удорожанию. Требуется наличие аккумуляторов для хранения выработанной за дневное время энергии и специальной сети подстанций для сглаживания пиков потребления.

Кроме того, солнечные электростанции обладают большей эффективностью при расположении ближе к экватору, в идеале в пустынях, а значит, требуется передавать энергию к пользователям на значительные расстояния. Остаются еще регулярная необходимость очистки фотоэлементов или зеркал от пыли, необходимость постоянно поворачивать их для максимального получения солнечных лучей и до кучи вопросы экологов. Большую часть этих проблем можно было бы решить, просто запустив солнечную электростанцию в космос, что и собирается сделать Китай. Впрочем, при этом возникнет много других, возможно, еще более сложных вопросов.

Космический концепт

Судя по имеющейся информации, ничего кардинально нового китайцы пока не придумали. Подобные идеи выдвигаются учеными и инженерами по всему миру уже более 70 лет. Если вкратце, предлагается вывести на околоземную орбиту космическую станцию с большим количеством солнечных панелей, которые преобразуют энергию фотонов нашего светила в постоянный электрический ток. Всё точно так же, как на Международной космической станции, только в гораздо больших размерах собственно космического аппарата и количестве получаемой энергии.

Единственным принципиальным отличием является то, что орбита будущей электростанции должна быть геостационарной, она пролегает в 35 786 км от поверхности Земли. Тогда скорость полета электростанции будет совпадать с вращением Земли и станция будет находиться всё время над одним местом на поверхности нашей планеты. На такой же орбите чаще всего работают спутники связи, организующие вещание в конкретном регионе. Кроме того, подобная орбита хороша еще и небольшим количеством космического мусора. На Международной космической станции солнечные панели достаточно быстро (менее чем за 10 лет) выходят из строя и теряют эффективность за счет повреждения фотоэлементов микроскопическими частицами космического мусора.

батареи

Фото: TASS/Zuma/ESA

За счет размещения на орбите, вне действия плотных слоев земной атмосферы, станция окажется гораздо эффективнее, чем земная электростанция таких же размеров. «Если вы поставите солнечные панели в космосе, они будут работать 24 часа в сутки, семь дней в неделю, 99,9% времени в году», — говорит Пол Яффе, космический инженер Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, работающий над подобным проектом по заказу американских военных. Его слова приводит Business Insider.

За счет того что в космосе нет атмосферы, солнечные панели работают на 36% эффективнее. За счет отсутствия ночей и плохой погоды работоспособность увеличится еще более чем вдвое.

Кроме того, панели направлены на солнце всегда под идеальным углом. Ученые считают, что космическая солнечная электростанция примерно в восемь раз эффективнее, чем ее земной аналог.

Ток без права передачи

Правда, при космическом расположении появляется новый серьезный вопрос: как передавать электричество на Землю? В настоящее время есть два способа сделать это: лазер и электромагнитные волны вроде тех, что используются для передачи радиочастот или разогрева еды в микроволновой печи. Передача энергии при помощи лазера долго изучалась специалистами NASA, после чего от этой идеи отказались как от неэффективной.

Правда, это было в 80-х годах прошлого века, когда коэффициент полезного действия (КПД) лазеров не превышал 10–20%. С учетом потерь на передачу и преобразование световой энергии в электричество получалось, что потребитель получит лишь несколько процентов от передаваемой изначально энергии.

Однако с появлением новых технологий в начале 2000-х годов ситуация серьезно изменилась. В настоящее время есть инфракрасные лазеры с КПД до 40−50%. Серьезно улучшилось качество фотоэлементов, принимающих энергию лазерного луча (модули на основе арсенида галлия способны преобразовывать в электричество до 40%, а при определенных условиях до 70). Даже в условиях работы в земной атмосфере при помощи лазера можно передавать энергию, например заряжать висящий в воздухе беспилотник (таким проектом, например, в России занимаются Виталий Капранов, Иван Мацак и группа молодых инженеров из Комитета инновационных проектов молодежи (КИПМ) РКК «Энергия»).

беспилотник

Фото: popmech.ru

В случае с лазерным лучом, бьющим из космоса, тоже особых проблем не будет — на Земле будет построена специальная структура с модулями из арсенида галлия, и они будут максимально эффективно преобразовывать прилетевший из космоса луч в электричество, за счет фотонов определенной длины волны это будет гораздо эффективнее, чем с солнечной энергией.

Кстати, российский ЦНИИмаш шесть лет назад выступал с идеей создания российских космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1–10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. И российские исследователи считают лазерную передачу энергии на Землю более эффективной. Вот что говорит об этом главный научный сотрудник ЦНИИмаша Валерий Мельников: «Значительно меньшая расходимость лазерного луча по сравнению с СВЧ-сигналом дает на порядки меньшую площадь передающих и приемных систем, а из-за малой площади приема появляется возможность энергоснабжения высокоширотных регионов России, Канады, Гренландии и других островов в северных широтах, а также Антарктиды от КСЭС, находящейся на геостационарной орбите».

Второй вариант, который как раз и рассматривают китайцы, — это передача сигнала на Землю при помощи радиоволн. Специальное устройство на солнечной электростанции будет переводить постоянный ток в радиоволны и посылать их массивный пучок на Землю. Проблема в том, что для создания радиоволн требуется специальная каркасная конструкция большого размера.

Практически вся площадь солнечных панелей с обратной стороны будет занята под специальную систему генерирующего радиоволны и передающего их на Землю устройства. На Земле же пучок радиоволн будет улавливаться ректенной (от англ. rectifying antenna — выпрямляющая антенна). Это специальное устройство будет представлять собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на нее волны в энергию постоянного тока. Естественно, что ректенна тоже теряет энергию при получении и переработке радиоволн.

Инженер РКК «Энергия» Иван Мацак

Фото: popmech.ru

Важно подобрать частоту таким образом, чтобы передача излучения была не ионизирующей во избежание возможных экологических проблем. Именно эту задачу и будут решать китайские ученые в 2021–2025 годах, пытаясь передавать энергию в условиях земной атмосферы. Экспериментальная база для таких опытов уже построена в городе Чунцин. Поэтому можно не бояться, при передаче энергии планету не поджарит гигантской микроволновкой, люди даже не заметят дополнительного излучения. Как не замечаем мы огромного количества радиоволн, постоянно находящихся в атмосфере планеты. Предполагается, что плотность сигнала будет довольно низкой и не будет угрожать людям, самолетам или птицам, пролетающим через него. Однако точно сказать об этом получится лишь после натурных опытов.

По расчетам ректенна получится больше размером, чем специальная станция с фотоэлементами для переработки лазерного луча. А вот как с эффективностью передачи — пока непонятно. Российские ученые настаивают на лазерном варианте, Китай и США — на использовании микроволнового излучения.

Пора или не пора

Так что же тогда удерживает людей от создания экологичных и практически бесперебойных солнечных электростанций? Прежде всего высокая цена проекта. Современные ракеты могут доставить на геостационарную орбиту подобные электростанции только за достаточно большое количество запусков. А ведь их требуется на орбите собирать, и не факт, что это можно сделать без человеческого участия.

Современные подсчеты показывают, что подобные электростанции будут окупаться десятилетиями и дольше, пока на Земле существует множество альтернативных, хоть и гораздо менее наукоемких способов получать электроэнергию.

Китайцы говорят о возможности использования 3D-печати отдельных элементов прямо на орбите, чтобы сэкономить на запусках. Да, первый космический принтер, печатающий объекты прямо на орбите, вот уже несколько лет находится на Международной космической станции, и с его помощью даже было напечатано несколько пластиковых инструментов, однако использовать такой способ для изготовления электростанции прямо в космосе пока не пробовал никто.

Вторая проблема — это эффективность подобной солнечной электростанции. Пока по расчетам вроде получается, что она эффективнее, чем солнечная, расположенная на Земле, даже с учетом множества потерь на передачу электроэнергии. Но как это будет в реальности, без эксперимента не сможет сказать никто.

батареи

Производство солнечных модулей 

Фото: TASS/DPA/Jan Woitas

Вот и получается, что ничего сверхфантастического в создании космической электростанции на орбите нет, однако объем финансовых вложений и неясный результат отпугивают от таких проектов потенциальных инвесторов. Если же Китаю получится создать и запустить солнечную электростанцию на орбите, то это станет не сверхвыгодным способом получения энергии, а скорее показателем научной и инженерной силы стремительно растущего «восточного дракона». По крайней мере у других держав дальше планов и разработок пока дело не сдвинулось.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Космические солнечные батареи и стандарты

Астронавты и космонавты, находящиеся на движущейся по околоземной орбите Международной космической станции (МКС), недавно совершили очередной выход в открытый космос, чтобы подготовить станцию к установке двух новых солнечных батарей.  

Солнечные батареи для МКС

Астронавты американского Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space Administration; NASA; НАСА) Кейт Рубинс и Виктор Гловер 28 февраля начали устанавливать крепежные платформы для высокоэффективных солнечных панелей, которые должны прибыть на Международную космическую станцию в ближайшие месяцы. Астронавт Японского агентства аэрокосмических исследований (Japan Aerospace Exploration Agency; JAXA) Соичи Ногучи вместе с Рубинс завершили установку 5 марта.

Солнечные батареи используются на Международной космической станции в качестве источника электроэнергии уже давно. В настоящее время эксплуатируются восемь панелей. Но после эксплуатации в течение одного-двух десятилетий большинство подобных устройств приходит в негодность. Истекает расчетный срок службы. 

Развитие технологии производства солнечных панелей, стимулируемое стандартами  

В новых панелях используются передовые технологии изготовления солнечных батарей, позволяющие примерно вдвое повысить компактность устройств без снижения мощности относительно ныне используемых панелей. Уже установленные на МКС солнечные батареи останутся на своих местах и продолжат работать. Две новые панели будут размещены над ними под определенным углом.

Первые устройства на солнечной энергии были разработаны и начали использоваться по назначению еще в первом десятилетии 19 века. С тех пор данная технология продолжает совершенствоваться благодаря разработкам, направленным на повышение эффективности, снижение себестоимости и даже улучшение эстетических характеристик солнечных панелей, часто размещаемых на крышах жилых домов. 

Стандарты сыграли значительную роль при разработке, популяризации и поддержке распространения соответствующих технологических достижений, сделав использование солнечной энергетики коммерчески жизнеспособным вариантом организации электроснабжения самых разных объектов: от отдельно стоящего жилого дома до Международной космической станции.

Международные стандарты на космические солнечные батареи

Особого внимания заслуживают международные стандарты, регулирующие использование солнечной энергии космическими системами. Примером служит документ ИСО 21348:2007 «Космическая среда (естественная и искусственная) — Процесс оценки энергетической плотности потока солнечного излучения», разработанный техническим комитетом (ТК) 20 (Самолеты и космические аппараты), действующим в составе Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization; ISO; ИСО). 

Документ позволяет оценивать интенсивность солнечного излучения в контексте определения его пригодности для выработки электроэнергии. Сфера применения стандарта включает, среди прочего, моделирование фактической мощности солнечных батарей при эксплуатации в определенной среде. 

Национальные стандарты на космические солнечные панели

Работа в рассматриваемом направлении ведется и на уровне отдельных государств. Так, Американский институт аэронавтики и астронавтики (American Institute of Aeronautics and Astronautics; AIAA) при поддержке Американского национального института стандартизации (American National Standards Institute; ANSI) подготовил множество основанных на консенсусе стандартов для поддержки успешного развития и использования аэрокосмической техники, включая документы, регламентирующие применение солнечных батарей на космических станциях.  

Например, стандарт AIAA S-112A-2013 «Критерии приемлемости и требования к качеству для электрических компонентов солнечных панелей, предназначенных для эксплуатации в космической среде» устанавливает процедуры оценки качества электродеталей, интегрированных в космические солнечные батареи.

Стандарты на солнечные батареи, предназначенные для эксплуатации на Земле

Многие стандарты содержат рекомендации для солнечных панелей, эксплуатируемых на Земле. Например, документ UL 3703 «Солнечные трекеры (устройства слежения за Солнцем)» фокусируется на технологии, которая позволяет солнечным панелям вращаться и следовать за движением Солнца по небосводу. 

Использование данной технологии приводит к заметному повышению эффективности по сравнению с солнечными панелями, закрепленными статично. Стандарт UL 3703 был разработан организацией Underwriters Laboratories (UL).

Унифицированные стандарты в области солнечной энергии являются ключом к обеспечению рентабельности разработки и использования гелиоэнергетических систем, включая решения, не генерирующие электричество, а используемые для выработки тепла.  

Достижению данной цели способствует распространение документа IAPMO USHGC 1-2018 «Единый кодекс по гидронике (применение жидкостей для охлаждения и нагрева) и геотермальной энергии», представляющего собой унифицированный сборник руководящих указаний на тему использования энергии Солнца для нагрева и охлаждения зданий, применяемых субъектами строительной отрасли. 

Документ разработали специалисты Международной ассоциации руководителей сантехнических служб (International Association of Plumbing and Mechanical Officials; IAPMO) и организации ASTM International. Авторы отмечают, что внедрение IAPMO USHGC 1-2018 приводит к сокращению затрат на обучение обслуживающего персонала и специалистов по установке, а также к минимизации затрат на разработку готовой продукции и, как следствие, общей стоимости для конечных потребителей. 

