Космическая солнечная энергетика (КСЭ): Глобальные перспективы, технологии и конкуренция в сфере чистой энергии

Краткое резюме

Космическая солнечная энергетика (КСЭ) — концепция сбора солнечной энергии в космосе и ее беспроводной передачи на Землю — привлекла внимание правительств по всему миру. Это потенциальное решение для удовлетворения будущих мировых потребностей в энергии. Европейское космическое агентство отмечает, что один солнечный спутник может генерировать около 2 ГВт бесперебойной мощности, что эквивалентно обычной атомной электростанции.

Несколько стран и регионов уже изучают перспективы КСЭ. Если технологические исследования, разработки и демонстрации в Китае, Японии, Великобритании, Европе и США, а также усилия частного сектора пойдут по плану, то:

орбитальные демонстрации киловаттного масштаба (Китай, Япония и США) станут реальностью в течение пяти лет (2025–2030 гг.);
пилотные установки мегаваттного масштаба появятся в течение 10 лет (2030–2035 гг.);
первые коммерческие энергетические спутники гигаваттного масштаба будут запущены через 15–25 лет (2040–2050 гг.).

Технология КСЭ включает пять основных компонентов: системы запуска, орбитальная сборка, улавливание солнечной энергии, передача энергии и наземные приемные станции. Благодаря достижениям в области искусственного интеллекта, технологий солнечных панелей, материаловедения, многоразовых ракет и беспроводной передачи энергии, КСЭ, вероятно, станет частью нашего ближайшего будущего.

В данном отчете рассматривается текущее состояние технологий КСЭ и их потенциал в качестве решения растущего мирового спроса на энергию при поддержке обязательств по декарбонизации. Помимо анализа причин актуальности КСЭ, мы провели интервью, чтобы раскрыть технологическую готовность ключевых компонентов, оценить международный ландшафт государственных политик и инициатив, а также рассмотреть ключевые факторы для политиков. Реализация пилотных установок КСЭ на орбите станет значительным шагом на пути к доступу к избыточной и чистой энергии, что, вероятно, изменит весь энергетический ландшафт.

Введение

Мировая энергетическая гонка ускоряется: страны по всему миру наращивают усилия по поиску масштабируемых источников энергии. Из-за волатильности энергетических рынков, быстрого роста энергоемких отраслей и обязательств по достижению «чистого нуля» (см. Врезку 1), политики осознали, что существующие источники энергии экономически и экологически неустойчивы. Хотя первоначальный оптимизм в отношении альтернативных источников энергии — таких как геотермальная, гидроэнергетика, атомная энергетика, солнечные фотоэлектрические системы и ветроэнергетика — обеспечил значительные инвестиции, теперь очевидно, что такие источники пока не могут удовлетворить крупномасштабные потребности в энергии из-за проблем с масштабируемостью, хранением и передачей.

ВРЕЗКА 1: Декарбонизация

Основным мотивом, определяющим динамику инициатив в области КСЭ, является глобальный фокус на декарбонизации и целях достижения чистого нулевого уровня выбросов. Поскольку энергетический сектор вносит наибольший вклад в глобальные выбросы, он считается наиболее нуждающимся в срочной декарбонизации. В этом контексте общепринятым путем является постепенная электрификация энергопотребления и переход на 100% экологически чистые источники электроэнергии. К 2050 году ожидается, что мировой спрос на электроэнергию утроится и составит примерно 70 000 ТВтч ежегодно, при этом 90% будет поступать из ВИЭ. Хотя этот путь включает масштабирование мощностей солнечной и ветровой энергии, на долю которых сейчас приходится около 10% мировой генерации, ожидается, что эти источники (в сочетании с биотопливом, геотермальной и гидроэнергией) покроют лишь две трети общих потребностей. В результате альтернативные крупномасштабные решения, такие как КСЭ, привлекли внимание как надежные инструменты глобальной декарбонизации.

КСЭ привлекла внимание правительств как потенциальное решение для будущих глобальных энергетических нужд. Несмотря на амбициозность, эта концепция представляет собой применение и масштабирование существующих технологий и не требует фундаментальных научных прорывов. NASA впервые исследовало КСЭ в 1970 году и обнаружило, что, хотя это было непомерно дорого, технологически проект был осуществим уже тогда. Последние достижения, приведшие к удешевлению запусков, повысили экономическую жизнеспособность КСЭ, и отрасль быстро набирает обороты.

Правительства и предприниматели соревнуются в разработке технологий. Агентства Китая, ЕКА, Японии, Великобритании и США запускают масштабные инициативы. В ближайшие годы запланирован ряд критических этапов: Japan Space Systems и ВВС США в 2025 году, затем Китай в 2026 году и частные компании Space Solar и Virtus Solis в 2027 году. В случае успеха многомегаваттные пилотные установки будут выведены на орбиту в ближайшие пять лет.

КСЭ как будущая возможность

Затронутые сектора: Автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и авиация, энергетика, нефть и газ, ВИЭ, финансовые услуги и инвестиции, инфраструктура и строительство, ЖКХ.
Ключевые слова: Энергия, спутники, солнечная фотовольтаика (PV), космос, передача энергии.
Драйверы и тренды: Международное сотрудничество, новые материалы, чистый нуль, космическая экономика, расширенные возможности связи.
Технологии: Космические технологии, сенсорные технологии, энергетика следующего поколения.
Наиболее значимый мегатренд: Энергетические границы.

