Создание солнечных орбитальных электростанций (СОЭС) вызвано резким ростом потребления электроэнергии. США и Япония уже создали свои проекты. Индия, Великобритания, Канада, Израиль добиваются государственного финансирования и с этой целью представили развёрнутые аналитические документы для подготовки соответствующей государственной программы и проведения исследований. Страны Юго-Восточной Азии (Тайвань, Таиланд, Вьетнам) получили гранты от Японии для проведения исследований по отдельным проблемам. Франция совместно с Германией, Бельгией, Италией и Испанией уже более 30 лет реализует европейскую программу изучения атмосферы и поверхности Солнца, обеспеченную государственным финансированием. США прорабатывают вопрос подписания акта об утверждении государственной программы финансирования данной отрасли.

Анализ состояния и тенденций развития солнечной космической энергетики ведущих стран (США, Япония) . 5/2017. Фото 1

В 2009 году в Японии была принята новая политика освоения космоса и утверждены программы исследований. Одной из пяти отобранных программ стала «Национальная программа разработки и создания солнечной электростанции Японии» мощностью 1,0 или 1,6 ГВт (в максимально благоприятных условиях). Парламент Японии уже утвердил программу с завершением работ до 2030 года с финансированием в $ 21 млрд. 86 конгрессменов парламента Японии объединили свои усилия и создали федерацию для её проведения. Впоследствии завершение программы было перенесено на 2040 год. Её осуществление поручено Министерству экономики, торговли и промышленности при участии Союза промышленников Японии («Кейданрэн»), Японское агентство аэрокосмических исследований (Japan Aerospace eXploration Agency, JAXA) и государственных университетов. Реализация проекта контролируется комиссией наблюдателей из ведущих специалистов страны, имеющих опыт проведения крупных проектов.

Практическая реализация проекта солнечной орбитальной электростанции поручена концерну Mitsubishi Heavy Industries совместно с Ishikawadzima Harima Industry и ещё с 16 крупными фирмамиразработчиками и производителями оборудования. Государственные университеты Японии подключены для исследования сопутствующих физических явлений в космосе и к разработке беспроводных методов передачи электроэнергии с орбиты на Землю.

Анализ состояния и тенденций развития солнечной космической энергетики ведущих стран (США, Япония) . 5/2017. Фото 2

В разработке технологий участвует пять государственных университетов — Токио, Киото, Осаки, Кобэ и Хоккайдо, которые готовятся к передаче электроэнергии с орбиты на землю по СВЧ-каналу. Японские учёные используют плоскую конструкцию полотен солнечных источников питания с уже опробованными технологическими решениями.

JAXA активно развивает исследования по лазерному и СВЧ-каналам. Отрабатываются технологии изготовления панелей размером несколько сот метров и толщиной в 0,1 м и сверхтонких зеркал плотностью 300 г/м². Требуемые для лазерных систем технологии сложны, и их разработка сопряжена с большими трудностями, чем в случае с техникой СВЧ-систем.

Анализ состояния и тенденций развития солнечной космической энергетики ведущих стран (США, Япония) . 5/2017. Фото 3

СВЧ-передача электроэнергии рассматривается базовым и прогрессивным методами. В базовом методе используется панель размером 2500 × 2375 м, соединённая кабелем со спутником. С одной стороны панели электроэнергия генерируется, а с другой стороны передаётся на землю. В прогрессивном методе СВЧ-передачи электроэнергии используется два сверхтонких солнечных отражателя диаметром по 2000 м, фокусирующих солнечное излучение на систему полупроводниковых устройств, преобразующих его в лазерный луч и связанных с панелью передачи СВЧ-излучения.

Данный метод является технологически передовым, кроме того, электростанция лучше ориентирована по отношению к Солнцу. Приём СВЧ-излучения будет осуществляться наземной антенной диаметром 3000 м.

В 2015 году JAXA завершила разработку научного модуля JEM (Japan Experimental Module). Спутник III Hisaki Sprint А, оснащённый специальной аппаратурой, разработанной университетами городов Киото и Осака, должен был быть запущен на орбиту ракетой Exilon. Запуск планировался на конец 2016 года. Планируется провести испытания по передаче с орбиты 1 кВт электроэнергии. В 2020 году будут проведены испытания по передаче с орбиты 2 МВт электроэнергии, а в 2025 году — 200 МВт.