Теги: ISOИСОНАСАNASAJAXAIAPMO / ANSI USHGC 1-2018космоссолнечные батареисолнечные панелиIAPMOASTM InternationalUL 3703Underwriters LaboratoriesAIAA S-112A-2013AIAAANSIИСО 21348:2007

Дорого и тяжело: зачем Европе солнечная батарея в космосе

Тренды

Телеканал

Газета

Pro

Инвестиции

РБК+

Новая экономика

Тренды

Недвижимость

Спорт

Стиль

Национальные проекты

Город

Крипто

Дискуссионный клуб

Исследования

Кредитные рейтинги

Франшизы

Конференции

Спецпроекты СПб

Конференции СПб

Спецпроекты

Проверка контрагентов

РБК Библиотека

Подкасты

ESG-индекс

Политика

Экономика

Бизнес

Технологии и медиа

Финансы

РБК КомпанииРБК Life

Скрыть баннеры

Рубрики

РБК
Тренды

Модель космической солнечной станции

(Фото: Andreas Treuer / ESA)

Генеральный директор Европейского космического агентства Йозеф Ашбахер предложил передавать солнечную энергию из космоса на Землю с помощью микроволн или мощных лазеров со спутника. Рассказываем главное о проекте Solaris

Что происходит

• По словам Йозефа Ашбахера, космическая солнечная энергетика (space-based solar power, SBSP) может стать важным шагом на пути к углеродной нейтральности и энергетической независимости Европы. Предполагается, что источниками энергии станут солнечные панели на орбите, которые собирают энергию и отправляют ее на Землю при помощи микроволн или мощных лазеров.
• По оценкам британской консалтинговой компании Frazer-Nash, инвестиции в исследования и разработку прототипа SBSP-спутника могут составить €15,8 млрд. Строительство первого действующего спутника может обойтись в €9,8 млрд, эксплуатация — в €3,5 млрд. При этом стоимость строительства и эксплуатации спутников будет сокращаться по мере их появления — до €7,6 млрд и €1,3 млрд соответственно.
• Чтобы отправлять на Землю достаточно энергии, необходимо, по оценкам Frazer-Nash, 54 спутника SBSP. При общей стоимости в €418 млрд проект позволит сэкономить €601 млрд от производства энергии на Земле, а также сократить выбросы CO₂.
• Другая консалтинговая компания, Roland Berger, оценила стоимость одного спутника в €33,4 млрд.
• Кроме этого, подчеркивают эксперты Roland Berger, SBSP-спутник будет больше любого другого спутника. Его площадь составит 15 км², а вес — более 4,5 тыс. т. Чтобы сократить вес при запуске, спутник необходимо запускать в разобранном виде, а на орбите собирать при помощи автономных роботов — однако сейчас такой технологической возможности нет.
• Также в Roland Berger сомневаются в возможности передавать гигаватты электроэнергии на таком большом расстоянии с помощью существующих технологий.
• Физик Кейси Хандмер подсчитал, что из-за тепловых потерь, стоимости логистики и сложностей строительства в космосе SBSP технология обойдется в тысячи раз дороже традиционного производства электроэнергии.

Что это значит

Чтобы собирать солнечную энергию в космосе, необходим специальный огромный спутник, оснащенный солнечными батареями. Панели вырабатывают электричество, которое с помощью высокочастотных радиоволн передается на Землю. На Земле специальная антенна преобразует радиоволны в электричество и подает ток в электросеть.

Среди преимуществ такой технологии выделяют постоянный доступ к солнечному свету и отсутствие помех из-за плохой погоды. В то же время существует ряд проблем. Солнечные системы много весят, поэтому в космос их необходимо отправлять в разобранном виде, где на орбите конструкцию уже соберут автономные роботы — для этого нужен гораздо более продвинутый ИИ, нежели существующий сегодня. Кроме того, космические запуски выбрасывают большое количество углекислого газа в атмосферу. Также в космосе панели будут быстро изнашиваться из-за столкновений с космическим мусором и воздействия прямых солнечных лучей. Наконец, до сих пор не нет технологии, которая бы могла передать огромные объемы энергии на Землю на таком большом расстоянии.

Тем не менее, в разных странах с 1970-х ученые продолжают разрабатывать идеи по передаче электроэнергии из космоса на Землю. Например, японское агентство космических исследований Japan Space Systems планирует к 2025 году представить космическую солнечную энергетическую систему. Станция с помощью спутника будет собирать солнечную энергию и отправлять ее на Землю.

Модель японской космической солнечной энергетической системы

(Фото: Japan Space Systems)

Кроме этого, в Великобритании правительство рассматривает предложение о строительстве солнечной электростанции в космосе стоимостью £16 млрд. А в Китае планируется провести испытания космической электростанции уже в 2028 году.

Обновлено 14.09.2022

Текст

Анна Арбузова

Главное в тренде

Материалы по теме

Космическая энергетика — Научно-популярно о космосе и астрономии — ЖЖ

Советский ученый Николай Кардашев полвека назад сформировал шкалу, в которой уровень развития цивилизации определялся количеством используемой энергии. Подход очень логичный — когда человечество осваивало энергию лошади, угля, нефти и атомного распада — каждый раз оно поднималось на новый уровень могущества. Освоение космоса зависит не только от возможностей вывести спутник на орбиту, но и от технологий, позволяющих ему функционировать. И обеспечение энергией космических аппаратов является одной из важнейших граней космонавтики. Какие способы успели придумать люди?

Художник James Vaughan

Постановка задачи

В задаче энергоснабжения космического аппарата можно выделить два критерия, позволяющие наглядно распределить различные подходы. Это мощность и длительность. Действительно, логично, что одни технические решения используются для задачи “много, но недолго” и другие — для “десятилетиями, пусть и немного”. Если взять эти критерии как оси графика, то получится следующая картина:

Spacecraft Power Systems, David W. Miller, John Keesee

Первый спутник отправился в полет с заряженными серебряно-цинковыми аккумуляторами, которые обеспечивали “бип-бип” передатчика 21 день. Решение было логичным — экспериментальные солнечные панели ждали своей очереди на объекте “Д”, который стал “Спутником-3” (запущен 15 мая 1958). Серебряно-цинковые батареи, благодаря высокой плотности энергии и большим токам разряда, нашли широкое применение в космонавтике, а их недостаток — небольшое количество циклов перезарядки неважен в случае, когда батарея используется один раз. Любопытная метаморфоза произошла с кораблем “Союз” — первые корабли летали с солнечными панелями, на модификации 7К-Т (“Союз-10” — “Союз-40”, кроме -13, -16, -19, -22) их убрали, оставив только аккумуляторы с запасом электроэнергии на двое суток, а со следующей модификации “-ТМ” солнечные панели снова вернули и уже насовсем. До сих пор аккумуляторы остаются рациональным решением для аппаратов, которые будут работать не дольше нескольких суток и не требуют больших объемов электричества. Иногда на аппараты ставят даже неперезаряжаемые элементы, например, прыгающий зонд MASCOT, сброшенный с межпланетной станции Hayabusa-2 на астероид Рюгу, использовал литий-тионилхлоридные элементы, которых хватило на 16 часов. Но перезаряжаемые элементы встречаются чаще, с ними удобнее работать, потому что, при необходимости, их можно подзарядить перед запуском без разборки аппарата. Литий-ионные элементы, благодаря своим высоким характеристикам, сейчас получают очень широкое распространение не только в бытовых приборах, но и на космических аппаратах.

Зонд MASCOT станции Hayabusa-2

Если энергии требуется очень много, но на короткое время, имеет смысл применять химические источники. Например, на спейс шаттлах были так называемые APU. Несмотря на полностью совпадающее название с вспомогательной силовой установкой на самолетах, это были специфические устройства. В камере сгорания сжигалось химическое топливо (горючее на основе гидразина и азотный тетраоксид), горячий газ подавался на турбину, а ее вращение создавало давление в гидросистеме шаттла без промежуточного превращения энергии в электричество. Гидравлика поворачивала управляющие поверхности орбитера на этапах выведения на орбиту и посадки. Любопытно, что сейчас плотность энергии литий-ионных батарей достигла таких значений, что появилась ракета-носитель Electron, в которой выполняющий похожую функцию турбонасосный агрегат (устройство для подачи топлива в двигатель) заменили на электрический насос с блоком аккумуляторов. Потери на большей массе батарей компенсировались простотой разработки.

Топливные элементы

Топливный элемент спейс шаттла

Если длительность космического полета не превышает две-три недели, то, в особенности для пилотируемых кораблей, очень привлекательными становятся так называемые топливные элементы. Как известно, водород горит в кислороде с выделением огромного количества тепла, и ракетные двигатели, использующие это, являются одними из наиболее эффективных. А возможность напрямую получать электричество из соединения водорода с кислородом породила источники электроэнергии, применяющиеся, кстати, не только в космонавтике.

Топливный элемент работает следующим образом: водород попадает на анод, становится положительно заряженным ионом и отдает электрон. На катоде ионы водорода получают электроны, соединяются с молекулами кислорода и образуют воду.

Соединив несколько ячеек и подавая больше компонентов, можно легко получить топливный элемент большой мощности. А выделяющуюся в результате работы воду можно использовать для нужд экипажа. Сочетание свойств обусловило выбор топливных элементов для кораблей “Аполлон” (и, кстати, для лунных версий “Союзов“ первоначально выбрали тоже их), шаттлов и “Бурана”.

Стоит отметить, что топливные элементы теоретически могут быть обратимыми, диссоциируя воду на водород и кислород, запасая электроэнергию и работая, фактически, как аккумулятор, но на практике такие решения в космонавтике пока не востребованы.

По имени Солнце

Жизнь на Земле невозможна без солнечной энергии — на свету растут растения, и энергия уходит дальше по пищевой цепочке. И для космонавтики Солнце сразу же стало рассматриваться как доступный и бесплатный источник. Первые спутники с солнечными панелями, Vanguard-1 (США) и “Спутник-3” (СССР), отправились в полет уже в 1958 году.

Прелесть солнечных панелей заключается в непосредственном превращении света в электричество — фотоны, падая на полупроводники, напрямую вызывают движение электронов. Соединяя ячейки последовательно и параллельно, можно получить требуемые значения напряжения и тока.

В космических условиях очень важным является компактность солнечных панелей, например, огромные “крылья” МКС сделаны из очень тонких панелей, которые в транспортировочном положении были сложены гармошкой.

Видео раскрытия панелей МКС

До сих пор солнечные панели остаются наилучшим вариантом, если необходимо снабжать космический аппарат энергией годами. Но, конечно, они, как и любое другое решение, имеют и свои недостатки.

Прежде всего, на низкой околоземной орбите спутник постоянно будет уходить в тень Земли, и необходимо дополнить панели аккумуляторами, чтобы электропитание было непрерывным. Аккумуляторы и дополнительная площадь солнечных панелей для их зарядки на солнечной стороне орбиты заметно увеличивают массу электросистемы спутника.

Далее, мощность солнечного излучения подчиняется закону обратных квадратов: Юпитер в 5 раз дальше Земли, но на его орбите космический аппарат с такими же солнечными панелями будет получать в 25 раз меньше электроэнергии.

Солнечные панели постепенно деградируют в условиях космического излучения, так что на длительные миссии их площадь необходимо рассчитывать с запасом.

Линейное увеличение массы солнечных панелей с ростом требуемой мощности в какой-то момент делает их слишком тяжелыми по сравнению с другими системами.

Альтернатива аккумуляторам

Если вы читали замечательную книгу Нурбея Гулиа “В поисках энергетической капсулы”, то можете помнить, что после долгих поисков идеального аккумулятора он остановился на модифицированных для безопасного разрушения маховиках. Сейчас с успехами литий-ионных батарей эта тема менее интересна, но эксперименты по хранению энергии в раскрученном маховике проводились и в космонавтике. В начале 21 века компания Honeywell проводила эксперименты с маховиками-аккумуляторами. Теоретически это направление может быть интересно еще и тем, что маховики используются в системе ориентации спутника, и можно совместить режимы поддержания требуемого положения в пространстве и хранения энергии.

Сконцентрируй это

Еще на стадии проработки концепта было очевидно, что станция Freedom (после многочисленных изменений реализованная как МКС) будет нуждаться в большом количестве электроэнергии. И расчеты 1989 года показали, что солнечный коллектор сможет сэкономить от 3 до 4 миллиардов долларов (6-8 миллиардов в сегодняшних ценах) по сравнению с электропитанием только от солнечных панелей. Что это за конструкции?

Один из ранних проектов Freedom

Конструкции из шестиугольников по краям — солнечные концентраторы. Зеркала образуют параболоид, собирающий солнечный свет на приемник, расположенный в фокусе. В нем теплоноситель закипает, газ крутит турбину, которая вырабатывает электричество. Панель рядом — радиатор тепла, в котором теплоноситель конденсируется обратно в жидкость.

К сожалению, конструкция, как и многие идеи для станции Freedom, пала жертвой урезания бюджета, и МКС использует только солнечные панели, так что мы не можем на практике узнать, оправдались бы ожидания экономии средств. Стоит отметить, что солнечные коллекторы используются и на Земле, но распространены они в наиболее простой форме без концентрирующих зеркал — их приводы сильно повышают стоимость.

