https://frosthead.com

Mis saab päikeseenergiast edasi? Kuidas oleks kosmosega

Mõelge sellele, mida teate puhaste energiaallikate kohta. Mis on rohelisem?

Arvatavasti tulevad meelde hüdroelektri-, maasoojus-, tuule- ja päikeseenergiaallikad. Ehkki nad on keskkonnasõbralikud, on neil kõigil olulised piirid energia tootmisel ja kasutamisvõimalustel. Ehkki päikeseenergia osas on tõesti lahedaid edusamme, saavad päikesepaneelid energiat toota vaid päikese paistel.

Lahendus on siis ilmne. Minge sinna, kuhu päike kunagi ei looju: kosmosesse.

See on teadlaste, teadlaste ja ettevõtjate nägemus nii USA-s kui ka Jaapanis, Hiinas ja Euroopas. Ehkki seda ideed on vähemalt 1970. aastatest alates pekstud, on seda korduvalt läbi vaadatud ja sellest loobutud, sest kõigi osade sinna üles toomine ja inimeste kokku panemine oli võimatult kallis. Ainult ülikergete, masstoodangus satelliitide ja korduvkasutatavate korduvusrakettide tulekuga on kosmose päikesest reaalsuseks muutmine palju raskem.

Kosmosepõhise päikesekogumissüsteemi ehitamiseks on kümneid ideid, kuid põhiline sisu on midagi sellist: käivitada ja robotiliselt monteerida mitusada või tuhat ühesuurust moodulit geosünkroonsele orbiidile. Üks osa koosneb peeglitest, mis peegeldavad ja kontsentreerivad päikesevalgust päikesepaneelidele, mis muudavad energia elektrienergiaks. Muundurid muudavad selle elektrienergia madala intensiivsusega mikrolaineteks, mis edastatakse maapinna suurtele ümmargustele vastuvõtjatele. Need antennid muundavad mikrolained tagasi elektrienergiaks, mida saab sisestada olemasolevasse võrku.

John Mankins, kes veetis 25 aastat NASA-s ja Caltechi reaktiivmootorite laboratooriumis, sai NASA täiustatud kontseptsioonide instituudist raha 2011. aastal, et täpsustada oma kosmose päikeseelektrijaama kontseptsiooni üksikasjalikumalt. Kosmose päikeseenergia reaalsuseks muutmiseks vajalik tehnoloogia ja inseneriteadused on juba olemas, kuid nagu iga uue kalli idee puhul, tuleb see ka tagasilöögiks ja ülemmääraks.

"See pole nagu termotuumasüntees - sellega pole seotud uut füüsikat, " ütleb Mankins, viidates ITER-ile 35 riigi koostööle termotuumareaktori rajamiseks Prantsusmaal. “Seal pole mingit salajast kastet. See on rahaline takistus, et saada raha elementide arendamiseks ja selleks vajaliku uue arhitektuuri tutvustamiseks. ”

Mankini ja teiste hinnangul on kosmosepõhise päikeseenergiajaama kõigi komponentide arendamise, ehitamise, käivitamise ja kokkupaneku kogukulud suurusjärgus 4–5 miljardit dollarit - murdosa 28 miljardi dollari hinnasildist Hiina Kolme kurgu tammil. Mankinsi hinnangul võiks täismõõdus komponentidega töötav mudel olla 100 miljoni dollari eest. Võrdluseks - Tennessee oru administratsiooni hiljuti valminud Watts Bari tuumajaama ehitamiseks kulus algusest kuni kokutamiseni 43 aastat ja see maksis 4, 7 miljardit dollarit.

Kriitiliselt tuleb öelda, et see, mida tarbijad maksaksid - kilovatt-tunni hind - peab olema samas palli pargis tavaliste söe, maagaasi ja tuumaenergiaga toodetud energiaallikatega, mille hind jääb vahemikku 3–12 senti kilovatt-tunni kohta. Hüdroelektrijaam võib olla hämmastavalt odav, alla ühe sendi kilovatt-tunnist, kuid ainult siis, kui teil on õnn elada piirkonnas, kus on ohtralt suure voolujõega jõgesid, näiteks Kanada ja Wisconsini osades. Ka geotermiline energia on väga ökonoomne, registreerides sissetulekut 3 senti kilovatt-tunnis, kuid peate islandlastelt küsima, kuidas neile elektriarved meeldivad. Ja tuule eestkõnelejad avaldasid möödunud aastal uudist, et selle taastuva ressursi kulud on langenud 2, 5 senti kilovatt-tunnis.

