Фотоволтаици там, където слънцето винаги грее: в космоса

Сегашните слънчеви панели в космоса са твърде тежки, за да осигурят икономична енергия на Земята
(снимка: NASA)

Защо да не сложим фотоволтаиците там, където слънцето винаги грее – в космоса. „Това е идея, която е по-стара дори от космическата програма”, казва Хари Атуотър от Калифорнийския технологичен институт (Caltech). Той също мечтае за клъстер от блестящи слънчеви панели, реещи се високо в орбита над Земята върху голяма метална ферма, всички свързани към хардуер, който преобразува тока във форма, подходяща за пращане към Земята. Неограничена чиста енергия, доставяна денонощно – не е ли прекрасно?

През август Caltech обяви, че член на нейния борд на настоятелите е дал над 100 милиона долара, предназначени за насърчаване на развитието на космическа енергия. Моментът е малко странен, като се има предвид, че донорът – човек на име Доналд Брен – е започнал процеса преди повече от десетилетие. По онова време Брен описал интереса си към космическата енергия пред администрацията на университета, а оттам започнали да търсят други със сходни интереси, които евентуално биха били от значение за проекта.

„Първоначално бях много скептичен, защото това е идея, която е обсъждана много пъти. Че какво ново би могло да се направи?”, казва Атуотър, цитиран от Arstechnica. Но с течение на времето той постепенно се убедил, че са възможни различни подходи.

Атуотър със сигурност може да разчита на своя релевантен опит – той вече е създал спиноф* компания, фокусирана върху проектирането на ултралек фотоволтаичен хардуер. Към него са се присъединили изследователи от Caltech с взаимодопълващи се умения: Али Хаджимири, който е работил по хардуер за преобразуване на енергия, и Серджио Пелегрино – когото Атуотър нарича „един от световните лидери в разработването на леки разгръщащи се космически структури”.

Колективната работа е от решаващо значение за създаването на дизайн, който да представлява значителна промяна в мисленето в сравнение с по-ранните идеи.

Ефективност, но не само

„Ключовият параметър в космоса не е ефективността сама по себе си”, казва Атуотър. „Това е специфичната мощност, тоест мощността на единица маса. Това, което ни интересува най-много, са ватовете на килограм”. Той смята, че повечето от досегашните идеи не са лоши, но не биха могли да се реализират, защото „масата на единица площ и общата маса на полезен товар” са били твърде големи.

Фотоволтаичните системи в космоса обикновено използват високоефективни клетки с по три слоя за събиране на светлина, всеки от които е настроен за различни дължини на вълната на светлината. Тези клетки са най-добрият начин да извлечете най-много енергия от дадена единица площ. Сегашният дизайн на екипа обаче използва един слой фотоволтаичен материал, което дава по-голяма ефективност на единица маса.

Загубата на ефективност на единица площ се компенсира чрез разпръскване на фотоволтаиците върху голяма площ. Изследователите са постигнали това, използвайки гъвкава мембрана, която Атуотър описва като „по-тънка от най-тънката найлонова торбичка, която сте виждали”. Тази мембрана остава твърда с помощта на „структура на тенсегрити” – сравнително малка твърда структура, която се поддържа в правилната конфигурация чрез напрежение (на принципа на чадъра).

Но не са важни само фотоволтаиците. Друг основен източник на тегло е медното окабеляване, което ще се използва за пренасяне на тока до мястото, където се предава към Земята. Учените решават да се простят с тежкото окабеляване, поставяйки ограничения за това колко ток може да бъде пренесен към предавателя.

Космическият слънчев проект е фокусиран върху изграждането на малки, самостоятелни единици, наречени „плочки”, всяка със собствен предавател. Тази настройка ограничава общата мощност, която трябва да се носи от окабеляването, позволявайки много по-малки проводници. Това означава и, че преобразуването на енергията за предаване може да се управлява от малък силициев чип.

Отделните плочки ще бъдат вградени в по-голямата тенсегрити структура, планирана в момента за около 60 квадратни метра. Плочките са проектирани да се поберат в сгъната форма в обтекателите на текущия хардуер за изстрелване и след това да се разгърнат, след като се озоват в орбита. Всички плочки на структурата ще работят независимо. Все пак структурата ще осигури малките тласкащи устройства, необходими за поддържане на правилната ориентация в орбита.

„Електроцентрали” в космоса

Сама по себе си никоя отделна фотоволтаична структура няма да осигури много мощност, така че евентуалната космическа електроцентрала ще изисква множество структури, летящи във формация. Пълната инсталация ще включва цяла йерархия от компоненти – независимо функциониращи плочки, монтирани върху една структура, и по същия начин още множество структури, работещи заедно, за да генерират достатъчно мощност. Целият ансамбъл следва да бъде поставен в геостационарна орбита, така че да може да остане над една наземна приемна станция, докато продължава да събира слънчева светлина денонощно.

Съгласно плана, приемната станция да бъде със същия размер като голяма слънчева ферма от комунален клас. Ще се състои от голям набор от ректени, които ще преобразуват микровълните, изпращани от космоса, в използваема енергия. Но как би могла тази енергия да се излъчва към Земята по начин, който да е безопасен за хората?

Безопасност

Отговорът е във физиката, която управлява фокусирането на фотоните, казва Алтуотър. Комбинацията от бленда и дължина на вълната определя най-малката зона на фокус. Просто няма начин изходящата мощност да се фокусира от космическата инсталация надолу към зона, където би било опасно. Общият енергиен поток на честотите на микровълните в крайна сметка е същият, какъвто получавате от слънчевата светлина. „Можеш да минеш под него”, казва Атуотър.

Как става това по отношение на производството на енергия е малко сложно. В космоса ще добием 30 процента повече фотони за работа, отколкото на земята, и те са на разположение 24/7. В същото време генериращата система понякога трябва да бъде под ъгъл, по-малък от оптималния, за да остане в състояние да предава до целевата станция. Тогава ще загубим значителни дялове от тази енергия по време на преобразуване и предаване.

Как се балансира всичко? Зависи от предположенията, които правите, но Атуотър има груба оценка: „Произведената нетна мощност е малко повече, отколкото бихте получили, ако Слънцето беше над главите ни по обяд – само че 24 часа в денонощието”.

Следващи стъпки

Концепцията е готова, но предстои най-трудното – реализацията ѝ. Преди десетина години друга компания е опитала да направи комерсиализация на подобна технология, но без успех.

Сега Атуотър казва, че проектът „има за цел да създаде основната технология за производство на рентабилна и мащабируема космическа слънчева енергия”. Регистрирани са вече множество патенти. Но Атуотър и неговият екип трябва да намерят търговски партньори за действително внедряване. Тогава ще се види каква е рентабилността на проекта.

* спиноф се наричат нови компании, които са формирани с цел комерсиализация на технология, създадена в научен институт.