Тепло и электричество

Когда над головой ярко светит Солнце, в космический холод не верится. Действительно, на освещенной стороне Луны температура поднимается выше 100°C. Но вот лунной ночью поверхность охлаждается ниже -100°C. На Марсе средняя температура в районе -60°C. А на орбите Юпитера, как мы уже говорили, Солнце дает только 1/25 того, что достается Земле. И, к счастью для планетоходов и межпланетных станций, есть вариант, при котором удобно обеспечиваются и подогрев и энергообеспечение космического аппарата.

Как известно, у одного и того же вещества может быть много изотопов — атомов, отличающихся только количеством нейтронов в ядре. И есть как стабильные, так и распадающиеся с разной скоростью изотопы. Подобрав элемент с удобным периодом полураспада можно использовать его в качестве источника энергии.

Одним из наиболее популярных изотопов является ²³⁸Pu (плутоний-238). Один грамм чистого плутония-238 генерирует примерно 0,5 Ватта тепла, а период полураспада в 87,7 лет означает, что энергии хватит надолго.

То, что ядерный распад выделяет тепло, означает, что его надо каким-то образом превратить в электричество. Для этого чаще всего используют термопару — сплавленные вместе два различных металла генерируют электричество при неравномерном нагреве. Сочетание источника энергии в виде распадающихся радиоактивных изотопов и термоэлектрических преобразователей дало название “радиоизотопный термоэлектрический генератор” или РИТЭГ.

Схема РИТЭГа

РИТЭГи достаточно широко используются в космонавтике: они вырабатывали электричество для модулей научного оборудования, оставленных на Луне астронавтами “Аполлонов”, распадом изотопов обогревались советские “Луноходы”, на электричестве от РИТЭГа работали марсианские станции “Викинг” и ездит по Марсу “Кьюриосити”. РИТЭГи являются штатным источником электричества для аппаратов, отправляющихся во внешнюю солнечную систему — “Пионеров”, “Вояджеров”, “Новых горизонтов” и других.

РИТЭГи очень удобны тем, что не требуют никакого управления, не имеют движущихся частей и способны работать десятилетиями — “Вояджеры” остаются работоспособными уже более сорока лет, несмотря на необходимость отключения части оборудования из-за снижения выработки электричества. К сожалению, у них есть и недостаток — низкая плотность энергии (мощный РИТЭГ будет слишком много весить) и высокая цена топлива. Остановка производства плутония-238 в США и рост цен повлияли на то, что межпланетная станция “Юнона” отправилась к Юпитеру с огромными солнечными панелями.

Ядерные технологии обязательно поднимают вопросы безопасности, и у РИТЭГов уже давно есть сформировавшиеся технологии ее обеспечения. После 1964 года, когда авария американской ракеты-носителя со спутником, питавшимся от РИТЭГа, привела к заметному повышению радиационного фона по всей планете, РИТЭГи стали упаковывать в капсулы, выдерживающие падение в атмосфере, и последующие аварии заметных следов не оставили.

Сложности превращений

Термоэлектрический генератор является не единственным вариантом преобразования тепла в электричество. В термоэмиссионных преобразователях нагревается катод вакуумной лампы. Электроны “допрыгивают” до анода, создавая электрический ток. Термофотоэлектрические преобразователи превращают тепло в свет инфракрасного диапазона, который затем преобразуется в электричество аналогично солнечной панели. Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах использует электролит из солей натрия и серы. Двигатель Стирлинга преобразует разницу температур в движение, которое уже затем превращается в электричество генератором.

Реакторы над головой

Из всех известных человечеству управляемых источников энергии, ядерное топливо обладает наибольшей плотностью — один грамм урана способен дать столько же энергии, что 2 тонны нефти или три тонны угля. Поэтому нет ничего удивительного в том, что атомные реакторы выступают многообещающим вариантом, когда необходимо длительно снабжать космический аппарат большим количеством энергии.

Слева американский SNAP, справа советский «Бук»

Работы над космическими реакторами начали еще в 1960-х. Первым отправился в космос американский SNAP-10A, проработал на орбите 43 дня и был отключен из-за аварии, не относящейся к реактору системы. После этого эстафету принял СССР. Созданные для отслеживания перемещения американских авианосных ударных группировок спутники УС-А системы целеуказания “Легенда” несли на борту ядерный реактор “Бук” для обеспечения энергией активной радиолокационной системы, и их было запущено больше трех десятков. В конце 80-х два раза слетал в космос реактор “Топаз”, использующий меньшее количество ядерного топлива и имеющий большую эффективность — 150 КВт тепловой мощности “Топаза” производили 6 КВт электрической против 100 и 3 у “Бука”. Достигалось это в том числе и использованием другого преобразователя энергии — термоэмиссионного вместо термоэлектрического. Но после 1988 года спутники с атомными реакторами на борту больше не летали.

Возрождение интереса к ядерным реакторам произошло в 21 веке. На Западе это вызвано уменьшением запасов и ростом цены плутония-238 для РИТЭГов. В США разрабатывается реактор Kilopower, задачей которого будет стать аналогом РИТЭГа. Интересной особенностью является то, что реактор спроектирован самоуправляемым и после активации, как и РИТЭГ, не требует присмотра. В России разрабатывается проект ядерной установки мегаваттного класса. В сочетании с электрореактивными двигателями должна получиться конструкция с принципиально новыми возможностями, очень эффективный орбитальный буксир.

Безопасность реакторов построена на других принципах, нежели у РИТЭГов. До запуска реактор чист (уран ядовит, но его можно безопасно брать руками в перчатках), поэтому на случай аварии, наоборот, ставят газогенераторы, надежно разрушающие его в плотных слоях атмосферы. А вот после включения в реакторе начинают накапливаться опасные изотопы, и советские спутники УС-А в случае аварии уводили реактор на высокую орбиту захоронения. Заглушенные реакторы до сих пор летают над нашими головами, но, учитывая срок существования орбит, скорее до них доберутся космические мусорщики будущего и разберут на полезные ресурсы, нежели они сгорят в атмосфере.

Генератор из троса

Как известно, у Земли есть магнитное поле. Оно уже сейчас используется в системах ориентации космических аппаратов, но есть и другой вариант. Если размотать длинный трос, то можно либо получать электричество за счет торможения аппарата, либо разгоняться, пропуская ток через трос.

Силы, действующие на спутник, выпустивший проводящий трос

Пока что наибольшее развитие получила идея торможения аппаратов тросами для уменьшения количества космического мусора, но технически можно и обеспечить таким образом электропитание спутника, пусть и не очень длительное время.

Заключение

Сейчас отрасль систем электропитания космических аппаратов активно развивается. Солнечные панели и аккумуляторы становятся все более эффективными, а возобновление работ над космическими ядерными реакторами дает надежду на появление новых мощных источников электричества.

Материал подготовлен для портала «N+1».

Нажмите эту кнопку, и вам будет приходить сообщение, когда выйдет мой новый пост.

Я в социальных сетях:Вконтакте, Facebook, Twitter, Instagram, YouTube
Поблагодарить деньгами: Яндекс.Деньги, PayPal, Webmoney

Метки: незаметные сложности

Энергетика в космосе

Советский ученый Николай Кардашев полвека назад сформировал шкалу, в которой уровень развития цивилизации определялся количеством используемой энергии. Подход логичный: когда человечество обучалось использовать энергию лошади, угля, нефти, атомного распада, оно поднималось на новый уровень могущества. Освоение космоса ознаменовало новый этап. Но мало вывести спутник на орбиту — надо дать ему ресурсы, чтобы функционировал. Обеспечение энергией космических аппаратов — один из важнейших вопросов космонавтики. Вместе с организаторами конкурсов Up Great рассказываем, какие решения для него успели придумать люди.

Постановка задачи

Есть два главных критерия в энергоснабжении космических аппаратов, на примере которых наглядно видно разницу подходов к этой задаче: мощность и длительность. Одни технические решения используются для задачи «много, но недолго», другие —
для «десятилетиями, но понемножку». Если взять эти критерии как оси графика,
получится следующая картина:

Первый спутник
отправился в полет с заряженными серебряно-цинковыми аккумуляторами, которые
обеспечивали «бип-бип» передатчика 21 день. Благодаря высокой плотности энергии
и большим токам разряда, серебряно-цинковые батареи до сих пор часто применяют в космонавтике. Их недостаток — небольшое количество циклов перезарядки — неважен, когда батарея используется один раз. Аккумуляторы ставят в аппараты, которые будут работать не дольше
нескольких суток и не требуют больших объемов электричества.

Иногда на аппараты ставят даже неперезаряжаемые элементы. Например, прыгающий зонд MASCOT, сброшенный с межпланетной
станции «Хаябуса-2» на астероид Рюгу,
использовал литий-тионилхлоридные элементы, которых хватило на 16 часов. Но
перезаряжаемые элементы встречаются чаще. С ними удобнее работать, потому что можно подзарядить перед запуском, не разбирая аппарат.
Литий-ионные элементы сейчас все больше распространены не только в бытовых приборах, но и в космосе.

Поверхность Рюгу, снятая модулем MASCOT во время посадки на поверхность астероида с высоты в диапазоне 10-20 метров.

MASCOT/DLR/JAXA

Поделиться

Еще один снимок поверхности Рюгу, показанный в центре управления агенства DLR.

DLR

Поделиться

Если энергии
требуется очень много, но на короткое время, применяют химические
источники. Например, на космических челноках (space shuttles) были так называемые APU. Они не имеют отношения к вспомогательным силовым установкам на самолетах, несмотря на схожесть названий. По мере сгорания топлива (несимметричный диметилгидразин и азотный
тетраоксид) горячий газ подавался на турбину. Ее вращение создавало давление
в гидросистеме шаттла без промежуточного превращения энергии в электричество.
Гидравлика поворачивала управляющие поверхности орбитального аппарата при выведении на орбиту и посадке. 

Сейчас плотность энергии
литий-ионных батарей достигла таких значений, что появилась ракета-носитель Electron, в которой
выполняющий похожую функцию турбонасосный агрегат (устройство для подачи
топлива в двигатель) заменили на электрический насос с блоком аккумуляторов. Из
минусов — увеличившаяся масса батарей, но это плата за простоту разработки.

Топливные элементы

Если длительность
космического полета не превышает двух-трех недель, то, в особенности для
пилотируемых кораблей, привлекательнее так называемые топливные
элементы. Водород горит в кислороде с выделением огромного
количества тепла. И ракетные двигатели, использующие это, считаются одними из
самых эффективных. Возможность напрямую получать электричество из
соединения водорода с кислородом породила источники электроэнергии,
применяющиеся не только в космонавтике.

Топливный элемент
работает следующим образом: водород попадает на анод, становится положительно
заряженным ионом и отдает электрон. На катоде ионы водорода получают электроны,
соединяются с молекулами кислорода и образуют воду. Соединив несколько ячеек и подавая
больше компонентов, мы легко получаем топливный элемент большой мощности. А
выделяющуюся в результате работы воду можно использовать для нужд экипажа. Из-за сочетания этих свойств топливные элементы выбрали для кораблей «Аполлон»
(и, кстати, для лунных версий «Союзов» первоначально выбрали тоже их), шаттлов
и «Бурана».

Топливные элементы теоретически могут быть обратимыми, диссоциируя воду на
водород и кислород, запасая электроэнергию и работая фактически как
аккумулятор, но на практике такие решения в космонавтике пока не востребованы.

По имени Солнце

Жизнь на Земле
невозможна без солнечной энергии — на свету растут растения, и энергия уходит
дальше по пищевой цепочке. И в космонавтике Солнце сразу же стали рассматривать как доступный и бесплатный источник. Первые спутники с солнечными панелями, Vanguard-1 (США) и
«Спутник-3» (СССР), отправились в полет уже в 1958 году (на объекте «Д»,
который стал «Спутником-3», они использовались экспериментально наряду с одноразовыми
химическими элементами). Любопытная метаморфоза произошла с кораблем «Союз»:
первые модели летали с солнечными панелями, на модификации 7К-Т (на большинстве выпусков) их убрали, оставив только
аккумуляторы с запасом электроэнергии на двое суток. А со следующей модификации
«-ТМ» солнечные панели снова вернули и уже насовсем.

Прелесть
солнечных панелей в непосредственном превращении света в
электричество — фотоны, падая на полупроводники, вызывают движение электронов.
Соединяя ячейки последовательно и параллельно, можно получить требуемые
значения напряжения и тока.

Важное условие для работы в космосе — компактность солнечных панелей. Например,
огромные «крылья» МКС сделаны из очень тонких панелей, которые в
транспортировочном положении были сложены гармошкой.

До сих пор
солнечные панели — лучший вариант, если нужно годами снабжать
космический аппарат энергией. Но, конечно, они имеют недостатки. Прежде всего, на
низкой околоземной орбите спутник будет регулярно уходить в тень Земли. Значит, панели необходимо дополнить аккумуляторами, чтобы электропитание было
непрерывным. Аккумуляторы и дополнительная площадь солнечных панелей для их
зарядки на солнечной стороне орбиты заметно увеличивают массу электросистемы
спутника.

Далее, мощность
солнечного излучения подчиняется закону обратных квадратов: Юпитер в пять раз
дальше Земли от Солнца, но на его орбите космический аппарат с такими же
солнечными панелями будет получать в 25 раз меньше электроэнергии.