Californias asuva energiaettevõtte Solaren tegevjuht Gary Spirnak on absoluutselt oluline, et hind oleks väikeste kahekohaliste numbrite või isegi ühekohaliste sendidena kilovatt-tunni kohta.

Spirnaki ettevõte on heaks kiidetud Californias päikeseenergia pakkujana ning tal on varem olnud tarnekokkuleppeid Pacific Gas and Electricuga, kuid tema ärimudel põhineb täielikult nende energia tootmisel kosmosest kogutud päikeselt. Solaren peab praegu läbirääkimisi uute lepingute sõlmimiseks ühe või mitme kommunaalteenuse pakkujaga. Ettevõttel on oma disainilahenduste patente nii USA-s kui ka Euroopas, Venemaal, Hiinas, Jaapanis ja Kanadas ning ta on millalgi järgmisel aastal taganud esimese rahastamisvooru oma komponentide tehnoloogiate laboripõhiseks tutvustamiseks. Spirnak loodab veenda investoreid toetama 250-megavatise võimsusega katsejaama arendus- ja testimisfaasi lõpuks ehk viie aasta jooksul.

Kosmose päikeseenergia tööks on vaja kahte nurgakivistruktuuri. Esiteks, pooljuhtvõimendid, mis muudavad kogutud päikesevalgusest saadud elektrienergia tõhusalt raadiosageduslikeks laineteks, ja maapealsed vastuvõtjad, mis muudavad raadiosageduslained tagasi elektrienergiaks.

Paul Jaffe hoiab termilise vaakumi katsekambri ees mereväe uurimislabori rekordilist, patenteeritud kosmosepäikese "sammu" muundamise moodulit. (Paul Jaffe) Kosmose päikeseenergia prototüüp: seda päikesevalgusest mikrolainele muundamise moodulit kosmose päikeseenergia jaoks oli esimene, mida katsetati kosmosesarnastes tingimustes. Kosmoserobootikat kasutataks tuhandete kokkupanemiseks kosmose päikesesatelliidi saatja loomiseks. (Paul Jaffe) Selles termilises vaakumis ja simuleeritud päikesevalgustuse katserajatises katsetati NRL-i kosmose päikeseenergia muundamise mooduli prototüüpe. (Paul Jaffe)

Washingtonis asuvas mereväe teaduslabori insener Paul Jaffe töötas välja kollektsioonimooduli kahe prototüübi, mida ta nimetab “võileivaks”, kuna päikesekollektor, toitemuundur ja raadiosaatja on kõik koos puruks -võlli paksus kaks tolli. Iga üksiku mooduli mass määrab lõppkokkuvõttes maa peal jaotatud elektrienergia hinnakujunduse; vattides ühe käivitatud kilogrammi kohta tuli Jaffe sõnul plaatide põhikujunduseks umbes 6 vatti kilogrammi kohta.

Võttes arvesse seda väljundvõimsust, 20-aastast päikeseelektrijaama kasutusiga, käivitamiskulusid 2500 dollarit kilo ja komponentide endi erinevaid kulutaset, arvutab Jaffe, et kui mass vähenes ja võimsus tõuseks 500 vatti kilo, siis võrdub maksumus 3 senti kilovatt-tund.

"Massi vähendamiseks isegi väga lihtsate toimingutega jõuame 100 vatti kilogrammi kohta ja 1000 vatti kilogrammi kohta pole hullu, " ütleb ta. "Praegu müügil oleva päikeseenergiatehnoloogia abil saate väga häid tulemusi ja me kanname iga päev taskus neid väga tõhusaid, kergeid raadiosagedusmuundureid."

Raadiosagedusmuundurid on mobiiltelefonide tööpõhjus - telefonid on põhimõtteliselt ülistatud raadiosaatjad, mille signaale aitab signaalireleejaamade võrk. Telefoni muundurid tõlgivad raadiolaineid meile arusaadavateks andmeteks - heli - ja vastupidi. See tehnoloogia on Caltechi kosmosepäikese uurimisel keskse tähtsusega - sealsete teadlaste ja inseneride ning Northrop Grummani koostöös.