Перспективы космической солнечной энергетики

Аргументы в пользу КСЭ основаны на обещании постоянной и безграничной чистой энергии. Улавливание солнечной энергии с помощью спутников в космосе значительно эффективнее, чем на земле, из-за отсутствия циклов дня и ночи, сезонных колебаний, погодных условий и атмосферного затухания — не говоря уже о том, что место сбора находится ближе к солнцу. Результатом является предсказуемый, непрерывный и высокоинтенсивный солнечный поток.

С точки зрения генерации, КСЭ является потенциально масштабируемым источником базовой нагрузки, то есть энергоснабжением, которое «всегда включено» и способно стабильно удовлетворять минимальные требования электросети. Это дает преимущество перед наземными солнечными и ветровыми станциями, которые требуют огромных решений по резервированию и хранению для компенсации их прерывистости (т. е. они вырабатывают электричество только при наличии солнечного света или ветра).

Такая прерывистость создает проблемы для операторов энергосистем, которые при росте доли переменных ВИЭ не могут гарантировать наличие достаточной мощности в нужный момент или поддерживать частоту и напряжение. Например, страны и регионы с высокой долей внедрения ветровой и солнечной энергии, такие как Германия и Калифорния (США), столкнулись с нестабильностью сети и необходимостью ограничения избыточной генерации. Интеграция больших долей ВИЭ требует значительных инвестиций в модернизацию сетевой инфраструктуры, хранение энергии и гибкую резервную генерацию. Хотя другие решения в области чистой энергии (гидроэнергетика, атомная энергетика и, в меньшей степени, геотермальная энергетика) могут обеспечить базовую нагрузку, они также сталкиваются с рядом проблем при масштабировании (см. Врезку 2).

ВРЕЗКА 2: Проблемы масштабирования возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

Масштабирование таких ВИЭ, как солнечная, ветровая и геотермальная энергия, сталкивается с рядом технологических и экономических проблем:

Прерывистость и интеграция в сеть: Солнечная и ветровая энергия — это прерывистые источники. Эта изменчивость затрудняет работу операторов систем, которые не могут поддерживать стабильность сети при росте доли таких источников.
Географические ограничения: Лучшие возобновляемые ресурсы распределены неравномерно. Ветряные и солнечные фермы часто строятся в отдаленных районах, далеко от населенных пунктов. Геотермальная энергия привязана к конкретным участкам с высоким тепловым потоком. Это означает, что расширение ВИЭ ограничено локацией: избыточный потенциал одного региона сложно передать в другой без протяженных линий электропередачи.
Высокий начальный CAPEX: Строительство инфраструктуры ВИЭ требует существенных первоначальных инвестиций. В частности, геотермальные станции имеют очень высокий CAPEX...
Ограничения инфраструктуры передачи: Масштабирование ВИЭ неразрывно связано с расширением передающих сетей. В настоящее время во всем мире проекты ветровой и солнечной энергетики суммарной мощностью почти 1500 ГВт находятся в пайплайне, ожидая подключения к сети из-за нехватки пропускной способности. Без строительства новых линий электропередачи для транспортировки энергии от новых ферм проекты часто простаивают или их выработка принудительно ограничивается.

Помимо прерывистости, возобновляемые источники энергии создают и другие проблемы, связанные с хранением энергии (см. Врезку 3). Хотя эти трудности не уникальны для ВИЭ, их можно избежать при использовании КСЭ.

ВРЕЗКА 3: Проблема хранения энергии для ВИЭ

Способность накапливать избыточную солнечную или ветровую энергию имеет решающее значение, но остается серьезным барьером для масштабируемости из-за изменчивости поставок.

Технологические ограничения: В настоящее время существует лишь ограниченное число технологий хранения (ГАЭС, водородные хранилища, литий-ионные батареи). Однако каждое из этих решений сталкивается с собственными вызовами: географическими ограничениями, неэффективностью преобразования и проблемами с поставками материалов.
Стоимость: Хранение энергии в промышленных масштабах остается крайне дорогим. Хотя стоимость батарей резко упала за последнее десятилетие, развертывание достаточного количества аккумуляторов для резервного копирования сети на много часов или дней обходится дорого. Например, одна из крупнейших в мире аккумуляторных установок — Nova Power Bank в Калифорнии — способна обеспечивать энергией около 680 000 домов на срок до четырех часов, а ее строительство обошлось в 1 млрд долларов.
Ориентация на краткосрочное хранение: Большинство доступных сегодня решений подходят для кратковременного использования, в то время как длительное хранение остается сложной задачей. Большинство регионов по-прежнему полагаются на электростанции на ископаемом топливе в периоды низкой выработки ВИЭ и дефицита энергии.
Альтернативы на ранней стадии: Хотя исследователи активно изучают такие решения, как передовые проточные батареи и технологии power-to-gas (водород или аммиак), эти технологии находятся лишь на стадии пилотных проектов и еще не внедрены повсеместно.

Когда речь заходит о передаче энергии, КСЭ также предлагает критическое преимущество — высокую диспетчеризируемость, так как спутники КСЭ могут располагаться на геостационарной орбите и доставлять энергию в разные точки Земли при изменении направления луча. Таким образом, спутники КСЭ могут снабжать потребителей в районах, географически удаленных от энергосетей (например, в отдаленных частях Европы или Африки), устраняя необходимость в дорогостоящих и уязвимых линиях электропередачи (см. Врезку 4). Технология КСЭ позволит создать неисчерпаемый источник чистой энергии, позволяя странам расширить существующий энергобаланс.

«Преодоление проблем стоимости, лицензирования и старения инфраструктуры передачи принесет выгоду всей энергосистеме, что делает этот вопрос критически важным для энергетической политики в ближайшие десятилетия».