Солнечные панели
постепенно деградируют в условиях космического излучения, так что на длительные
миссии их площадь необходимо рассчитывать с запасом.

Линейное
увеличение массы солнечных панелей с ростом требуемой мощности в какой-то
момент делает их слишком тяжелыми по сравнению с другими системами.

Технологические конкурсы Up Great — новый формат открытых инженерных состязаний для поиска прорывных технологических решений, которые определят развитие рынков будущего. Организаторы конкурсов — РВК, АСИ и Фонд Сколково.
Сейчас запущен конкурс ПРО//ЧТЕНИЕ, направленный на решение проблемы глубинного понимания смысла текста. Главная задача — разработать такую программную систему, которая была бы способна успешно выявить смысловые и фактические ошибки в академическом эссе на уровне специалиста и в условиях ограниченного времени. Зарегистрироваться на участие можно уже сейчас на сайте конкурса.

Поделиться

Альтернатива аккумуляторам

Если вы читали
замечательную книгу Нурбея Гулиа «В поисках энергетической капсулы», то может быть, помните, что после долгих поисков идеального аккумулятора он остановился на
маховиках, модифицированных для безопасного разрушения. Сейчас с успехами
литий-ионных батарей эта тема менее интересна. Но эксперименты по хранению энергии в раскрученном
маховике проводились и в космонавтике. В начале XXI века компания Honeywell экспериментировала с маховиками-аккумуляторами. Это направление может быть перспективно еще и тем, что маховики используются в
системе ориентации спутника. И можно совместить поддержание нужного положения в пространстве с хранением энергии.

Сконцентрируй это

Еще на стадии
проработки концепта было очевидно, что станция Freedom (после многочисленных изменений
реализованная как МКС) будет нуждаться в большом количестве электроэнергии. И
расчеты 1989 года показали, что солнечный коллектор сможет
сэкономить от трех до четырех миллиардов долларов (шесть-восемь миллиардов в сегодняшних ценах)
по сравнению с электропитанием только от солнечных панелей. Что это за конструкция?

Шестиугольники по
краям — солнечные концентраторы. Зеркала образуют параболоид, собирающий
солнечный свет на приемник, расположенный в фокусе. В нем теплоноситель
закипает, газ крутит турбину, которая вырабатывает электричество. Панель рядом
— радиатор тепла, в котором теплоноситель конденсируется обратно в жидкость.

К сожалению,
конструкция, как и многие идеи для станции Freedom, пала жертвой урезания бюджета. И МКС
использует только солнечные панели, так что мы не можем на практике узнать, насколько
оправдались бы ожидания по экономии средств. Стоит отметить, что солнечные
коллекторы используются и на Земле, но в наиболее простой форме без
концентрирующих зеркал — их приводы сильно повышают стоимость.

Тепло и электричество

На
освещенной стороне Луны температура поднимается выше 100 градусов по Цельсию. Но вот лунной ночью поверхность
охлаждается ниже −100 градусов по Цельсию. На Марсе средняя температура в районе −60 градусов по Цельсию. А на орбите
Юпитера, как мы уже говорили, Солнце дает только 1/25 того, что достается
Земле. И, к счастью для планетоходов и
межпланетных станций, есть вариант, при котором удобно обеспечиваются и подогрев,
и энергообеспечение космического аппарата.

Как известно, у
одного и того же вещества может быть много изотопов — атомов, отличающихся
только количеством нейтронов в ядре. И есть как стабильные, так и распадающиеся
с разной скоростью изотопы. Подобрав элемент с удобным периодом полураспада,
можно использовать его в качестве источника энергии.

Один из наиболее
популярных изотопов — это ²³⁸Pu (плутоний-238). Грамм чистого
плутония-238 генерирует примерно 0,568 ватт тепла, а период полураспада у него больше 87 лет. Значит, энергии хватит надолго.

Если ядерный
распад выделяет тепло, значит, его надо каким-то образом превратить в
электричество. Для этого чаще всего используют термопару — сплавленные вместе
два различных металла генерируют электричество при неравномерном нагреве. По такому принципу работает радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) — источник
энергии в виде распадающихся радиоактивных изотопов и термоэлектрических
преобразователей. 

РИТЭГи вырабатывали электричество для модулей
научного оборудования, оставленных на Луне астронавтами «Аполлонов», распадом
изотопов обогревались советские «Луноходы», на электричестве от РИТЭГа работали
марсианские станции «Викинг» и ездит по Марсу «Кьюриосити». РИТЭГи являются
штатным источником электричества для аппаратов, отправляющихся во внешнюю
солнечную систему — «Пионеров», «Вояджеров», «Новых горизонтов» и других.

Американский аппарат «Викинг-2» сразу после посадки на Марсе

NASA

Поделиться

Наземный макет посадки «Викинга» на Марсе

NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

Поделиться

РИТЭГи удобны
тем, что не требуют никакого управления, не имеют движущихся частей и способны
работать десятилетиями. Например, «Вояджеры» остаются работоспособными уже
более сорока лет, несмотря на необходимость отключить часть оборудования из-за
снижения выработки электричества. К сожалению, у них есть и недостаток — низкая
плотность энергии (мощный РИТЭГ будет слишком много весить) и высокая цена
топлива. Остановка производства плутония-238 в США и рост цен повлияли на то,
что межпланетная станция «Юнона» отправилась к Юпитеру с огромными солнечными
панелями.

Использование ядерных
технологий поднимает вопросы безопасности. После 1964 года, когда авария
американской ракеты-носителя со спутником, питавшимся от РИТЭГа, привела к
заметному повышению радиационного фона по всей планете, РИТЭГи стали
упаковывать в капсулы, выдерживающие падение в атмосфере, и последующие аварии
заметных следов не оставили.

Сложности превращений

Термоэлектрический
генератор не единственный вариант преобразования тепла в
электричество:

• В
  термоэмиссионных преобразователях нагревается катод вакуумной лампы. Электроны
  «допрыгивают» до анода, создавая электрический ток.
• Термофотоэлектрические
  преобразователи превращают тепло в свет инфракрасного диапазона, который затем
  преобразуется в электричество (аналогично солнечной панели).
• Термоэлектрический
  конвертер на щелочных металлах использует электролит из солей натрия и серы.
• Двигатель
  Стирлинга преобразует разницу температур в движение, которое уже затем
  превращается в электричество генератором.

Реакторы над головой

Из всех известных
человечеству управляемых источников энергии ядерное топливо обладает наибольшей
плотностью — один грамм урана способен дать столько же энергии, что и две тонны
нефти или три тонны угля. Поэтому атомные
реакторы — многообещающий вариант, когда нужно долго снабжать космический аппарат большим количеством энергии.

Работы над
космическими реакторами начались еще в 1960-х. Первым отправился в космос
американский SNAP-10A, проработал на орбите 43 дня и был отключен из-за аварии системы, не
относящейся к реактору. После этого эстафету принял СССР. Спутники УС-А системы целеуказания «Легенда», созданные для
отслеживания перемещения американских авианосных ударных группировок, несли на борту ядерный реактор «Бук». Он обеспечивал энергией активную радиолокационную систему. Таких было запущено
больше трех десятков. В конце 1980-х дважды слетал в космос реактор «Топаз»,
использующий меньшее количество ядерного топлива и имеющий большую
эффективность. 150 киловатт тепловой мощности «Топаза» производили шесть киловатт электрической
(против соответственно 100 киловатт и трех киловатт у «Бука»). Достигалось это, в
частности, за счет использования другого преобразователя энергии — термоэмиссионного
вместо термоэлектрического. Но после 1988 года спутники с атомными реакторами
на борту больше не летали.

Возрождение
интереса к ядерным реакторам произошло в XXI веке. На Западе
это вызвано сокращением производства и ростом цены плутония-238 для РИТЭГов. В
США разрабатывается
реактор Kilopower, который может стать аналогом РИТЭГа. Интересная особенность его в том, что реактор спроектирован самоуправляемым и после активации, как и
РИТЭГ, не требует присмотра. В России проектируется ядерная установка
мегаваттного класса. В сочетании с электрореактивными двигателями должна
получиться конструкция с принципиально новыми возможностями — эффективный
орбитальный буксир.

Безопасность
реакторов построена на других принципах, нежели у РИТЭГов. До запуска реактор
чист (уран ядовит, но его можно безопасно брать руками в перчатках), поэтому на
случай аварии, наоборот, ставят газогенераторы, надежно разрушающие его в
плотных слоях атмосферы. Так предотвращается негативное влияние на радиационный
фон на Земле. А вот после включения в реакторе начинают накапливаться опасные
изотопы, и советские спутники УС-А в случае аварии уводили реактор на высокую
орбиту захоронения. Заглушенные реакторы до сих пор летают над нашими головами,
но, учитывая срок существования орбит, скорее до них доберутся космические мусорщики
будущего и разберут на полезные ресурсы, нежели они сгорят в атмосфере.

Генератор из троса

Магнитное поле
Земли уже сейчас используется в системах ориентации космических аппаратов, но
есть и другой вариант. Если размотать длинный трос, то можно либо получать
электричество за счет торможения аппарата, либо разгоняться, пропуская ток
через трос.

Пока что
наибольшее развитие получила идея торможения аппаратов тросами для уменьшения
количества космического мусора, но технически можно и обеспечить таким образом
электропитание спутника, пусть и не длительное время.

Системы
электропитания космических аппаратов активно совершенствуются. Солнечные панели
и аккумуляторы становятся все более эффективными, а возобновление работ над
космическими ядерными реакторами дает надежду на появление новых мощных
источников электричества.

Филипп Терехов

солнечной энергии из космоса? Гамбит Калифорнийского технологического института за 100 миллионов долларов

Теперь, когда записанный звук стал повсеместным, мы почти не задумываемся об этом. Смартфоны, умные колонки, телевизоры, радиоприемники, проигрыватели дисков и автомобильные аудиосистемы — прочное и приятное присутствие в нашей жизни. В 2017 году опрос, проведенный компанией Nielsen, показал, что около 90 процентов населения США регулярно слушают музыку и что в среднем они делают это 32 часа в неделю.

За этим свободно текущим удовольствием стоят огромные отрасли, применяющие технологии для достижения давней цели воспроизведения звука с максимально возможным реализмом. Начиная с фонографа Эдисона и рупорных динамиков 1880-х годов, сменявшие друг друга поколения инженеров в погоне за этим идеалом изобретали и использовали бесчисленные технологии: триодные вакуумные лампы, динамические громкоговорители, картриджи магнитных фонографов, схемы полупроводниковых усилителей с множеством различных топологий, электростатические громкоговорители. , оптические диски, стерео и объемный звук. И за последние пять десятилетий цифровые технологии, такие как
сжатие и потоковая передача звука изменили музыкальную индустрию.

И все же даже сейчас, после 150 лет разработки, звук, который мы слышим даже из высококачественной аудиосистемы, далеко не соответствует тому, что мы слышим, физически присутствуя на живом музыкальном представлении. В таком случае мы находимся в естественном звуковом поле и можем легко заметить, что звуки разных инструментов исходят из разных мест, даже когда звуковое поле пересекается смешанными звуками от нескольких инструментов. Есть причина, по которой люди платят значительные суммы, чтобы послушать живую музыку: это более приятно, захватывающе и может произвести большее эмоциональное воздействие.

Сегодня исследователи, компании и предприниматели, включая нас самих, наконец приближаются к записанному звуку, который действительно воссоздает естественное звуковое поле. В группу входят крупные компании, такие как Apple и Sony, а также более мелкие фирмы, такие как
Творческий. Netflix недавно сообщил о партнерстве с Sennheiser, в рамках которого сеть начала использовать новую систему Ambeo 2-Channel Spatial Audio для повышения звукового реализма таких телешоу, как «Очень странные дела» и «Ведьмак».

В настоящее время существует по меньшей мере полдюжины различных подходов к созданию высокореалистичного звука. Мы используем термин «звуковая сцена», чтобы отличить нашу работу от других аудиоформатов, таких как пространственное аудио или иммерсивное аудио. Они могут воспроизводить звук с большим пространственным эффектом, чем обычное стерео, но они обычно не включают подробных признаков местоположения источника звука, которые необходимы для воспроизведения действительно убедительного звукового поля.

Мы верим, что звуковая сцена — это будущее записи и воспроизведения музыки. Но прежде чем произойдет такая радикальная революция, необходимо будет преодолеть огромное препятствие: удобное и недорогое преобразование бесчисленных часов существующих записей, независимо от того, являются ли они монофоническими, стереофоническими или многоканальными с объемным звуком (5.1, 7.1). , и так далее). Никто точно не знает, сколько песен было записано, но, согласно развлекательным метаданным концерна Gracenote,
сейчас на планете Земля доступно более 200 миллионов записанных песен. Учитывая, что средняя продолжительность песни составляет около 3 минут, это эквивалентно примерно 1100 годам музыки.

Измерение передаточной функции, связанной с головой

Чтобы обеспечить высокую степень пространственного реализма для слушателя, вам необходимо точно отобразить детали того, как уникальная форма головы, ушей и носовой полости этого слушателя влияет на то, как он или она слышит звук . Это делается путем определения передаточной функции, связанной с головой слушателя, которая достигается путем воспроизведения звуков под разными углами и записи того, как голова пользователя влияет на звуки в каждом положении.