Остро стоит задача снижения себестоимости электроэнергии до 23 центов путём увеличения эффективности работы аппаратуры. Общая эффективность преобразования солнечного излучения в электрический ток должна составить 50 %. Это требует получения эффективности конверсии постоянного тока в 80 %, эффективности поглощения лазерного луча на пункте приёма излучения в 90 %.

Университет Киото, проводящий изучение физики космической плазмы, поставил несколько экспериментов и просчитал на суперкомпьютере модель прохождения мощного СВЧ-излучения через данную субстанцию. Как выяснилось, космическая плазма мало влияет на СВЧ-луч, посылаемый со станции. Получены данные для разработки методов снижения отражённого излучения от принимающих антенн. Подготовлена программа измерения температуры и плотности электронов и возбуждаемых волн в условиях микроволнового излучения большой мощности. Разработано ретродирективное математическое обеспечение Adobe для микропроцессора, управляющего работой транспортного механизма оптических антенн на СОЭС.

Университет Киото разработал фазовоуправляемые магнетроны (PCM-ФУМ) на 2,45 и 5,8 ГГц, фазово-управляемые матрицы SPORT 2.45 и SPORT 5.8 (2,45 ГГц и 5,8 ± 75 МГц, соответственно — базовые частоты для работы на СОЭС). Ведётся разработка фазовои амплитудо-управляемого магнетрона (PACM-ФАУМ). Стабильность их частоты и ошибка по фазе и амплитуде должны быть менее 0,000001, что составит, соответственно, 1° и 1 %.

Разработан компьютерный передатчик СВЧ-энергии COMET с использованием магнетрона на 5,8 ГГц. Мощность его СВЧ-излучения составляет 280 Вт при соотношении мощности к весу менее 25 гр. COMET имеет DC-DC-конвертер, схему контроля фазово-управляемого магнетрона, блок теплоотдачи (32 % от веса передатчика), волновод и антенну.

Разработана технология антигравитационного раскрытия пакета гибких ёмкостей солнечных элементов в космосе.

«Дорожная карта» по поставкам электроэнергии будет подготовлена на четвёртом этапе проекта до его завершения.

Пути производства оптических антенн в США

Теоретическая разработка оптических антенн произведена доктором Джеффри К. Брауном (Jeffrey C. Brown) из Raytheon Corp. (США) в 1970 году. В 1990 году появились антенны для работы на частотах 5,8 и 8–10 ГГц, а также 35 МГц и 94 ГГц.

Уменьшение размеров принимающей антенны СОЭС достигалось методом прямого масштабирования до принимаемой длины волны солнечного излучения. Одновременно разрабатывались микродиоды-выпрямители с быстродействием, равным осцилляции солнечных волн. Для достижения высокой эффективности приборов и их низкой себестоимости создан ряд новых технологий.

В американском Технологическом институте Джорджии (Georgia Institute of Technology) доктор Баратунде А. Кола (Baratunde A. Cola) разработал приборы на основе многогранных углеродных нанотрубок, работающих как антенна для принятия солнечного излучения. Один миллиард наноантенн в матрице формирует заметный электроток. Достигнутая приборами эффективность пока небольшая, однако специалисты надеются поднять её путём улучшения техники преобразования солнечного излучения и полагают, что коммерческая оптическая антенна будет создана уже в 2017 году. Этот эффект будет использован для прямого преобразования солнечного излучения в электрический ток.

Используя углеродные нанотрубки, доктор Кола и его сотрудники получили патенты на оптические антенны нового типа в США, Европе, Японии и Китае.

Первоначально антенна была изготовлена на твёрдой подложке. Поставлена задача изготовить её на фольге или на тонком материале, который будет применяться в космосе для производства гибких солнечных элементов. Для повышения эффективности антенны рассматриваются новые материалы, увеличение количества нанотрубок до миллиарда единиц, снижение их диаметра и уменьшение сопротивления структур на несколько порядков. В США стремятся добиться эффективности оптических антенн в 40 %, тогда как в Японии эффективность оптических антенн составит 70–90 %.

Задержка в разработке антенн происходит из-за необходимости прямого преобразования солнечного излучения в лазерный луч. Проводимые по этой тематике НИОКР завершены в декабре 2016 года, и это определит выбор метода передачи электрической энергии и оценку её себестоимости. В связи с двойным применением технологии преобразования солнечного излучения в электроэнергию финансирование исследований осуществляют Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA), Тихоокеанский космический и военно-морской командный центр США (Space and Naval Warfare Systems Command, SPAWAR) и Американское ракетное общество (American Rocket Society, ARS).