ВРЕЗКА 4: Проблемы масштабирования передачи электроэнергии

Передача энергии является ключевым связующим звеном между предложением и спросом. Однако расширение инфраструктуры сопряжено с серьезными трудностями: строительство и модернизация линий электропередачи капиталоемки и требуют многих лет работ.

Инвестиционный разрыв: В глобальном масштабе инвестиции в передачу и распределение должны удвоиться и превысить 600 млрд долларов в год к 2030 году, чтобы удовлетворить растущий спрос и подключить новые источники генерации.
Надежность и устойчивость: Устойчивость сетей к штормам и периодам сильной жары вызывает всеобщую обеспокоенность. Большинство крупных блэкаутов вызвано сбоями в передаче или распределении, часто спровоцированными погодными условиями.
Угрозы безопасности: Инфраструктура передачи все чаще становится целью кибератак (например, атака на украинские энергокомпании в 2015 году; кибератака на Colonial Pipeline в 2021 году; атаки на подстанции в Северной Каролине в 2022 году). Защита инфраструктуры через резервирование сетей, прокладку линий под землей и усиленное наблюдение становится растущим приоритетом.
Экологическое воздействие: Установка линий должна учитывать чувствительность местной среды. Например, прокладка линии через лес может фрагментировать среду обитания, а при отсутствии должного обслуживания линии могут стать причиной лесных пожаров (как это случалось в Калифорнии).

Почему космическая солнечная энергетика набирает обороты именно сейчас

Хотя ведущие космические агентства десятилетиями изучали потенциал технологии КСЭ, сейчас она быстро набирает обороты благодаря двум основным трендам:

Технологические достижения в космической отрасли и, как следствие, экономическая целесообразность.
Потребность в идентификации масштабируемых источников энергии для обеспечения энергетической безопасности и выполнения климатических обязательств.

В совокупности эти факторы выступают как главные драйверы возобновления интереса к технологии, выводя КСЭ на передний план глобальных инноваций. Одним из ключевых достижений, повысивших экономическую эффективность КСЭ, стал прорыв в индустрии запусков. После периода относительной стабильности с 1970-х годов стоимость запуска резко упала в 2010-х годах после коммерциализации экономически эффективных многоразовых ракет, таких как Falcon 9 от SpaceX. Стоимость вывода груза снизилась с 20 000 долларов за килограмм в 1970–2000 гг. до 1 400 долларов за килограмм в 2018 году, что устранило одно из главных исторических препятствий для КСЭ. Рост конкуренции со стороны частного сектора и дальнейшее развитие технологий указывают на то, что стоимость запусков продолжит снижаться. Ожидается, что ракета Falcon Heavy от SpaceX еще больше сократит расходы — до 1 000 долларов за килограмм.

Кроме того, кардинально улучшились технологии солнечных панелей для космического применения. Традиционные технологии космических фотоэлементов на основе арсенида галлия и германия были крайне дорогими, что ограничивало потенциальный масштаб структур КСЭ. Однако инновации привели к разработке радиационно-стойких кремниевых солнечных элементов, которые обеспечивают долговечные и значительно более дешевые решения для сбора энергии, устойчивые к деградации в космосе. Компания Solestial, работающая в частном секторе, уже поставляет радиационно-стойкие решения, стоимость которых на 90% ниже традиционных многопереходных солнечных элементов.

Технология беспроводной передачи энергии (БПЭ), с помощью которой собранная в космосе энергия направляется на Землю, также продемонстрировала значительный рост эффективности. Микроволновое излучение считается наиболее безопасным вариантом, так как оно с наименьшей вероятностью оказывает негативное влияние на флору и фауну (если только луч не направлен на отдельный объект в течение длительного времени). Оно также устойчиво к неблагоприятным погодным условиям, таким как облачность, дождь или туман. Более мощные передатчики и приемные антенны теперь обеспечивают более высокий коэффициент преобразования постоянного тока, а текущие испытания постоянно подтверждают прогресс технологии.

Среди недавних наземных экспериментов стоит выделить испытание Исследовательской лаборатории ВМС США (NRL) в 2022 году, которое стало самой масштабной демонстрацией передачи энергии за последние 50 лет: 1,6 кВт на расстояние 1 км. Частная компания EMROD разработала систему БПЭ, в которой комбинация передатчиков и приемников позволяет достичь эффективности до 95%, а аэрокосмическая фирма Airbus успешно доказала эффективность своей технологии БПЭ в 2022 году. Однако одним из наиболее критических достижений стал 2023 год, когда команда под руководством Калифорнийского технологического института (Caltech) осуществила первую БПЭ с прототипа на орбите на наземный приемник, направленный с тестового спутника.

С точки зрения масштабируемых источников энергии КСЭ особенно привлекательна, так как она предлагает внутреннюю альтернативу в сфере возобновляемых источников энергии (ВИЭ), которая повышает энергетическую независимость и устойчивость перед лицом сбоев и прочих геополитических неопределенностей. Британская инициатива Space Energy Initiative (SEI) заявила, что развертывание КСЭ может обеспечить значительную долю электроэнергии страны из космоса.

Компании в новых отраслях, движимых технологиями и инновациями, также вносят свой вклад в нарастающую динамику вокруг потребности в масштабируемых источниках энергии. Новые энергоемкие отрасли, такие как центры обработки данных и производство водорода, все чаще не могут полагаться исключительно на пропускную способность существующих электросетей для удовлетворения своих энергетических потребностей. Многие такие компании ищут долгосрочные решения и уже сотрудничают с разработчиками технологий КСЭ для определения будущих параметров энергоснабжения. Этот импульс вокруг КСЭ, включая государственные и частные инвестиции и инициативы, приводит к ускорению разработки технологий по всем ключевым компонентам системы. Коммерциализация или технологическая готовность этих компонентов определят скорость, с которой текущие демонстрации перерастут в крупные коммерческие солнечные фермы гигаваттного масштаба.