Spirnak ütleb, et Solareni töö viimastel kuudel on peamine tõuge olnud just nende moodulite kaalu vähendamine. Ehkki korduvkasutatavad raketid vähendaksid üldisi tootmiskulusid veelgi, ei hoia Spirnak lähiajal hinge kinni; ta kavatseb Solareni komponentide kosmosesse viimiseks kasutada tavalisi raskeveokitega sõidukeid.

"Veetsime palju aega halastamatult süsteemist kaalu eemaldades, " räägib Spirnak. "Saame pakendada üksikud suured elemendid üksikutele kanderakettidele koos huvitavate origami-funktsioonidega", kuigi kogu süsteemi kosmosesse toimetamiseks on siiski vaja mitu ülirasket kanderaketti.

Jaffe ütleb, et kõige tavalisem küsimus, mille ta kosmosepäikesest rääkides saab, pole mitte see, kas seda saab teha või tuleks teha, vaid see, kui ohtlik on kosmosest tulev energiakiir. Kas pole kiireid linde ja lennukeid taevas, kui nad läbi tala lähevad?

"Kui istud päikeselisel pärastlõunal 15 minutit õues, ei saa te põleda, " selgitab ta. „Meie raadiod, telerid ja mobiiltelefonid ei tee meile süüa ja need kõik on sagedusel, mida pakutakse. IEEE [Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituut] on juba seadnud ohutuspiirangud [mikrolaineülekandel], seega kavandate süsteemi, et veenduda, et võimsus jaguneb suurele alale. See ei muutu kogemata surmakiirteks. ”

Parimate kulude ja kaalu suhte, mastaabisäästlikkuse ja keskmise tuumaelektrijaama võrreldava elektritootmisvõimsuse (1–2 gigavatti) saamiseks peaks kosmose päikeseenergia kogumise massiivi läbimõõt olema umbes kilomeeter.

Maapinnal olevad kogumisvastuvõtjad peaksid olema vastavalt suured - selleks, et kosmosepõhine päikeseenergiajaam genereeriks umbes ühe gigavatt-energia energiat, kiirgaks ühe kilomeetri (.62 miili) päikesekollektor energiat 3, 5-kilomeetrisele (2 miilile) ) vastuvõtja maapinnal. Selleks oleks vaja umbes 900 aakri suurust ala. Võrdle seda Solar Stari päikesepaneelide tehasega Californias, mis on praegu USA suurim päikeseenergia utiliit, mis võtab enda alla 3200 aakrit.

Raadiosageduslikul jõuülekandel on üks märkimisväärne puudus: „ohutud” lainepikkused, mis ei murdu ka millegi nii lihtsa vastu, nagu vihm, on juba ülerahvastatud, ummistunud regulaarsete raadiosaatete kaudu, samuti sõjaliste, tööstuslike ja satelliitide kasutamisel.

Kosmose päikeseenergia kriitikud, kelle seas on silmapaistev Tesla Elon Musk, väidavad, et kogu vajamineva energia teisendamise ja ümberehitamise tõttu pole majandusliku ulatuse efektiivsust lihtsalt võimalik saavutada.

Kuid Jaffe loodab, et vana termotuumasünteesi pragu ei saa ka kosmose päikeseenergia kohta tõeks: "Viimase 60 aasta jooksul on möödunud kümme aastat, " naerab ta.

Mankins rõhutab, et kui prognooside kohaselt kasvab kogu maailma rahvastiku kasv sajandi lõpuks 11, 3 miljardini ja peaaegu kogu arengumaailmas on plahvatusoht, siis väärib päikeseenergia kosmosevaldkond nii avaliku sektori kui ka erasektori partnerite tõsiseid investeeringuid. Ta ütleb, et rikkalik puhas energia on vajalik inimese põhivajaduste rahuldamiseks, aga ka keskkonna hävitamiseks, kui kogu see energia pärineb tavapärastest allikatest.

"Kui energiaallikate segu kardinaalselt ei muutu, ei pääse me kuidagi süsinikuneutraalsesse, " ütleb Mankins. Samuti ei saa te 800 miljonile Hiinas elavale inimesele öelda, et nad peavad jääma täielikku vaesusesse. Tänapäeva süsiniku kasutamist tuleb mitte ainult tasakaalustada, vaid oodata ka 70 aastat ja kuidas korvata tänane kasutamine kolm korda. Vajame tõesti suuri lahendusi. ”

Mis saab päikeseenergiast edasi? Kuidas oleks kosmosega