В 1995–2003 годах американское Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space Administration, NASA) возобновило разработку СОЭС и добилась успеха в продвижении выбранных технологий. В сентябре 2011 года Международная академия аэронавтики (International Academy of Astronautics, IAA) приступила к изучению проектов СОЭС, подготовленных экспертами из десяти стран.

В конце 2011 года Джон К. Манкинс (John C. Mankins), ранее 25 лет возглавлявший NАSA, руководивший космическими программами и имевший в подчинении 3000 человек, совместно с Университетом Кобе (Kobe University) и Университетом Стратклайда (University of Stratclyde, Шотландия), предложил Biomimetric-концепцию создания солнечной электростанции Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Arra (SPS-ALPHA) ориентировочной стоимостью в $ 100 млрд.

Принятие большого количества новых решений, включая автоматизированную сборку, ремонт и обслуживание электростанции, новую конструкцию сборки оптических антенн «цветок», использование «искусственного интеллекта» и суперсовременных «умных» роботов увеличивает расходы по проекту. Признается вероятность значительного превышения себестоимости электроэнергии по сравнению с мировыми ценами.

Предлагаемый в США Biomimetric-подход к работе солнечной электростанции позволит также создать искусственные условия жизни на Луне, Марсе, астероидах. Принимая во внимание, что проект SPS-ALPHA создан одним из директоров NASA, он может быть утверждён.

Разработка антенны по нанотехнологии в Японии

Университет Киото проводит разработку оптических антенн по нанотехнологии, используя идеи и результаты работ в университетах США. Разработаны антенны с одним, 32-я и 97-ю волоконно-оптическими каналами с матрицей трёхкаскадных усилителей. Планируется увеличение количества каналов с лазерными диодами в одной матрице до тысячи, затем до миллиарда единиц, что усложнит технологию их изготовления, но снизит себестоимость солнечной электроэнергии.

В отличие от США, для изготовления оптических антенн в университетах Осаки и Киото используются прозрачные в области спектра 1,06 нм керамические Cr-Nd-пластины со слоем фосфатного стекла, легированного одновременно Eu и Nd для создания лазеров. В фосфатном стекле формируются волоконно-оптические каналы диаметром 1–10 нм. Осуществлена разработка новых электронно-лучевых, рентгеновских и молекулярно-лучевых установок, позволяющих легировать фосфатное стекло сразу двумя элементами — Eu и Nd.

Разработан микропроцессор для автоматического управления перемещением антенн транспортным механизмом «автобусного типа» по большим плоскостям солнечных источников питания, обслуживания и ремонта СОЭС и для точного наведения лазерного или СВЧ-луча на приёмную станцию на Земле. Программа управления микропроцессором создана под руководством Университета Осаки.

Прямое преобразование солнечного света в энергию излучения лазера уменьшит размеры антенны, упростит конструкцию станции и снизит её вес. При этом оптическая антенна, расположенная на Земле, должна быть с высокой точностью направлена на матрицу антенны на СОЭС, а нацеливание СВЧ-луча потребует сверхточного соответствия фаз миллиарда антенн на борту СОЭС. Для этого JAXA решила направить пилотный сигнал с земли на антенну в космосе с использованием кодированного сигнала для проведения операции пуска-передачи электрической энергии.

Работы по оптическим антеннам в других странах

В настоящий момент в Индии в Университете Хиндастана (Hindustan University) изучается возможность использования длинноволновых твердотельных лазеров с резонансной накачкой диодов, что сейчас рассматривается как реальная альтернатива обычным иттрий-ортованадатным (Nd:YVO4) твердотельным лазерам для беспроводной трансмиссии электроэнергии. Также изучается возможность использования длинноволновых лазерных диодов на InGaAsP и на AlInGaAs материалах на InP-подложках.

Заключение

В соответствии с японской программой JAXA в 2018–2020 годах намечено проводить испытания в космосе всех технологий создания СОЭС и поставлять электроэнергию на искусственный остров, создаваемый в Токийском заливе, на котором будет установлено 5 млрд антенн для приёма СВЧ-излучения. Руководители Национального проекта Японии считают, что проект перешёл с фазы лабораторных исследований к фазе демонстрации технологий в космосе. В университетах Киото и Осаки изготовлена аппаратура для первой демонстрации технологии беспроводной передачи электроэнергии в 1 кВт с орбиты и поставлена задача начать практическую эксплуатацию СОЭС в 2040 году. По мнению JAXA, «в этот момент Япония вышла на первое место в мире по практическому созданию СОЭС».