Технологии космической солнечной энергетики сегодня

По мере того как технология КСЭ продолжает развиваться — напрямую или как побочный эффект других разработок — крайне важно понимать как технологическую готовность, так и международный ландшафт, чтобы предвидеть будущие сценарии. В данном разделе рассматривается текущее состояние ключевых компонентов КСЭ и основные международные инициативы, формирующие траекторию развития этой отрасли.

КСЭ по своей сути состоит из пяти ключевых передовых технологий: ракетные запуски, орбитальная сборка, солнечные элементы, БПЭ и наземные приемные станции. Чтобы крупномасштабная КСЭ была экономически жизнеспособной (т. е. экономически эффективной и производительной), энергия, собранная в космосе, должна иметь конкурентоспособную цену по сравнению с энергией, собираемой на Земле. Важно отметить, что некоторым частям КСЭ еще предстоит достичь полной технологической готовности, поскольку они пока не являются экономически эффективными и в настоящее время используются только в мелкомасштабных специализированных космических приложениях.

Как показано на Рисунке 1, космические солнечные спутники состоят из:

солнечных отражателей, предназначенных для направления солнечного света на солнечные панели; 2. солнечных панелей и передатчиков, основной функцией которых является преобразование отраженного солнечного света в высокочастотные микроволны; 3. системы передачи энергии, которая транслирует микроволны на наземные приемные антенны.

Для развертывания спутника в рамках более широкой системы КСЭ требуются пять ключевых технологий.

Технологии запуска

Технологии и стоимость запусков в совокупности являются критически важным компонентом КСЭ, поскольку развертывание спутника потребует нескольких последовательных запусков. Прежде всего, чтобы снизить сложность вывода в космос одного крупного и тяжелого объекта, различные компоненты спутника нужно будет транспортировать отдельно, что потребует проведения нескольких миссий для окончательного развертывания. Со временем потребуются дополнительные запуски для технического обслуживания. Учитывая, что технологии запуска уже коммерчески жизнеспособны, а затраты постоянно снижаются по мере роста конкуренции в отрасли и увеличения общего числа пусков, эксперты, опрошенные для этого отчета, согласились, что данный компонент КСЭ представляет собой низкий риск для коммерциализации.

Рисунок 1. Обзор конструкции CASSIOPeiA > 1. Солнечный свет > 2. Солнечные отражатели, солнечные панели и передатчики > 3. Передача энергии (радиоволны) > Ширина: 1 700 м

«Растущее число космических миссий потребует расширения энергетических решений, что будет стимулировать спрос на массовое производство солнечных элементов и дальнейшее повышение их экономической эффективности».

Орбитальная сборка

Достижения в области робототехники и автономной сборки открывают потенциал для создания солнечных массивов в космосе без участия человеческих экипажей. Поскольку компоненты спутников КСЭ будут доставляться в космос по отдельности, их необходимо будет собирать на орбите с помощью роботов. Хотя роботизированная сборка уже используется в космических миссиях, специфические технологии еще предстоит адаптировать для строительства спутников КСЭ. В конечном итоге потребуется их массовое производство для достижения эффекта масштаба и обеспечения экономической эффективности КСЭ. Этот компонент требует значительных доработок для достижения полномасштабной коммерциализации, учитывая огромный спектр робототехнических технологий, которые необходимо наладить.

Генерация энергии

В существующих космических миссиях уже используются солнечные элементы; например, Международная космическая станция в настоящее время имеет восемь основных солнечных панелей. Значительные инновации и повышение экономической эффективности устойчивых к космическим условиям солнечных элементов указывают на то, что текущие разработки продолжат усиливать эффективность элементов для нужд КСЭ. Опрошенные эксперты сошлись во мнении, что этот компонент уже достиг стадии коммерциализации. Со временем растущее число космических миссий потребует все больше энергетических решений, что подстегнет спрос на массовое производство солнечных элементов и дальнейшее снижение их стоимости.

Беспроводная передача энергии (БПЭ)

Солнечная энергия, собранная спутниками КСЭ, может передаваться на Землю либо с помощью микроволнового излучения, либо с помощью лазерных лучей. Эксперты отметили: несмотря на то, что технология уже была продемонстрирована, проведение все более масштабных испытаний, повышающих ее эффективность и дальность, поможет приблизить БПЭ к коммерциализации и применению в КСЭ. Примерами могут служить крупные космические демонстрации, запланированные на ближайшие несколько лет Японией, Китаем, компаниями Virtus Solis, Space Solar и Airbus.

Наземные приемные станции

Энергия, передаваемая со спутников, будет приниматься на Земле и преобразовываться в полезную мощность с помощью «ректенны» (выпрямляющей антенны) или наземной приемной станции, состоящей из антенн, преобразующих микроволновые лучи в электроэнергию постоянного тока. Опрошенные эксперты отметили, что, хотя ректенны десятилетиями демонстрировались в лабораторных условиях, а исследователи успешно проектировали и тестировали их для преобразования микроволновых и радиочастотных сигналов в электричество, необходимы дальнейшие испытания для интеграции ректенн со спутниковыми системами и системами передачи энергии. Таким образом, технология ректенн находится на высоком уровне готовности, хотя ее все еще необходимо интегрировать в более широкие системы КСЭ для выхода на рынок.