Питер Ли

Это партии музыки. Любая попытка популяризировать новый аудиоформат, каким бы многообещающим он ни был, обречена на провал, если только она не включает в себя технологию, которая позволяет нам слушать весь этот существующий звук с той же легкостью и удобством, с которыми мы сейчас наслаждаемся стереомузыкой — в наши дома, на пляже, в поезде или в машине.

Мы разработали такую ​​технологию. Наша система, которую мы называем 3D Soundstage, позволяет воспроизводить музыку в звуковой сцене на смартфонах, обычных или умных колонках, наушниках, наушниках, ноутбуках, телевизорах, звуковых панелях и в транспортных средствах. Он не только может преобразовывать моно- и стереозаписи в звуковую сцену, но и позволяет слушателю, не имеющему специальной подготовки, реконфигурировать звуковое поле в соответствии со своими предпочтениями с помощью графического пользовательского интерфейса. Например, слушатель может назначить расположение каждого инструмента и источника звука вокала и отрегулировать громкость каждого — изменяя относительную громкость, скажем, вокала по сравнению с инструментальным сопровождением. Система делает это, используя искусственный интеллект (ИИ), виртуальную реальность и цифровую обработку сигналов (подробнее об этом чуть позже).

Чтобы убедительно воссоздать звук, исходящий, скажем, от струнного квартета в двух небольших динамиках, таких как наушники, требуется большое техническое мастерство. Чтобы понять, как это делается, давайте начнем с того, как мы воспринимаем звук.

Когда звук достигает ваших ушей, уникальные характеристики вашей головы — ее физическая форма, форма наружного и внутреннего ушей и даже форма носовых полостей — изменяют звуковой спектр исходного звука. Кроме того, существует очень небольшая разница во времени прихода звука от источника к вашим ушам. По этому спектральному изменению и разнице во времени ваш мозг воспринимает местоположение источника звука. Спектральные изменения и разница во времени могут быть математически смоделированы как передаточные функции, связанные с головой (HRTF). Для каждой точки в трехмерном пространстве вокруг вашей головы есть пара HRTF, одна для левого уха, а другая для правого.

Таким образом, мы можем обработать фрагмент аудио, используя пару HRTF, одну для правого уха и одну для левого. Чтобы воссоздать первоначальный опыт, нам нужно было бы принять во внимание расположение источников звука относительно записывающих их микрофонов. Если мы затем воспроизведем этот обработанный звук, например, через пару наушников, слушатель услышит звук с исходными репликами и воспримет, что звук исходит из тех направлений, с которых он был первоначально записан.

Если у нас нет исходной информации о местоположении, мы можем просто назначить места для отдельных источников звука и получить практически тот же опыт. Слушатель вряд ли заметит незначительные сдвиги в расположении исполнителя — более того, он может предпочесть свою собственную конфигурацию.

Даже сейчас, после 150 лет разработки, звук, который мы слышим даже из высококачественной аудиосистемы, далеко не соответствует тому, что мы слышим, физически присутствуя на живом музыкальном представлении.

Существует множество коммерческих приложений, использующих HRTF для создания пространственного звука для слушателей, использующих наушники и наушники. Одним из примеров является Spatialize Stereo от Apple. Эта технология применяет HRTF для воспроизведения звука, чтобы вы могли воспринимать пространственный звуковой эффект — более глубокое звуковое поле, более реалистичное, чем обычное стерео. Apple также предлагает версию с отслеживанием головы, в которой используются датчики на iPhone и AirPods для отслеживания относительного направления между вашей головой, на которую указывают AirPods в ушах, и вашим iPhone. Затем он применяет HRTF, связанные с направлением вашего iPhone, для создания пространственных звуков, чтобы вы воспринимали, что звук исходит от вашего iPhone. Это не то, что мы бы назвали звуком звуковой сцены, потому что звуки инструментов все еще микшируются. Вы не можете воспринимать, что, например, скрипач находится слева от альтиста.

Однако у Apple есть продукт, который пытается обеспечить звук звуковой сцены: Apple Spatial Audio. Это значительное улучшение по сравнению с обычным стереозвуком, но, на наш взгляд, у него все еще есть несколько проблем. Во-первых, он включает в себя Dolby Atmos, технологию объемного звука, разработанную Dolby Laboratories. Spatial Audio применяет набор HRTF для создания пространственного звука для наушников и наушников. Однако использование Dolby Atmos означает, что вся существующая стереофоническая музыка должна быть переработана для этой технологии. Ремастеринг миллионов песен, уже записанных в моно и стерео, практически невозможен. Еще одна проблема с Spatial Audio заключается в том, что он может поддерживать только наушники, но не динамики, поэтому он бесполезен для людей, которые склонны слушать музыку дома и в машине.

Так как же наша система обеспечивает реалистичный звук звуковой сцены? Мы начинаем с использования программного обеспечения для машинного обучения, чтобы разделить звук на несколько изолированных дорожек, каждая из которых представляет один инструмент или певца, или одну группу инструментов или певцов. Этот процесс разделения называется повышающим микшированием. Затем продюсер или даже слушатель, не имеющий специальной подготовки, может рекомбинировать несколько дорожек, чтобы воссоздать и персонализировать желаемое звуковое поле.

Рассмотрим песню с участием квартета, состоящего из гитары, баса, ударных и вокала. Слушатель может решить, где «найти» исполнителей, и настроить громкость каждого в соответствии со своими личными предпочтениями. Используя сенсорный экран, слушатель может виртуально расположить источники звука и положение слушателя в звуковом поле для достижения приятной конфигурации. Графический пользовательский интерфейс отображает фигуру, представляющую сцену, на которую наложены значки, указывающие на источники звука — вокал, ударные, бас, гитары и т. д. В центре есть значок головы, указывающий положение слушателя. Слушатель может коснуться и перетащить значок головы, чтобы изменить звуковое поле в соответствии со своими предпочтениями.

Перемещение значка головы ближе к барабанам делает звук барабанов более заметным. Если слушатель переместит значок головы на значок, представляющий инструмент или певца, слушатель услышит этого исполнителя как соло. Дело в том, что, позволяя слушателю переконфигурировать звуковое поле, 3D Soundstage добавляет новые измерения (если вы простите за каламбур) к наслаждению музыкой.

Преобразованный звук звуковой сцены может быть двухканальным, если он предназначен для прослушивания через наушники или обычную систему с левым и правым каналами. Или он может быть многоканальным, если он предназначен для воспроизведения на многоканальной системе. В этом последнем случае звуковое поле звуковой сцены может быть создано двумя, четырьмя или более динамиками. Количество отдельных источников звука в воссозданном звуковом поле может быть даже больше, чем количество динамиков.

Этот многоканальный подход не следует путать с обычным объемным звуком 5.1 и 7.1. Обычно они имеют пять или семь отдельных каналов и динамик для каждого, а также сабвуфер («.1»). Несколько динамиков создают звуковое поле, которое является более захватывающим, чем стандартная стереофоническая установка с двумя динамиками, но им все еще не хватает реализма, возможного при записи настоящей звуковой сцены. При воспроизведении через такую ​​многоканальную настройку наши записи 3D Soundstage обходят 5.1, 7.1 или любые другие специальные аудиоформаты, включая стандарты многодорожечного сжатия звука.

Несколько слов об этих стандартах. Недавно были разработаны новые стандарты для лучшей обработки данных для улучшенных приложений объемного звука и иммерсивного звука. К ним относится стандарт 3D-аудио MPEG-H для иммерсивного пространственного звука с кодированием пространственных аудиообъектов (SAOC). Эти новые стандарты пришли на смену различным многоканальным аудиоформатам и соответствующим им алгоритмам кодирования, таким как Dolby Digital AC-3 и DTS, которые были разработаны несколько десятилетий назад.

При разработке новых стандартов экспертам пришлось учитывать множество различных требований и желаемых характеристик. Люди хотят взаимодействовать с музыкой, например, изменяя относительную громкость различных групп инструментов. Они хотят транслировать разные виды мультимедиа, по разным сетям и через разные конфигурации динамиков. SAOC был разработан с учетом этих функций, что позволяет эффективно хранить и транспортировать аудиофайлы, сохраняя при этом возможность для слушателя настраивать микс в соответствии со своим личным вкусом.

Однако для этого требуется множество стандартизированных методов кодирования. Для создания файлов SAOC использует кодировщик. Входными данными кодировщика являются файлы данных, содержащие звуковые дорожки; каждая дорожка представляет собой файл, представляющий один или несколько инструментов. Кодер по существу сжимает файлы данных, используя стандартные методы. Во время воспроизведения декодер в вашей аудиосистеме декодирует файлы, которые затем преобразуются обратно в многоканальные аналоговые звуковые сигналы с помощью цифро-аналоговых преобразователей.

Наша технология 3D Soundstage обходит это. В качестве входных данных мы используем моно-, стерео- или многоканальные файлы аудиоданных. Мы разделяем эти файлы или потоки данных на несколько дорожек изолированных источников звука, а затем преобразуем эти дорожки в двухканальный или многоканальный выход, в зависимости от предпочтительных конфигураций слушателя, для управления наушниками или несколькими громкоговорителями. Мы используем технологию искусственного интеллекта, чтобы избежать многодорожечной перезаписи, кодирования и декодирования.

На самом деле, одной из самых больших технических проблем, с которыми мы столкнулись при создании системы 3D Soundstage, было написание программного обеспечения для машинного обучения, которое разделяет (или микширует) обычную моно-, стерео- или многоканальную запись на несколько изолированных дорожек в реальном времени. . Программное обеспечение работает на нейронной сети. Мы разработали этот подход для разделения музыки в 2012 году и описали его в патентах, выданных в 2022 и 2015 годах (номера патентов США: 11 240 621 B2 и 9). ,131,305 В2).

Слушатель может решить, где «найти» исполнителей, и может отрегулировать громкость каждого в соответствии со своими личными предпочтениями.

Типичная сессия состоит из двух компонентов: обучение и повышающее микширование. В процессе обучения большая коллекция смешанных песен вместе с их изолированными инструментальными и вокальными треками используется в качестве входных и целевых выходных данных для нейронной сети соответственно. В обучении используется машинное обучение для оптимизации параметров нейронной сети, чтобы выходные данные нейронной сети — набор отдельных треков изолированных инструментальных и вокальных данных — соответствовали целевому выходу.

Нейронная сеть очень слабо смоделирована на основе мозга. Он имеет входной слой узлов, которые представляют собой биологические нейроны, а затем множество промежуточных слоев, называемых «скрытыми слоями». Наконец, после скрытых слоев есть выходной слой, где появляются окончательные результаты. В нашей системе данные, подаваемые на входные узлы, представляют собой данные микшированной звуковой дорожки. По мере того как эти данные проходят через уровни скрытых узлов, каждый узел выполняет вычисления, в результате которых получается сумма взвешенных значений. Затем над этой суммой выполняется нелинейная математическая операция. Этот расчет определяет, передаются ли и как аудиоданные от этого узла узлам следующего уровня.

Этих слоев десятки. По мере того, как аудиоданные переходят от слоя к слою, отдельные инструменты постепенно отделяются друг от друга. В конце выходного слоя каждая отдельная звуковая дорожка выводится на узел выходного слоя.

В любом случае, это идея. Пока нейронная сеть обучается, вывод может быть неверным. Это может быть не изолированная инструментальная дорожка — например, она может содержать звуковые элементы двух инструментов. В этом случае индивидуальные веса в схеме взвешивания, используемой для определения того, как данные передаются от скрытого узла к скрытому узлу, настраиваются, и обучение запускается снова. Это итеративное обучение и настройка продолжаются до тех пор, пока результат не будет более или менее точно соответствовать целевому результату.

Как и в случае с любым набором обучающих данных для машинного обучения, чем больше количество доступных обучающих выборок, тем эффективнее будет обучение. В нашем случае для обучения нам понадобились десятки тысяч песен и их отдельных инструментальных треков; таким образом, общие наборы обучающих музыкальных данных исчислялись тысячами часов.

После обучения нейронной сети, получив на вход песню со смешанными звуками, система выводит несколько разделенных дорожек, пропуская их через нейронную сеть, используя систему, установленную во время обучения.

После разделения записи на составные дорожки следующим шагом является их повторное микширование в запись звуковой сцены. Это достигается процессором сигналов звуковой сцены. Этот процессор звуковой сцены выполняет сложную вычислительную функцию для генерации выходных сигналов, которые управляют динамиками и создают звук звуковой сцены. Входные данные для генератора включают изолированные дорожки, физическое расположение динамиков и желаемое расположение слушателя и источников звука в воссозданном звуковом поле. Выходы процессора звуковой сцены представляют собой многодорожечные сигналы, по одному на каждый канал, для управления несколькими динамиками.

Звуковое поле может находиться в физическом пространстве, если оно создается динамиками, или в виртуальном пространстве, если оно создается наушниками. Функция, выполняемая в процессоре звуковой сцены, основана на вычислительной акустике и психоакустике и учитывает распространение звуковых волн и интерференцию в желаемом звуковом поле, а также HRTF для слушателя и желаемого звукового поля.

