Идеята за използване на фотоволтаични панели в космоса, където слънцето винаги грее, е наистина впечатляваща и представлява потенциално революционно решение за доставка на безгранична и чиста енергия на Земята. Тази концепция е добре позната от десетилетия, но в настоящия момент технологичният напредък и наличието на сериозни интереси засилват възможността за реализация на такъв проект.
Хари Атуотър от Калифорнийския технологичен институт (Caltech) разглежда възможността за създаване на кластер от блестящи слънчеви панели, разположени на висока орбита около Земята, които да генерират енергия и да я преобразуват във форма, подходяща за предаване към Земята. Това може да предостави непрекъсната и стабилна енергийна доставка, независимо от времето на деня и нощта.
Проектът включва сътрудничество с други изследователи от Caltech, които имат опит в областта на фотоволтаичните технологии и хардуера за преобразуване на енергия. Този междисциплинарен подход е съществен за създаването на иновативен и ефективен дизайн, който да промени начина, по който мислим за използването на соларна енергия.
Идеята за слънчеви панели в космоса предизвиква интерес и изследвания в тази посока продължават. Макар и да има технологични и инженерни предизвикателства, възможността за непрекъсната и почти безгранична енергийна доставка прави този проект много привлекателен за бъдещето.
Ефективност, но не само
Фокусът в разработката на фотоволтаици в космоса се различава от този на земните инсталации. Както посочва Хари Атуотър от Caltech, ключовият параметър не е само ефективността на панелите, а специфичната мощност – колко много мощност може да се генерира на килограм материал.
Този фокус води до използването на високоефективни фотоволтаични клетки с по три слоя за събиране на светлина, които са настроени за различни дължини на вълната на светлината. Това позволява извличането на максимално количество енергия от дадена площ. Въпреки това, сегашният дизайн, разработен от екипа, използва само един слой фотоволтаичен материал, но с голяма ефективност на единица маса.
Загубата на ефективност на единица площ се компенсира чрез разпръскването на фотоволтаичните панели върху голяма площ. Това се постига чрез използването на гъвкава мембрана, която се поддържа в правилната конфигурация чрез структура на тенсегрити – система, която използва напрежение, за да поддържа стабилността на структурата. Този подход позволява по-голямо покритие и по-голямо събиране на енергия, без да се компрометира специфичната мощност.
Освен фотоволтаичните панели, ефективността и теглото на окабеляването са съществени фактори при проектирането на космическа соларна енергийна система. Медното окабеляване, което пренася тока от фотоволтаичните панели до мястото на предаване на Земята, може да представлява значително количество маса и да затрудни изграждането на системата.
За да се справят с този предизвикателство, учените се фокусират върху концепцията на „плочки“ – малки, самостоятелни единици, всяка със собствен предавател. Този подход ограничава общата мощност, която трябва да се пренася през окабеляването, което позволява използването на много по-малки проводници. Този дизайн означава, че енергията за предаване може да бъде управлявана от малък силициев чип.
Всички плочки ще бъдат интегрирани в по-голямата тенсегрити структура, която ще бъде разгърната в орбита. Това позволява плочките да бъдат компактно разположени и транспортирани в сгъната форма. При достигане на орбита структурата се разгърва, а всяка плочка работи независимо. Този дизайн предоставя гъвкавост и управляемост, като същевременно осигурява стабилна ориентация в орбита чрез малки тласкащи устройства.
Този иновативен подход към дизайна на системата за предаване на космическа соларна енергия демонстрира как учените преодоляват техническите предизвикателства, свързани със създаването на ефективна и устойчива инфраструктура за генериране и предаване на енергия от космоса.
„Електроцентрали” в космоса
Единичните фотоволтаични структури не могат да доставят значителна мощност, затова за космическата соларна електроцентрала се планира формация от множество структури, летящи в синхронна орбита. Тази комплексна инсталация ще включва разнообразни компоненти – независимо функциониращи плочки, монтирани на общи структури, които работят синхронно, за да генерират достатъчно енергия. Целият комплекс трябва да се постави в геостационарна орбита, така че да остане над определена наземна приемна станция, като продължава да събира слънчевата светлина денонощно.
Според плана, наземната приемна станция ще има сходни размери с голяма слънчева ферма от комунален клас. Тази станция ще включва голям набор от антени и ректени, които ще извличат енергията от микровълните, изпращани от космическата инсталация, и ще я преобразуват в използваема форма на енергия. Въпреки това остава въпросът как тази енергия може да се предава към Земята по начин, който да е безопасен за хората?
Безопасност
Отговорът на въпроса е във физиката, която регулира фокусирането на фотоните, според Хари Атуотър. Съчетанието от бленда и дължината на вълната определя най-малката област на фокус. Просто няма начин излъчваната мощност да се фокусира от космическата инсталация надолу към зона, където да е опасно. Общият поток на енергия от микровълни е в същата честотна област, както този от слънчевата светлина. Атуотър обяснява, че може дори да се мине под този поток.
Процесът на генериране на енергия обаче може да бъде сложен. В космоса получаваме около 30% повече фотони за производство на енергия, в сравнение с тези на Земята, и те са налични 24/7. Въпреки това системата за генериране на енергия понякога трябва да бъде на по-нисък ъгъл, отколкото е оптималният, за да осигури предаване до целевата станция. Това обаче може да доведе до загуби на енергия по време на преобразуването и предаването.
Балансът се определя от различни предположения, но Атуотър прави оценка, че произведената нетна мощност би била малко повече от тази, която бихте получили, ако Слънцето беше във върховата точка над главите ни по обяд – само че това се случва 24 часа в денонощието.
Следващи стъпки
След като концепцията е изградена, предстои най-трудният етап – нейната реализация. Преди около десет години друга компания се опита да комерсиализира подобна технология, но този опит не беше успешен.
Сега Атуотър обявява, че този проект има за цел да създаде основната технология за производство на рентабилна и мащабируема космическа слънчева енергия. Вече са регистрирани множество патенти в тази област. Въпреки това, Атуотър и неговият екип трябва да намерят търговски партньори, които да помогнат за реалното внедряване на проекта. Тогава ще стане ясно каква ще бъде рентабилността на този проект.
Терминът „спиноф“ се използва за описване на нови компании, които се създават с цел комерсиализация на технологии, разработени в научни институции.