ВРЕЗКА 5: Дополнительные инновационные солнечные технологии и конструкции (неисчерпывающий список) > Помимо традиционных спутников, исследовались или исследуются несколько инновационных концепций и конструкций солнечных технологий.

Орбитальные космические отражатели: Это крупномасштабные структуры в космосе, которые отражают концентрированный солнечный свет на Землю для питания солнечных панелей в течение более длительного времени. Для увеличения количества получаемого света широкие панели на орбите направляют дополнительное излучение на наземные солнечные фермы, увеличивая выработку энергии примерно на 15–20 минут при каждом проходе и повышая годовой объем выработки энергии на величину до 60% без модификации наземной инфраструктуры. Хотя космические отражатели могут увеличить отдачу существующих наземных солнечных ферм, они не обеспечат по-настоящему масштабируемого решения по сравнению с технологией КСЭ.

Разнообразные конструкции спутников: За прошедшие годы было предложено несколько различных конструкций систем КСЭ, таких как Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array (SPS-ALPHA); Constant Aperture, Solid-State, Integrated, Orbital Phased Array (CASSIOPeiA); и, с недавних пор, Korean Space Solar Power Satellite (K-SSPS).

Все компоненты КСЭ либо уже коммерциализированы, либо адаптируются для коммерческого использования. Критически важным следующим шагом являются крупномасштабные интегрированные демонстрации, доказывающие работоспособность всей системы КСЭ в сборе. Правительства запускают эти демонстрации, чтобы проложить путь к созданию пилотных станций мультимегаваттного класса в ближайшие пять-десять лет.

Sps-alpha

Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array (Солнечный энергетический спутник на базе произвольно большой фазированной антенной решетки)

Это ведущая разработка в области КСЭ, созданная Джоном Манкинсом. Множество небольших модулей схожей формы собираются в космосе в единую крупную структуру. Эти модули представляют собой тонкопленочные зеркала, используемые для преобразования солнечного света в когерентные микроволновые лучи и передачи созданной энергии на ректенны на Земле. SPS-ALPHA охватывает ряд новых технологий, таких как облегченная структурная система, передовые солнечные элементы с эффективным теплоотводом и БПЭ с использованием антенны для высокоэффективной передачи энергии на Землю.

Cassiopeia

Constant Aperture, Solid-State, Integrated, Orbital Phased Array (Твердотельная интегрированная орбитальная фазированная решетка с постоянной апертурой)

Разработанная Иэном Кэшем, главным архитектором компании Space Solar, система CASSIOPeiA использует модульную интеграцию на уровне длины волны. Ее уникальная конструкция не имеет движущихся частей и постоянно обращена к солнцу без необходимости наклона. Данная структура отличается легкостью и компактностью; она спроектирована таким образом, чтобы разворачиваться при запуске в космос без дополнительной поддержки. Благодаря отсутствию движущихся частей конструкцию можно вывести на орбиту в качестве единой полезной нагрузки и развернуть в космосе для получения максимального количества энергии.

Международный ландшафт космической солнечной энергетики сегодня

Значительная часть технологических демонстраций КСЭ проводится или финансируется правительствами, которые разработали комплексные инициативы и дорожные карты. Эти меры направлены не только на дальнейшее испытание и развитие технологических систем, составляющих основу КСЭ, но и на формирование более широкой экосистемы, в которой КСЭ станет критически важной отраслью национальной промышленности в космическом и энергетическом секторах.

Китай

Китай становится ведущим игроком в развитии КСЭ. В 2021 году правительство и академические круги КНР создали Комитет по космической солнечной энергии (CSSP) и представили четкую дорожную карту, детализирующую различные этапы исследований. Ожидается, что Китай завершит первый этап исследований в 2026–2028 годах, запустив в космос демонстрационную установку киловаттного класса. За этим последует испытание мегаваттного масштаба в 2030 году (этап 2) и вывод спутника гигаваттного класса в 2050 году (этапы 3 и 4).

В соответствии с этим планом китайские исследователи уже построили первую в мире интегрированную наземную испытательную базу для КСЭ — «Чжури» (Zhuri). На этом объекте они провели полноцикловую наземную проверку системы космической солнечной энергии, включая улавливание солнечного света, преобразование в микроволны, передачу луча и обратное преобразование в приемнике. Также были протестированы ключевые технологии, включая высокоэффективные концентраторы, микроволновые передатчики, системы управления лучом и прием на ректенну. Система успешно передала энергию на расстояние более 55 метров и оптимизировала управление лучом. CSSP также проводит ежегодные конференции для отчета о прогрессе, организует молодежные конкурсы по разработке конкретных технологий КСЭ и издает специализированный научный журнал, посвященный исследованиям в этой области.

Усилия Китая тесно связаны с его долгосрочной энергетической стратегией, в которой КСЭ рассматривается как способ наращивания мощностей экологически чистой энергии. Тем не менее, Китай также стремится к международному партнерству в сфере КСЭ и участвует в профильных международных конференциях. Если Китай достигнет своих промежуточных целей (демонстрации в 2026–2028 и 2030 годах), он займет лидирующие позиции, что может подтолкнуть другие страны к ускорению своих программ, потенциально активизируя глобальные усилия и увеличивая международные инвестиции в технологии КСЭ.