Например, если слушатель собирается использовать наушники, генератор выбирает набор HRTF на основе конфигурации желаемых местоположений источников звука, а затем использует выбранные HRTF для фильтрации дорожек изолированных источников звука. Наконец, процессор звуковой сцены объединяет все выходы HRTF для создания левой и правой дорожек для наушников. Если музыка будет воспроизводиться на колонках, то нужно как минимум две, но чем больше колонок, тем лучше звуковое поле. Количество источников звука в воссоздаваемом звуковом поле может быть больше или меньше количества динамиков.

Мы выпустили наше первое приложение звуковой сцены для iPhone в 2020 году. Оно позволяет слушателям настраивать, слушать и сохранять музыку звуковой сцены в режиме реального времени — обработка не вызывает заметной временной задержки. Приложение под названием
3D Musica преобразует стереофоническую музыку из личной музыкальной библиотеки слушателя, облака или даже потоковой музыки в звуковую сцену в режиме реального времени. (Для караоке приложение может удалить вокал или вывести любой изолированный инструмент.)

Ранее в этом году мы открыли веб-портал,
3dsoundstage.com, который предоставляет все функции приложения 3D Musica в облаке, а также интерфейс прикладного программирования (API), делающий эти функции доступными для поставщиков потоковой музыки и даже для пользователей любого популярного веб-браузера. Теперь любой может слушать музыку в звуковой сцене практически на любом устройстве.

Когда звук достигает ваших ушей, уникальные характеристики вашей головы — ее физическая форма, форма ваших наружных и внутренних ушей и даже форма ваших носовых полостей — изменяют звуковой спектр исходного звука.

Мы также разработали отдельные версии программного обеспечения 3D Soundstage для автомобилей, домашних аудиосистем и устройств, чтобы воссоздать трехмерное звуковое поле с использованием двух, четырех и более динамиков. Помимо воспроизведения музыки, мы возлагаем большие надежды на эту технологию в видеоконференциях. У многих из нас был утомительный опыт посещения видеоконференций, на которых мы плохо слышали других участников или не понимали, кто говорит. С помощью звуковой сцены звук можно настроить так, чтобы каждого человека было слышно из определенного места в виртуальной комнате. Или же «местоположение» можно просто назначить в зависимости от положения человека в сетке, типичной для Zoom и других приложений для видеоконференций. По крайней мере, для некоторых видеоконференцсвязь будет менее утомительной, а речь станет более разборчивой.

Точно так же, как звук переместился из моно в стерео, а из стерео в объемный и пространственный звук, теперь он начинает переходить на звуковую сцену. В те ранние эпохи аудиофилы оценивали звуковую систему по ее точности, основанной на таких параметрах, как полоса пропускания,
гармонические искажения, разрешение данных, время отклика, сжатие данных без потерь или с потерями и другие факторы, связанные с сигналом. Теперь звуковая сцена может быть добавлена ​​как еще одно измерение достоверности звука — и, осмелимся сказать, самое фундаментальное. Для человеческого уха влияние звуковой сцены с ее пространственными репликами и захватывающей непосредственностью гораздо важнее, чем постепенное улучшение точности воспроизведения. Эта исключительная функция предлагает возможности, ранее недоступные даже самым состоятельным меломанам.

Технологии способствовали предыдущим революциям в аудиоиндустрии, и теперь они запускают еще одну. Искусственный интеллект, виртуальная реальность и цифровая обработка сигналов подключаются к психоакустике, чтобы дать энтузиастам звука возможности, которых у них никогда не было. В то же время эти технологии дают звукозаписывающим компаниям и исполнителям новые инструменты, которые вдохнут новую жизнь в старые записи и откроют новые возможности для творчества. Наконец, вековая цель убедительно воссоздать звуки концертного зала достигнута.

Эта статья опубликована в печатном выпуске за октябрь 2022 года под названием «Как звук возвращает себе прежний уровень».

Солнечная энергия из космоса — наше будущее? (2022)

Что такое космическая солнечная энергия?

Космическая солнечная энергия (SBSP) включает сбор солнечной энергии в космосе , а затем передачу ее по беспроводной связи на Землю . Солнечная энергия имеет ряд преимуществ. Несмотря на дороговизну, это отличный источник чистой энергии, мощность которого составляет обеспечивают больше энергии , чем мир потребляет или, по прогнозам, будет потреблять в будущем.

Технологический процесс солнечной энергетики в космосе включает использование солнечных панелей для сбора солнечной энергии в космосе с помощью отражателей или надувных зеркал , которые направляют солнечное излучение на солнечные панели, а затем направляют его на Землю с помощью микроволнового излучения или лазера . Затем энергия поступает на Землю через микроволновую антенну (ректенну).

По данным Национального космического общества, космическая солнечная энергия может в раз превзойти все остальные источники энергии вместе взятые. Они утверждают, что космическая солнечная энергия может обеспечить большое количество энергии с очень небольшим негативным воздействием на окружающую среду . Это также может решить наши текущие проблемы с энергией и выбросами парниковых газов .

Приведенная ниже инфографика содержит информацию о космической солнечной энергии , текущих связанных с этим тенденциях и о том, что разные страны делают с точки зрения исследований и финансирования.

Если вы хотите использовать эту инфографику на своем веб-сайте, используйте код для вставки ниже:

Получить код для вставки

Копировать

Пользовательская ширина:

Текущее глобальное потребление энергии и тенденции

Мировое потребление энергии только растет . Согласно отчету Оксфордского университета «Наш мир в данных» о глобальном потреблении первичной энергии, текущее мировое потребление составляет более 160 000 ТВтч в год. Солнечная энергия дает только 585 ТВтч.

Несмотря на увеличение количества решений, инвестиций и использования возобновляемых источников энергии, нефть, уголь и газ по-прежнему производят более 80% потребляемой в мире энергии, при этом солнечная энергия генерирует менее 1%.

В период с 2004 по 2015 год инвестиции в возобновляемые источники энергии увеличились на 600% с 36,2 млрд фунтов стерлингов (46,7 млрд долларов США) до 220,6 млрд фунтов стерлингов (284,8 млрд долларов США).

Текущие прогнозы показывают, что к 2050 году население мира достигнет 9,7 миллиарда человек. С ростом населения мир потребляет энергию также прогнозируется рост на 50% к 2050 году .

Кроме того, последствия изменения климата усиливаются. Хотя мы производим большой процент мировой энергии из ископаемого топлива, ископаемое топливо в значительной степени способствует увеличению изменения климата . Многие зеленые страны вносят поправки в свою климатическую политику, чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива для производства энергии.

Для сравнения, солнечная энергия сегодня является самым безопасным источником энергии, хотя она по-прежнему обеспечивает лишь небольшой процент мирового производства энергии. уровень смертности от солнечной энергии в 1230 раз ниже, чем у угля , и он имеет один из самых низких выбросов CO2 , 5 г эквивалента CO2 на кВтч.

Почему космическая солнечная энергия?

Космическая солнечная энергия имеет несколько преимуществ; в отличие от солнечных панелей на наших крышах, которые могут генерировать электроэнергию только в течение дня, космическая солнечная энергия может генерировать непрерывную электроэнергию , 24 часа в сутки, 99% года.

Это связано с тем, что, в отличие от Земли, в космической среде нет дня и ночи, а спутники находятся в тени Земли максимум 72 минуты за ночь.

Космические солнечные панели могут постоянно генерировать 2000 гигаватт энергии . Это в 40 раз больше энергии, чем солнечная панель вырабатывает на Земле ежегодно. Это также в несколько раз превышает эффективность современных солнечных батарей.

Более того, космическая солнечная энергия будет генерировать 0% выбросов парниковых газов в отличие от других альтернативных источников энергии, таких как ядерная энергия, уголь, нефть, газ и этанол. В настоящее время источником энергии, который генерирует наименьшее количество CO2, является ядерная энергия, которая генерирует CO2 в размере 5 г эквивалента CO2 на кВтч.

Космическая солнечная энергетика производит почти 0% опасных отходов для нашей окружающей среды по сравнению с ядерной энергетикой.

Почему мы еще не там?

Хотя космическая солнечная энергия является инновационной концепцией , мы пока не можем полностью запустить систему в космос. Запуск космической солнечной системы очень дорого . На самом деле, стоимость оценивается примерно в 100 раз выше, чтобы конкурировать с текущими затратами на коммунальные услуги .

Одной из причин высоких затрат является высокая стоимость запуска панелей в космос , что в основном связано с высокой массой на ватт, генерируемой нынешними солнечными панелями. Другими словами, солнечные панели в настоящее время в раз тяжелее на генерируемого ватта, чтобы это было возможно.

В настоящее время стоимость запуска в космос оценивается в 7716 фунтов стерлингов за килограмм — приблизительно 154 фунта стерлингов за ватт. По сравнению со стоимостью, которую домовладельцы платят сегодня, которая составляет примерно 2 фунта стерлингов за пиковый ватт, стоимость в космосе чрезвычайно высока, чтобы быть конкурентоспособной. В домах Великобритании стоимость установки солнечных панелей может составлять всего 1,5 фунта стерлингов за ватт.

Другими причинами высоких затрат являются общие  высокие транспортные расходы в космос . Это связано с тем, что для транспортировки всех других материалов, которые необходимы в космос, потребуется много запусков космических челноков, а эти космические челноки в настоящее время не подлежат повторному использованию . Таким образом, не только запуск самих солнечных панелей дорог, но и дополнительные материалы, которые необходимо транспортировать, также дороги.

Продолжается множество исследований и разработок, направленных на поиск наиболее подходящего способа запуска космических солнечных батарей и пусковых систем с меньшими затратами.

Окружающая среда в космосе также имеет несколько опасностей, которые могут привести к повреждению солнечных батарей. К ним относятся космический мусор и экстремальное солнечное излучение , которое может разрушать солнечные панели в 8 раз быстрее, чем панели, установленные на Земле.

Наконец, существует вероятность того, что будет тратить большое количество энергии при транспортировке или при передаче из космоса на Землю. Поэтому ученые и инженеры должны продолжать свои исследования и разработки, чтобы обеспечить минимальные потери энергии во время процесса.

Текущие проекты и прогресс SBSP

ключевых игрока в SBSP включают Китай, США и Японию, которые продемонстрировали прогресс в области технологических достижений, партнерства и планов запуска.

Китай уже готовится к запуску в космос. Китайская корпорация аэрокосмической науки и технологий планирует запустить в стратосферу малые и средние солнечные спутники , которые могут использовать энергию в космосе в период между 2021 и 2025 годами .

Китай также планирует к 2030 году вырабатывать один мегаватт энергии с помощью космических солнечных панелей, а к 2050 году ввести в эксплуатацию коммерчески жизнеспособную солнечную космическую станцию ​​ .

В США есть постоянные партнерские отношения и инвестиции. Например, было создано партнерство на сумму 100 миллионов долларов между Northrop Grumman и исследовательской лабораторией ВВС США для предоставления передовых технологий для SBSP .

Также в США Совместное сотрудничество между Northrop Grumman Corporation и Калифорнийским технологическим институтом стоимостью 17,5 миллионов долларов США было создано для разработки проекта космической солнечной энергетики под названием «Инициатива космической солнечной энергии» . Цель инициативы состояла в том, чтобы разработать научные и технологические инновации, которые позволили бы космической солнечной энергетической системе генерировать электроэнергию по стоимости, сравнимой с существующими источниками электроэнергии.

Продолжаются исследования и технологические достижения. В США разработка Концепция SPS-ALPHA Mark-II находится в разработке. Это, в случае успеха, позволит построить в космосе огромные платформы, которые смогут дистанционно поставлять на Землю десятки тысяч мегаватт электроэнергии с использованием беспроводной передачи энергии. Это также позволит доставлять доступную энергию на Землю и в космические миссии.

Кроме того, ведется работа по созданию многоразовых пусковых систем . Успех в этом снизит стоимость транспортировки в космос и общую стоимость космической солнечной энергии. Пример SpaceX , которая в настоящее время работает над многоразовыми ракетами-носителями, которые можно использовать для транспортировки в космос.

В Японии исследователи успешно передали электроэнергию по беспроводной связи с использованием микроволн. Исследователи преобразовали 1,8 кВт электроэнергии в микроволны и точно передали их в приемник, который находился на расстоянии 55 метров. Это был технологический прогресс, приближающий SBSP к реальности . Япония также сделала космические солнечные системы частью своих будущее видение освоения космоса .

Будущие перспективы для SBSP

Ископаемые виды топлива конечны и могут когда-нибудь иссякнуть. Согласно прогнозам, нефть и природный газ могут исчерпать через 50 лет, а добыча угля через 115 лет. Благодаря текущим исследованиям и инвестициям существует высокая вероятность того, что космическая солнечная энергия станет жизнеспособным будущим солнечной энергетики .

Если стоимость космической солнечной энергии удастся снизить, она, вероятно, станет основным источником устойчивой энергии, который не может уменьшиться. Крупные игроки, такие как Китай, у которых уже есть сроки внедрения технологии в космос, могут предоставить некоторые ключевые знания для будущих улучшений технологии.

Солнечная электростанция в космосе? Вот как это будет работать и какие выгоды это может принести

Сообщается, что правительство Великобритании рассматривает предложение стоимостью 16 миллиардов фунтов стерлингов на строительство солнечной электростанции в космосе.

Да, вы не ошиблись. Солнечная энергетика из космоса — одна из технологий, включенных в правительственный портфель инноваций Net Zero. Это было определено как потенциальное решение, наряду с другими, позволяющее Великобритании достичь нуля к 2050 году.