Европейское космическое агентство (ека)

В то время как Китай фокусируется на проведении демонстраций к 2028 году, ЕКА установило собственный график и в 2022 году запустило комплексную инициативу по КСЭ под названием SOLARIS. Поводом стал энергетический кризис, который усилил государственные стимулы к укреплению энергетической безопасности и отказу от импорта ископаемого топлива. Необходимость разработки долгосрочных климатических стратегий вывела вопросы энергобезопасности и поиска крупномасштабных решений в области чистой энергии на передний план государственных приоритетов.

В 2022 году ЕКА заказало два независимых исследования экономической эффективности КСЭ у консалтинговых компаний Frazer-Nash и Roland Berger. Авторы пришли к выводу, что к 2040 году КСЭ сможет обеспечивать дома и предприятия Европы электроэнергией по конкурентоспособным ценам, вытесняя ископаемое топливо и дополняя существующие ВИЭ (такие как солнечные фотоэлектрические панели и ветрогенераторы), а также снижая потребность в крупномасштабных хранилищах энергии. Исследования показали, что при масштабном развертывании КСЭ обеспечит Европе существенные экологические, экономические и стратегические выгоды, включая энергетическую безопасность.

В отчетах также отмечалось, что, хотя для сбора гигаватт энергии в космосе все еще требуется значительное технологическое развитие, Европа уже обладает основными «строительными блоками», а разработки в необходимых технологических областях найдут широкое применение как на Земле, так и в космосе. С этой целью подготовительная инициатива ЕКА SOLARIS призвана обосновать техническую, политическую и программную жизнеспособность КСЭ для Европы.

Дорожная карта ЕКА предусматривает, что исследования будут сосредоточены на возможности разработки:

маломасштабного демонстратора к 2030 году;
пилотной космической солнечной электростанции к 2035 году;
электростанции коммерческого масштаба к 2040 году.

В рамках плана деятельности SOLARIS ЕКА совместно с европейской промышленностью проводит исследования и технологические разработки для подтверждения технической осуществимости и оценки преимуществ, вариантов реализации, коммерческих возможностей и рисков технологий КСЭ.

Япония

Япония на протяжении десятилетий является пионером в исследованиях КСЭ: ее первые испытания БПЭ были проведены еще в 1983 году, что было обусловлено потребностью в импорте энергии и высоким технологическим потенциалом страны. В стране действует скоординированная дорожная карта с участием правительства, академических кругов и промышленности, которая предусматривает коммерциализацию КСЭ к 2040-м годам.

За прошедшие годы Япония достигла значительных результатов, таких как демонстрация микроволновой БПЭ мощностью 1,8 кВт с высокоточным управлением в 2015 году. Также были протестированы методы роботизированной сборки и лазерная передача энергии в меньшем масштабе.

Японский консорциум, возглавляемый Киотским университетом и Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA), работает над проектом под названием OHISAMA, целью которого является проведение испытаний по передаче энергии из космоса на Землю к 2025 году. План включает запуск малого спутника, оснащенного солнечными панелями и микроволновым излучателем. Команда уже продемонстрировала БПЭ на земле и планирует протестировать передачу энергии с самолета на землю на расстоянии нескольких километров. Этот поэтапный подход (земля — самолет — орбита) предназначен для постепенного доказательства работоспособности технологии. Если орбитальная демонстрация 2025 года увенчается успехом и удастся передать даже несколько ватт или киловатт на наземную станцию, это станет мировым рекордом для Японии (не считая испытания сверхмалой мощности, проведенного Калифорнийским технологическим институтом).

Великобритания

Великобритания в 2022 году создала Инициативу по космической энергии (Space Energy Initiative, SEI) для развития направления космической солнечной энергетики после того, как Министерство бизнеса, энергетики и промышленной стратегии страны опубликовало отчет, анализирующий техническую осуществимость, стоимость и долгосрочную экономическую жизнеспособность КСЭ. Исследование пришло к выводу, что космическая солнечная энергетика технически возможна, доступна по цене и может принести Великобритании существенные экономические выгоды.

Цель SEI — создать первую орбитальную демонстрационную систему КСЭ к 2030 году и начать поставку электроэнергии в сеть к 2040 году. Первое поколение солнечных энергетических спутников (SPS) должно быть введено в эксплуатацию к середине 2040-х годов, заменив значительную часть устаревших мощностей Великобритании, работающих на ископаемом топливе. В состав SEI входят представители правительства, научно-исследовательских институтов и промышленных предприятий энергетического и космического секторов.

Соединенные штаты

Соединенные Штаты имеют долгую историю исследований в области КСЭ, но лишь недавно возобновили масштабные усилия. НАСА изучало эту концепцию в 1970-х и 1990-х годах, но отсутствие экономической целесообразности препятствовало дальнейшим разработкам. В последнее время различные агентства США приступили к НИОКР в области КСЭ.

В 2023 году Управление технологий, политики и стратегии НАСА опубликовало крупный отчет, анализирующий жизнеспособность КСЭ к 2050 году. Министерство энергетики США также провело серию семинаров по космической солнечной энергии, связав ее с более широкой энергетической стратегией.

Исследовательская лаборатория ВВС США (AFRL) инвестирует в космическую передачу солнечной энергии для военных нужд в рамках программы «Поэтапные демонстрации и исследования космической солнечной энергии» (SSPIDR). Основная цель — обеспечение энергией удаленных баз, куда доставка топлива затруднена. AFRL запускает серию экспериментов, ключевым из которых является Arachne — спутник, который протестирует преобразование солнечной энергии в микроволны с помощью инновационной решетки и направит их на приемную антенну. Запуск Arachne запланирован на 2025 год. Эти проекты, движимые оборонными заказами, направлены на проверку КСЭ в малом масштабе и совершенствование компонентных технологий (таких как высокоэффективное преобразование солнечной энергии и управление лучом). В случае успеха военные могут стать якорным заказчиком КСЭ, что ускорит развитие отрасли.

Научно-исследовательская лаборатория ВМС США (NRL) разработала Vanguard 1 — первый в мире спутник на солнечных батареях, запущенный в 1958 году. С тех пор NRL участвовала во множестве исследовательских проектов по солнечной энергии, включая следующие инициативы, связанные с SPS:

Фотоэлектрический радиочастотный антенный модуль (PRAM): Первый орбитальный эксперимент с SPS был запущен в рамках шестой миссии космического самолета ВВС США в мае 2020 года. Космический самолет нес и тестировал «сендвич-модуль», разработанный NRL. Он также включал фотоэлектрический модуль для проверки жизнеспособности систем КСЭ путем преобразования солнечного света в микроволны и анализа процесса преобразования энергии и полученных тепловых характеристик.
LEctenna: Эта ректенна на основе светодиодов преобразовала сигнал беспроводной сети в электрическую энергию в ходе эксперимента на Международной космической станции в феврале 2020 года.
Передача энергии с помощью лазера: В 2019 году NRL провела успешную демонстрацию наземной системы передачи энергии с использованием инфракрасного лазера.
Передача микроволновой энергии: В 2021 году NRL передала 1,6 кВт на расстояние более 1 км.

Различные страны и блоки, развивающие КСЭ, имеют сопоставимые графики реализации: в ближайшие пять лет ожидаются первые пилотные проекты и демонстрации, а запуск станций гигаваттного масштаба запланирован через 10–20 лет. Хотя до сих пор усилия в основном соответствовали национальным и институциональным приоритетам, в будущем, вероятно, потребуется усиление сотрудничества и координации между различными ведомствами.

Различные страны и блоки, развивающие КСЭ, имеют сопоставимые графики реализации: в ближайшие пять лет ожидаются первые пилотные проекты и демонстрации, а запуск станций гигаваттного масштаба запланирован через 10–20 лет.

Критический путь к коммерциализации космической солнечной энергетики

Согласно нашему исследованию, развитие КСЭ, вероятно, пройдет через три фазы (см. Рисунок 2):

Орбитальные демонстрации киловаттного масштаба (Япония, США, Китай) в течение пяти лет (2025–2030 гг.).
Пилотные заводы мегаваттного масштаба в течение 10 лет (2030–2035 гг.).
Первые коммерческие энергетические спутники гигаваттного масштаба в течение 15–25 лет (2040–2050 гг.).

Хотя для реализации коммерческой жизнеспособности КСЭ не требуется фундаментальных научных прорывов, этот путь осложнен сложными инженерными и логистическими препятствиями. Недавние успехи, такие как первая демонстрация передачи энергии из космоса, проведенная Калтехом в 2023 году, и снижение стоимости запусков, возродили оптимизм. Тем не менее, многие из опрошенных нами экспертов сошлись во мнении, что без прорывных достижений в нескольких технологических системах КСЭ будет сложно стать чем-то большим, чем нишевым дополнением к наземным ВИЭ.

Требования к запуску и орбитальной сборке

Несмотря на падение стоимости запусков и развитие технологий многоразового использования ракет, транспортировка компонентов спутников (или всех компонентов КСЭ в целом), как ожидается, останется дорогой. Проекты большинства систем КСЭ предполагают, что конструкции будут иметь размеры в сотни метров или несколько километров и весить тысячи тонн, что делает развертывание сложным и дорогостоящим. Орбитальная сборка таких крупных конструкций — еще одна критическая проблема, которую еще предстоит решить. Поскольку вмешательство человека на геостационарной орбите неосуществимо, автономные или роботизированные системы должны стать способными к точной крупномасштабной сборке и техническому обслуживанию в космосе именно конструкций КСЭ.

Безопасность и эффективность беспроводной передачи энергии

КСЭ опирается на преобразование солнечной энергии в микроволны или лазерное излучение, передачу этой энергии на расстояние примерно 36 000 км и последующее обратное преобразование в электричество на Земле, при этом на каждом этапе происходят заметные потери энергии. Микроволновая передача (предпочтительный вариант) требует антенн километрового масштаба в космосе и на Земле, точного управления лучом и высоких стандартов безопасности во избежание вреда людям или дикой природе. Повышение эффективности передачи и выпрямления радиочастотных сигналов имеет важное значение для того, чтобы КСЭ стала экономически конкурентоспособной.

Терморегулирование в космосе

На орбите избыточное тепло от солнечных панелей и передающей электроники рассеивается только за счет излучения, что добавляется к и без того высокому тепловому фону в космосе. Чрезмерное накопление тепла может ухудшить характеристики солнечных панелей и повредить электронику. Опрошенные эксперты согласились, что балансировка сбора солнечной энергии и отвода тепла без добавления избыточной массы и создания помех для передачи энергии является сложной инженерной задачей.

Космический мусор, риск столкновений и утилизация после вывода из эксплуатации

Крупные спутники имеют повышенный риск столкновения с космическим мусором, особенно на переполненных орбитах. Даже небольшие объекты могут повредить критические компоненты КСЭ, в результате чего поврежденный спутник сам может стать крупным источником мусора. Стратегии схода с орбиты или утилизации конструкций километрового масштаба после окончания срока службы остаются неразработанными и потребуют скоординированного международного надзора.