Но как будет работать солнечная электростанция в космосе? Каковы преимущества и недостатки этой технологии?

Читать далее:
Солнечные электростанции в космосе могут стать ответом на наши потребности в энергии

Космическая солнечная энергетика включает в себя сбор солнечной энергии в космосе и передачу ее на Землю. Хотя сама идея не нова, последние технологические достижения сделали эту перспективу более достижимой.

Космическая солнечная энергетическая система включает в себя спутник солнечной энергии — огромный космический корабль, оснащенный солнечными панелями. Эти панели генерируют электричество, которое затем по беспроводной связи передается на Землю с помощью высокочастотных радиоволн. Наземная антенна, называемая ректенной, используется для преобразования радиоволн в электричество, которое затем передается в энергосистему.

Космическая солнечная электростанция на орбите освещается Солнцем 24 часа в сутки и поэтому может непрерывно вырабатывать электроэнергию. Это представляет собой преимущество перед наземными солнечными энергетическими системами (системами на Земле), которые могут производить электроэнергию только днем ​​и зависят от погоды.

Учитывая прогнозируемый рост мирового спроса на энергию почти на 50% к 2050 году, космическая солнечная энергия может сыграть ключевую роль в удовлетворении растущего спроса в мировом энергетическом секторе и борьбе с глобальным повышением температуры.

Некоторые проблемы

Космическая солнечная электростанция основана на модульной конструкции, где большое количество солнечных модулей собирается роботами на орбите. Транспортировка всех этих элементов в космос сложна, затратна и нанесет ущерб окружающей среде.

Вес солнечных панелей был определен как одна из первых проблем. Но это было решено за счет разработки сверхлегких солнечных элементов (солнечная панель состоит из солнечных элементов меньшего размера).

Космическая солнечная энергетика считается технически осуществимой прежде всего благодаря достижениям в ключевых технологиях, включая легкие солнечные элементы, беспроводную передачу энергии и космическую робототехнику.

Важно отметить, что для сборки даже одной космической солнечной электростанции потребуется много запусков космических челноков. Хотя космическая солнечная энергия предназначена для сокращения выбросов углерода в долгосрочной перспективе, существуют значительные выбросы, связанные с космическими запусками, а также затраты.

Космические шаттлы в настоящее время нельзя использовать повторно, хотя такие компании, как Space X, работают над изменением этого положения. Возможность повторного использования систем запуска значительно снизит общую стоимость космической солнечной энергии.

Солнечные энергетические системы на Земле могут производить энергию только в дневное время.
Дияна Димитрова/Shutterstock

Если нам удастся успешно построить космическую солнечную электростанцию, ее эксплуатация также столкнется с рядом практических проблем. Солнечные батареи могут быть повреждены космическим мусором. Кроме того, панели в космосе не защищены атмосферой Земли. Воздействие более интенсивного солнечного излучения означает, что они будут деградировать быстрее, чем на Земле, что снизит мощность, которую они могут генерировать.

Эффективность беспроводной передачи энергии — еще один вопрос. Передача энергии на большие расстояния — в данном случае от солнечного спутника в космосе на землю — затруднена. Согласно современным технологиям, лишь малая часть собранной солнечной энергии достигнет Земли.

Пилотные проекты уже осуществляются

В рамках проекта Space Solar Power Project в США разрабатываются высокоэффективные солнечные элементы, а также система преобразования и передачи, оптимизированная для использования в космосе. Исследовательская лаборатория ВМС США провела испытания солнечного модуля и системы преобразования энергии в космосе в 2020 году. Тем временем Китай объявил о прогрессе на своей космической солнечной электростанции Бишань с целью ввести в действие систему к 2035 году9.0005

Согласно недавнему отчету Frazer-Nash Consultancy, в Великобритании разработка космической солнечной энергетики стоимостью 17 миллиардов фунтов стерлингов считается жизнеспособной концепцией. Ожидается, что проект начнется с небольших испытаний, которые приведут к запуску солнечной электростанции в 2040 году.

Спутник солнечной энергии будет иметь диаметр 1,7 км и весить около 2000 тонн. Наземная антенна занимает много места — примерно 6,7 км на 13 км. Учитывая использование земли по всей Великобритании, она, скорее всего, будет размещена в офшоре.

Этот спутник будет поставлять 2 ГВт электроэнергии в Великобританию. Хотя это значительное количество энергии, это небольшой вклад в генерирующую мощность Великобритании, которая составляет около 76 ГВт.

Читать далее:
От миниатюрных спутников до гигантских солнцезащитных экранов — экстремальные технологии, преобразующие космическую технику

При чрезвычайно высоких первоначальных затратах и ​​низкой окупаемости проект потребует значительных государственных ресурсов, а также инвестиций частных компаний.

Но по мере развития технологий стоимость запуска в космос и производства будет неуклонно снижаться. А масштаб проекта позволит наладить массовое производство, что должно несколько снизить стоимость.

Еще неизвестно, поможет ли космическая солнечная энергия достичь нулевого уровня выбросов к 2050 году. Другие технологии, такие как разнообразное и гибкое хранение энергии, водород и развитие систем возобновляемой энергии, лучше изучены и могут быть более легко применимы.

Несмотря на проблемы, космическая солнечная энергия является предшественником захватывающих возможностей для исследований и разработок. В будущем эта технология, вероятно, будет играть важную роль в глобальном энергоснабжении.

Наконец-то может наступить время космической солнечной энергии

Иллюстрация системы SPS-ALPHA («Спутник солнечной энергии с произвольно большой фазированной решеткой»), передающей энергию в Австралию.
(Изображение предоставлено: John Mankins/Artemis Innovation Management Solutions)

Солнце никогда не заходит в космосе.

Идея сбора солнечной энергии с помощью спутников, излучающих энергию, уже давно интригует исследователей, ищущих способы накормить энергожадную Землю .

Это размышление витало в воздухе на протяжении десятилетий, но теперь оно приобретает новые взгляды во всем мире: технологи в США и Китае, эксперты в Японии и исследователи из Европейского космического агентства и космического агентства Соединенного Королевства работают над созданием космических солнечных батарей. сила реальность.

Связанный: Солнечные электростанции в космосе могут быть ответом на наши потребности в энергии

Историческая машина

Питер Глейзер, отец концепции спутника на солнечной энергии. (Изображение предоставлено: Arthur D. Little Inc.)

Идея беспроводной передачи энергии восходит к Николе Тесле ближе к концу 19-го века.

Перенесемся в 1968 год. Идея спутника на солнечной энергии была подробно описана и запатентована пионером космоса в США Питером Глейзером. Он разработал новый способ сбора энергии солнечного света с помощью солнечных элементов и передачи энергии микроволн на приемные антенны («ректенны») на Земле. Затем эти микроволны могут быть преобразованы в электрическую энергию и переданы в энергосистему.

Затем, в середине 1970-х, эксперименты по передаче микроволновой энергии в десятки киловатт были успешно проведены в комплексе связи в дальнем космосе Голдстоуна в Калифорнии, объекте Лаборатории реактивного движения НАСА .

И это «отключение мощности» на этом не заканчивается.

Проект дополнительных и демонстрационных исследований космической солнечной энергии (SSPIDR) предназначен для передачи энергии из космоса на Землю. SSPIDR состоит из нескольких небольших летных экспериментов, которые отработают технологию, необходимую для создания прототипа системы распределения солнечной энергии. (Изображение предоставлено Исследовательской лабораторией ВВС (AFRL))

Впечатляющие достижения

За последнее десятилетие исследователи добились впечатляющих успехов, которые повышают вероятность того, что космическая солнечная энергия (SSP) будет реализована в течение следующего десятилетия, сказал Джон Манкинс, президент Artemis Innovation Management Solutions из Санта-Мария, Калифорния. Его мнение: давнее видение SSP как альтернативы устойчивой энергии следует пересмотреть в свете таких недавних достижений.

Подкрепление этой точки зрения представляет собой набор ключевых точек зрения, сказал Мэнкинс Space.com. «Изменение климата действительно станет катастрофой.0393 углеродный чистый-ноль … и они понятия не имеют, как это сделать». реализация SSP всегда включала стоимость запуска и стоимость оборудования, — сказал Манкинс. — Добавьте скорость полета, и вдруг вы увидите цифры, о которых всегда говорили для спутников, работающих на солнечной энергии». : Что такое изменение климата?

Мегасозвездия

Другим недавним изменением является рассвет мегасозвездий, добавил Мэнкинс.

Примером этого является широкополосная сеть SpaceX Starlink , которая сейчас производит 30 тонн спутников в месяц. SpaceX намерена произвести 40 000 спутников в течение пяти лет и запустить их все.

«Путь к дешевому оборудованию был указан», — сказал Манкинс. «Он модульный и производится серийно. Были преодолены препятствия, связанные с более дешевым запуском и снижением стоимости оборудования».

Манкинс сказал, что экономические концепции SSP в ближайшем будущем, в течение следующего десятилетия, никогда не были более жизнеспособными. Он отметил достижения в области космических запусков; прогресс в робототехнике космических систем сборки, ремонта и обслуживания; и развитие различных компонентных технологий, таких как высокоэффективные полупроводниковые усилители мощности.

В результате SSP готова увидеть свет, сказал Мэнкинс.

Астроэлектричество

Одним из первых, кто сосредоточился на понимании необходимой энергетической политики и создании SSP, является Джеймс Майкл Снид, президент Космического института. Он принял использование термина «астроэлектричество» для описания передаваемой электроэнергии, производимой системами SSP.

Глядя на то, что он называет « грядущей эрой астроэлектричества «, он видит мир, нуждающийся в замене нефти и природного газа, двух основных источников энергии, которые в настоящее время поддерживают промышленный уровень жизни.

Снид представляет себе мир в 2100 году, где около 20% электроэнергии будет производиться за счет наземных ядерных и возобновляемых источников энергии, а 80% — за счет астроэлектроэнергии.

«Подобно тому, как военный, экономический и дипломатический контроль над ближневосточной нефтью существенно влиял на мировые события за последние 80 лет, контроль над космическими солнечными энергетическими платформами станет доминировать в космической деятельности в этом столетии», — сказал Снид Space. com. .

Разыскивается: высокоприоритетное руководство

Если ТКП станет реальностью в конце этого века, сказал Снид, вооруженные силы США должны будут защищать эти новые источники национальной энергетической безопасности так же, как сегодня они охраняют нефтяную инфраструктуру в Персидском заливе. .

«Хотя некоторые люди разрабатывают концепции SSP, которые будут запускаться с Земли и автономно собираться на геостационарной околоземной орбите, я не считаю это успешным предложением», — сказал Снид. Он считает, что создание тысяч необходимых платформ SSP требует значительных затрат.0393 усилия по индустриализации космоса с участием более миллиона человек в космосе к концу века.

Отправной точкой, сказал Снид, будет создание поддерживающей «астрологической» инфраструктуры, работающей по всей системе Земля-Луна. Он подчеркнул, что эта астрология требует высокоприоритетного руководства ВВС США, а не Космических сил , чтобы опираться на почти столетний опыт и знания человеческих полетов / оперативной логистики.

Это необходимо для того, чтобы управлять усилиями отрасли по проектированию и созданию необходимых новых пилотируемых космических систем с акцентом на безопасность и эффективность, сказал Снид.

По мере появления этих новых возможностей военной астрологии, утверждает Снид, коммерциализация этих возможностей расширит эти преимущества безопасности и эксплуатации для поддержки грядущей космической промышленной революции, необходимой для осуществления ТКП.

«Это именно то, что позволило производителям авиакомпаний США доминировать в сфере авиаперевозок и грузовых авиаперевозок на протяжении десятилетий. Это успешная модель, которую теперь можно воспроизвести в космосе — модель, которую ни НАСА, ни космические силы США не могут эффективно реализовать». — сказал Снид.

Пол Джаффе из Исследовательской лаборатории ВМС США держит модуль, предназначенный для исследований космической солнечной энергии, перед специальной вакуумной камерой, используемой для тестирования устройства. (Изображение предоставлено: NRL/Jamie Hartman)

«Выступать как чемпион»

В то время как появляются новые произведения искусства, экономические сюжеты и концептуальные идеи и видения SPS, в космосе уже идет технологический эксперимент.

Во время своей последней миссии, запущенной в мае 2020 года, робот 9 космических сил0393 Космический самолет X-37B проводит летный эксперимент с фотоэлектрическим радиочастотным антенным модулем (PRAM-FX), исследование Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) по преобразованию солнечной энергии в радиочастотную микроволновую энергию.

В центре внимания этого исследования X-37B находится не установление фактической линии передачи энергии, а скорее оценка производительности преобразования солнечного света в микроволны.

«Он работает как чемпион», — сказал Пол Джаффе, инженер-электронщик NRL, работающий над спутниками с лучами и солнечной энергией. «Мы регулярно получаем данные, и эти данные превосходят наши ожидания», — сказал он Space. com.

PRAM-FX в основном состоит из коммерческих деталей, а не аппаратных средств «космического класса». «Тот факт, что он продолжает работать и дает нам положительные результаты, весьма обнадеживает», — сказал Джаффе. Коммерческие детали производятся серийно, в то время как многие детали космического класса являются единичными.