Ключевые аспекты для директивных органов в области космической солнечной энергетики

Для стран, еще не участвующих в развитии КСЭ, потенциальное участие будут определять два стратегических фактора: скорость достижения технологической зрелости компонентов КСЭ и уровень международной координации в космосе и в сфере КСЭ.

По мере ускорения технологического прогресса в области компонентов КСЭ — за счет стран, которые уже инвестировали в эту сферу — входные барьеры будут постепенно снижаться. Снижение стоимости запусков, совершенствование систем беспроводной передачи энергии и масштабируемое производство могут позволить большему числу стран принять участие в проектах, даже не имея ведущих программ.

Глобальный масштаб и орбитальный охват инфраструктуры КСЭ потребуют беспрецедентного сотрудничества. Необходимы механизмы управления для решения вопросов развертывания, управления спектром, распределения орбитальных позиций, регулирования энергетических лучей и воздействия на окружающую среду. У стран, еще не вовлеченных в процесс, все еще есть возможность помочь в формировании этих структур.

Помимо мониторинга политических и технологических разработок в области КСЭ, страны, оценивающие потенциальное участие, могли бы начать с анализа соответствия этой технологии их национальным энергетическим и космическим стратегиям. В случае актуальности они могут:

рассмотреть возможность интеграции технологий, связанных с КСЭ (например, робототехника, беспроводная передача энергии (WPT), ректенны), в существующие программы и инициативы в области НИОКР;
реализовать маломасштабные демонстрационные проекты и эксперименты для внесения вклада в базу знаний и формирования национальных компетенций;
установить партнерские отношения со странами, уже занимающимися КСЭ, и рассмотреть возможность участия в совместных семинарах или организации глобального диалога по КСЭ и необходимым факторам для будущих инвестиций;
изучить возможность строительства наземных приемных станций на случай реализации проектов КСЭ в будущем и предварительно включить потребности инфраструктуры КСЭ в будущие градостроительные планы;
повысить уровень осведомленности о международной координации в космосе и сфере КСЭ.

В ближайшие годы мы станем свидетелями нескольких миссий по проверке концепций, которые подтвердят, насколько мы близки к решению ключевых проблем. Продолжение инноваций в технологиях компонентов КСЭ наряду с устойчивыми финансовыми обязательствами по полномасштабным демонстрациям, вероятно, сократит разрыв между КСЭ и другими конкурирующими энергетическими технологиями, открывая прогнозируемую рыночную возможность в 2 триллиона долларов США и позиционируя КСЭ как важный элемент будущего глобального энергобаланса.

2 ТРИЛЛИОНА ДОЛЛАРОВ США — оценочный объем рыночных возможностей КСЭ.

Заключение

Преимущества и трансформационное воздействие КСЭ неоспоримы. Постоянная чистая энергия стала бы сценарием, меняющим правила игры для большинства стран, и позволила бы сформировать совершенно новую экономическую и политическую реальность. Осознавая это, дальновидные правительства и компании разрабатывают технологии КСЭ, ориентируясь не только на текущий темп прогресса, но и на долгосрочные выгоды и цели.

Достижение всех перспектив КСЭ будет зависеть от развития ключевых вспомогательных технологий. Хотя долгосрочные выгоды очевидны, преодоление текущих инженерных и логистических препятствий имеет решающее значение. Успехи, достигнутые в любой из составляющих технологий КСЭ, будь то беспроводная передача энергии или роботизированное производство, имеют бесчисленное множество применений во всех отраслях промышленности на Земле и в космосе. Таким образом, усилия по развитию этих технологий могут привести только к сценарию взаимного выигрыша (win-win) для всех участников.

Как и в случае с вечной мотивацией космической науки и исследований, решения технических проблем не всегда могут быть найдены прямым путем. Многие задачи требуют постановки более высоких целей и работы в экстремальных условиях, что заставляет инженеров, ученых и институты разрабатывать решения с большей точностью. Ограничения, присущие космическим применениям, неизбежно повышают эффективность и точность любой технологии, позволяя ей превзойти технологии, разработанные исключительно для наземного использования.

...более высокие цели и более экстремальные условия, требуя от инженеров, ученых и институтов разработки решений с более высокой точностью. Ограничения, присущие космическим применениям, неизбежно повышают эффективность и точность любой технологии, позволяя ей превзойти технологии, разработанные исключительно для наземного использования.

Учитывая, что энергия является одним из наиболее критических факторов любого экономического роста, все жизнеспособные энергетические решения заслуживают изучения. Оценка потенциальной ценности КСЭ с помощью простого сравнения стоимости за кВт⋅ч не может охватить экономическую ценность непрерывной чистой энергии, которая не требует хранения или резервного копирования, поскольку нет четкой картины других потенциальных конкурирующих источников, которые могли бы предложить сопоставимую ценность. Страны могут инвестировать в КСЭ ради энергетической безопасности или технологического превосходства, соглашаясь на более низкую окупаемость инвестиций в чисто финансовом выражении в первые годы. Например, статус первой страны, разработавшей технологию космической солнечной энергии, может обеспечить государству прочные позиции в том, что может стать критически важной энергетической отраслью во второй половине XXI века. Масштабные и долгосрочные инициативы таких стран, как Китай и Япония, указывают как на стратегическую, так и на экспансионистскую мотивацию. Тем не менее, участие субъектов частного сектора в исследовании и инвестировании в технологии КСЭ также является важной тенденцией; хотя государственные космические программы обычно проводят исследования для поддержки долгосрочных национальных целей, инвестиции со стороны частного сектора свидетельствуют о краткосрочном коммерческом потенциале.

Действия

Оригинал

Перевод

Mindmap

AI Q&A