Спутники на солнечной энергии, подобные тем, которые предполагается разместить на высокой околоземной орбите, будут иметь тысячи элементов, изготовленных из аналогичных компонентов, которые проходят испытания на борту X-37B, сказал Джаффе.

Секретный космический самолет X-37B Космических сил США: 10 удивительных фактов

Солнечная энергия из космоса может помочь Великобритании достичь нулевого уровня выбросов к 2050 году, по данным ведущей британской компании, занимающейся системными, инженерными и технологическими разработками. (Изображение предоставлено Frazer-Nash Consultancy)

Заставить экономику работать

Конечно, впереди еще много работы.

«Большой удар по космической солнечной энергии всегда заставлял экономику работать. Люди, которые серьезно рассматривали эту идею, понимают, что с точки зрения физики нет причин, по которым вы не могли бы это сделать», — сказал Джаффе.

«При массовом производстве космического оборудования и снижении стоимости доступа в космос более вероятно, что это может сработать», — добавил он. «Я бы предостерег от чрезмерного оптимизма… но также хотел бы отметить, что все меняется. Есть много обнадеживающих событий».

SPS, несомненно, будут сравнивать с показателем «приведенной стоимости энергии», заключил Джаффе. «Просто недостаточно данных, чтобы определить базовую стоимость энергии для космической солнечной энергии. Это преждевременно. То, что вы видите сейчас, закладывает основу для такого рода оценки».

Статьи по теме

Четкий и доступный путь

С этой целью компания Mankins of Artemis Innovation Management Solutions развернула SPS-ALPHA («Спутник солнечной энергии с помощью произвольно большой фазированной решетки»), дизайн, который он продемонстрировал на 72-й Международный астронавтический конгресс, который проходил с 25 по 29 октября в Дубае, Объединенные Арабские Эмираты. Подробно описывая бизнес-модель и пошаговую дорожную карту SSP, он считает, что концепция обещает четкий и доступный путь к развертыванию критически необходимого нового источника энергии.

«Я полагаю, что вы могли бы иметь действующие спутники солнечной энергии в масштабе в течение десяти лет», сказал Мэнкинс.

Эта возможность, в сочетании с тем фактом, что многие страны рассматривают SSP как многообещающую систему производства электроэнергии в будущем, вызывает вопрос: идет ли гонка спутников на солнечной энергии?

Близко к этому, сказал Мэнкинс. «Я думаю, что это должно быть сотрудничество между друзьями и союзниками. Но я думаю, что это, скорее всего, закончится конкуренцией с Китаем.0393 изменение климата , тем больше вероятность того, что мы пропустим лодку».

Манкинс — ветеран с 26-летним стажем оценки ТКП и необходимых технологий. «Момент настал, — сказал он. — Я думаю, правильный ответ действительно ясен: нам нужно просто пойти и сделать это». National Geographic в мае 2019 г. Дэвид, давний автор Space.com, пишет о космической отрасли более пяти десятилетий.0025 @Spacedotcom или Facebook .

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Леонард Дэвид — отмеченный наградами космический журналист, освещающий космическую деятельность более 50 лет. В настоящее время Леонард пишет в качестве обозревателя Space.com Space Insider среди других своих проектов. Он является автором множества книг об исследовании космоса, марсианских миссиях и многом другом, последняя из которых — «Лунная лихорадка: новая космическая гонка», опубликованная в 2019 году.по National Geographic. Он также написал книгу «Марс: наше будущее на Красной планете», выпущенную в 2016 году National Geographic. Леонард работал корреспондентом SpaceNews, Scientific American и Aerospace America в AIAA. Он получил множество наград, в том числе первую премию Ордуэя за выдающиеся достижения в истории космических полетов в 2015 году на Мемориальном симпозиуме AAS Вернера фон Брауна. Вы можете узнать о последнем проекте Леонарда на его сайте и в Twitter.

НАСА пересмотрит космическую солнечную энергию

Джефф Фауст — 28 мая 2022 г. НАСА планирует пересмотреть возможность использования солнечной энергии в космосе — подход, который находит новую поддержку благодаря более низким затратам на запуск, технологическим достижениям и интересу к экологически чистым источникам энергии. Авторы и права: ESA

WASHINGTON — НАСА начинает исследование по пересмотру жизнеспособности космической солнечной энергии, давно рекламируемого решения для обеспечения энергией из космоса, которое может вызвать новый интерес благодаря технологическим достижениям и толчку к чистой энергии.

В презентации на Международной конференции по космическому развитию Национального космического общества 27 мая Николай Джозеф из Управления технологий, политики и стратегии НАСА сказал, что агентство начинает краткосрочное исследование по оценке перспектив космической солнечной энергии, или SBSP. , первым агентством примерно за два десятилетия.

«По мере развития технологии возможности системы менялись с течением времени, — сказал он. «Это исследование призвано оценить степень, в которой НАСА должно поддерживать космическую солнечную энергию».

Исследование не будет пытаться придумать новую архитектуру для SBSP, а вместо этого будет пересматривать прошлые концепции сбора солнечной энергии в космосе и передачи ее на землю для преобразования в электричество. Эти обновленные системы будут сравниваться с наземными энергосистемами и оцениваться политика и проблемы реализации, с которыми они сталкиваются.

Также будет рассмотрена стоимость таких систем, которая традиционно была основным камнем преткновения в предыдущих исследованиях, начиная с 19 века. 70-е годы. «Это будет много денег, но деньги здесь не единственный двигатель», — сказал он. «Если число огромно и ошеломляет, это может быть нормально».

Продвинутые в нескольких технических областях, сказал Джозеф, дайте агентству повод, по крайней мере, пересмотреть осуществимость SBSP. «Слон в комнате — это стоимость запуска, и запуск стал значительно доступнее. Это полностью меняет наш взгляд на это», — сказал он. Другие области, в которых произошли успехи, включают тепловые системы, электронику, материалы и солнечные батареи.

НАСА провело обсуждения с Космическими силами США и другими «техническими агентствами» по поводу исследования, сказал он. В настоящее время нет планов запрашивать мнение общественности посредством официального запроса информации или другого процесса, но он не исключил, что сделает это позже. Цель состоит в том, чтобы закончить исследование и представить его на Международном астронавтическом конгрессе в Париже в сентябре.

В последние годы наблюдается возрождение интереса к SBSP, в том числе семинар Европейского космического агентства в декабре прошлого года, который, по словам Джозефа, посетило НАСА и который побудил агентство рассмотреть возможность проведения собственного исследования. В прошлом году британское правительство включило SBSP в качестве технологии, которую оно изучает наряду с ядерными, ветровыми и другими энергетическими системами.

Большая часть этого интереса обусловлена ​​стремлением к источникам энергии, которые могут достичь цели «чистого нуля» выбросов углерода для смягчения последствий изменения климата. «Я думаю, что это одна из самых многообещающих вещей, которые мы можем сделать с космической точки зрения, чтобы помочь спасти планету. Мы должны добраться до 2050 года с нулевым уровнем выбросов», — сказала Карен Джонс из Центра космической политики и стратегии Аэрокосмической корпорации во время более поздней панели, посвященной SBSP на конференции.

«Для Соединенных Штатов просто не имеет смысла не смотреть на это», — сказал Питер Гарретсон, бывший офицер ВВС США, который в 2007 году руководил исследованием SBSP ныне несуществующим Космическим управлением национальной безопасности. Он сослался как на изменение климата, так и на международную конкуренцию, в том числе сообщил об интересе Китая к SBSP.

«Даже если предположить, что космическая солнечная энергия в конечном итоге не будет экономичной, тот факт, что мы теряем повествование, не пытаясь сделать что-то в глобальной повестке дня, просто заставляет нас выглядеть глупо», — возразил он.

Джон Манкинс, давний сторонник SBSP, который руководил более ранними исследованиями НАСА по этой теме, сказал, что «сверхдешевый» доступ в космос, обещанный такими транспортными средствами, как Starship SpaceX, изменил экономику такой системы. «Транспорт больше не является частью уравнения затрат», — сказал он. «Это делает космическую солнечную энергию потенциально доступной, в зависимости от того, как вы это делаете».

В своем выступлении Джозеф сказал, что исследование, помимо изучения затрат и вопросов политики, также будет изучать общественное мнение о космической солнечной энергии. «Общественное восприятие — это то, о чем мы мало говорим», — сказал он, отметив, что, когда он объясняет, как такие системы будут передавать энергию обратно на Землю, люди спрашивают, что это будет означать для птиц, летящих через эти лучи. «Я не думаю, что это будет проблемой, но я не знаю полностью, и мне нужно это понять».

Он сказал, что исследование может принести пользу, даже если оно придет к выводу, что SBSP неосуществима. «Это прекрасная подделка для понимания того, как мы решаем такие большие проблемы», — сказал он. «Это также отличный способ посмотреть, как вы строите политику вокруг крупных проектов».

«Я чувствую, что НАСА обязано взглянуть на это, — добавил он, — потому что это существует так давно, и эта идея еще не разрушена. Это сохраняется».

Гражданский
Солнечная энергия космического базирования НАСА

Включите JavaScript, чтобы просматривать комментарии с помощью Disqus.

О национальной безопасности | Солнечная энергия из космоса: оторвется ли она когда-нибудь от земли?

by Sandra Erwin — 23 января 2022 г. Художественная визуализация лётного эксперимента «Арахна» Исследовательской лаборатории ВВС США на орбите. 1 кредит

Спутники в космосе, собирающие солнечный свет и превращающие солнечную энергию в полезную энергию для приложений на Земле, — это идея, которая изучалась на протяжении десятилетий. Но хотя Соединенные Штаты были пионерами в этой технологии, интерес правительства к переносу ее из лаборатории на орбиту был в лучшем случае прохладным.

Американские военные сейчас пытаются возродить эту операцию. В 2020 году Военно-морская исследовательская лаборатория начала эксперимент на борту космического самолета X-37B ВВС, в ходе которого были успешно протестированы аппаратные средства для улавливания солнечного света и преобразования его в электрическую энергию постоянного тока.

Эксперимент NRL, однако, был только демонстрацией в космосе и не предназначался для передачи энергии, захваченной в космосе, обратно на землю. Если все пойдет по плану, эта возможность будет испытана Исследовательской лабораторией ВВС в ходе эксперимента стоимостью 100 миллионов долларов, запуск которого запланирован на 2025 год. 0005

Миссия AFRL под названием «Арахна» была задумана в ответ на военную логистическую задачу: обеспечить надежные источники энергии на строгих базах, где нет инфраструктуры. Сегодня топливо, используемое для работы генераторов поля, приходится перевозить на грузовиках, что превращает эти колонны в мишени для противников. AFRL считает, что доступ к солнечной энергии из космоса может помочь уменьшить эту уязвимость.

Лаборатория также утверждает, что усиление государственной поддержки этой технологии послужит сигналом для коммерческой отрасли и инвесторов, что расширит рыночные возможности.

«Подобно Глобальной системе позиционирования, которая начиналась как военный объект и превратилась в технологию, которая теперь используется людьми повсюду, эта система излучения солнечной энергии может перейти к более широкому использованию, обеспечивая солнечную энергию независимо от погоды, времени суток или широты», — сказал AFRL.

Компания Arachne совершила прорыв в прошлом месяце, когда инженеры AFRL и Northrop Grumman в лаборатории в Линтикуме, штат Мэриленд, продемонстрировали так называемую «многослойную плитку».

Плитка является важнейшим компонентом, обеспечивающим сбор и преобразование энергии, пояснил руководитель программы AFRL Джеймс Винтер. На одной стороне плитки есть панель фотоэлементов, которые получают солнечную энергию. Электроника в середине преобразует постоянный ток в радиочастотные сигналы, а на другой стороне плитки есть антенна для передачи энергии.

Теперь, когда плитка продемонстрирована, сказал Уинтер, следующим шагом будет выяснить, как поместить набор из девяти плиток в обтекатель ракеты, чтобы ее можно было запустить на орбиту на Northrop Grumman ESPAStar — автобусе, который может летать в качестве дополнительной полезной нагрузки на больших ракетах национальной безопасности. После развертывания спутника радиочастотная энергия будет направляться на приемную станцию ​​на земле, а затем выпрямляющая антенна будет преобразовывать радиочастотную энергию в полезную мощность.

Винтер сказал, что эксперимент 2020 года на борту X-37B дал полезную информацию о многослойном модуле, который применяется к Арахне.

Джей Патель, вице-президент программ дистанционного зондирования Northrop Grumman, отметил, что фотогальваника и радиочастотные преобразования являются хорошо изученными технологиями. «Но то, что мы смогли сделать, — это перевести их в среду, в которой мы хотим, чтобы они работали», — добавил он. «Arachne — это не столько изобретение, сколько инновация в том, как мы превращаем некоторые из этих проверенных и надежных технологий в миссию, которая действительно откроет новые возможности».

Космическая солнечная энергия получила широкое одобрение в ноябрьском отчете, опубликованном Космическими силами США, Отделом оборонных инноваций и AFRL. «Включение космической солнечной энергии в космическую и климатическую повестку Америки может не только дать еще одну стрелу в колчане для решения проблемы изменения климата, но и предоставить новые способы взаимодействия с промышленностью, общественностью и международными партнерами», — говорится в отчете.

Но, несмотря на военную поддержку и технический прогресс, космическая солнечная энергия сталкивается с крутым подъемом.