Представьте себе глядя на Токийский залив с высоты и, видя, искусственный остров в гавани, длиной 3 км. Массивный чистая растягивается над островом и усеяна 5000000000 крошечных выпрямительных антенн, которые преобразуют энергию СВЧ в DC электроэнергии. Также на острове есть подстанция, которая посылает, что электричество пробегает по подводного кабеля в Токио, чтобы помочь сохранить заводы в Keihin промышленная зона гудение и неоновые огни Сибуя ярко сияет.

Но вы не можете даже увидеть самое интересное. Несколько гигантских солнечных коллекторов в геостационарную орбиту сияют микроволновые печи до острова с 36 000 км над Землей.
Но вы не можете даже увидеть самое интересное . Несколько гигантских солнечных коллекторов в геостационарную орбиту сияют микроволновые печи до острова с 36 000 км над Землей .

Это было предметом многих предыдущих исследований и вещи из научной фантастики на протяжении десятилетий , но космическая солнечная энергия могла бы , наконец, стать реальностью и в течение 25 лет , в соответствии с предложением исследователей в Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA ) . Агентство, которое является мировым лидером в исследованиях по космических систем солнечной энергии , в настоящее время технологии дорожную карту , которая предполагает ряд наземных и орбитальных демонстраций , ведущих к разработке в 2030-х годов из1- гигаватт коммерческая система - примерно столько же выход в качестве типичного атомной электростанции.
Вскоре после мы, люди изобрели на основе кремния фотоэлектрических элементов для преобразования солнечного света в электричество , более 60 лет назад , мы поняли, что пространство было бы лучшее место, чтобы выполнить эту конверсию . Эта концепция была впервые предложена официально в 1968 году американской аэрокосмической инженера Петра Глейзер . В основополагающей работе , он признал проблемы построения , запуска и эксплуатации этих спутников , но утверждал , что улучшение фотоэлектрические и проще доступ в космос в ближайшее время сделает их достижимыми. В 1970-х , НАСА и министерство энергетики США осуществляется серьезные исследования по космической солнечной энергии , и на протяжении многих десятилетий после , различные типы солнечных спутников электростанций (SPSS ) были предложены . Нет таких спутников не было орбиту еще из-за опасений в отношении расходов и технической осуществимости . Соответствующие технологии добились больших успехов в последние годы, однако . Пора еще раз взглянуть на космической солнечной энергии.

А коммерческие СПС , способные производить 1 ГВт будет величественное сооружение весом более 10 000 тонн и размером в несколько километров в поперечнике. Для завершения и эксплуатации энергосистемы на основе таких спутников , мы должны были бы продемонстрировать мастерство шести различных дисциплинах: беспроводной передачи энергии , космических транспортных , строительных крупных структур на орбите , спутниковое ориентации и контроля орбиты , энергетики, и управления питанием . Из этих шести задач , это беспроводная передача электроэнергии , что остается наиболее сложной. Так вот где JAXA сконцентрировал свои исследования .
Беспроводная передача власть была предметом исследования , так как опыты Николы Тесла, в конце 19-го века . Тесла лихо начал строить 57 - метровую башню на Лонг-Айленде в Нью-Йорке в 1901 году , надеясь использовать его для мощности пучка для таких целей , как движется дирижабли , но его финансирование было отменено прежде чем он смог осуществить свою мечту .

Чтобы отправить власть над измерения расстояний в миллиметрах или сантиметрах , например , для зарядки электрическую зубную щетку от своей базы или электрическое транспортное средство от индукции проезжей части - электромагнитное работает отлично. Но мощность передачи на большие расстояния может быть достигнуто только путем эффективного преобразования электричества в любом лазера или микроволнового пучка.

Основные преимущества и недостатки лазерного метода как относятся к его короткой длиной волны , который был бы вокруг 1 мкм для этого приложения. Такие длины волн могут быть переданы и получены относительно небольших компонентов : передающей оптики в пространстве будет измерять около 1 метра для установки 1- GW , а принимающая станция на земле будет состоять из нескольких сотнях метров . Тем не менее, лазернаякоротковолновый часто будет заблокирован атмосферу; Молекулы воды в облаках будет поглощать или рассеивать лазерный луч , как они это делают солнечный свет. Никто не хочет Солнечной системы власти космической , которая работает только тогда, когда небо чистое .

Но микроволны , например , те, с длинами волн от 5 до 10 сантиметров - не было бы таких проблем в передаче . Микроволновые печи также имеют преимущество эффективности для космической системы солнечной энергии , где власть должна быть преобразованы в два раза : сначала от власти DC микроволновых борту спутника , то от микроволновых печей , чтобы постоянного тока на землю. В лабораторных условиях исследователи добились около 80 процентов эффективности в этом преобразования энергии на обоих концах. Электроника компании в настоящее время стремится к достижению таких темпов в коммерчески доступных компонентов, таких как в усилителях мощности на основе нитрида галлия полупроводников, которые могут быть использованы в микроволновых передатчиков.

В своем стремлении к оптимальной конструкции для спутника , JAXA исследователи работают на двух разных понятий. В более основной,огромная площадь панели (измерение 2 км с каждой стороны ) будет покрыт фотоэлектрическими элементами на его верхней поверхности и передачи антенн на его дне . Эта панель будет приостановлена ​​на 10 -километровой троса проводов от небольшой автобус, который будет собственным контролем спутника и системы связи .

Использование метода, называемого гравитационного стабилизации градиент , автобус будет действовать в качестве противовеса огромному панели. Панель , которая была бы ближе к Земле , будет испытывать более гравитационное притяжение вниз к планете и меньше центробежной силы от него , в то время как автобус будет потянул вверх на противоположных эффектов. Этот баланс сил будет держать спутник на стабильной орбите , так что не нужно было бы никакого активного систему отношение -контроль , экономя миллионы долларов в расходах на топливо.
Проблема с этой базовой конфигурации SPS является его непостоянный скорость выработки электроэнергии. Поскольку ориентация фотоэлектрические панели является фиксированным , количество солнечного света, который бьет его сильно варьируется как геостационарной спутниковой и спина Земли .

Так JAXA придумал более продвинутой концепции SPS , что решает проблему солнечной коллекции , используя два огромных отражающие зеркала . Они будут расположены так, что между двумя из них, они бы направить свет на двух фотоэлектрических панелей 24 часа в сутки . Два зеркала будет бесплатно летать, не привязаны к панелям солнечных батарей или отдельного блока передачи , что означает , что мы должны освоить сложную рода формирования летающую реализовать эту систему . Космические агентства есть опыт работы с групповой полет , особенно в док маневров , проведенных на Международной космической станции , но координацииполет, в составе с участием километр масштабные структуры является большим шагом от сегодняшних процедур док .

Мы также должны сделать несколько других прорывов до этого расширенный тип СПС может быть построен . Мы должны были бы очень легкие материалы для зеркальных структур для обеспечения полета формирования, а также чрезвычайно высокого напряжения кабелей электропередачи , что мог бы направить энергию от солнечных батарей в блок передачи с минимальными потерями резистивных . Такие технологии потребуются годы, чтобы развиваться, так что если один или более стран действительно встать на долгосрочный проект , чтобы использовать космическую солнечную энергию , они могут использовать двухфазный программу , которая начинается с базовой модели в то время исследователи работают на технологиях что позволит систем следующего поколения .

Для генерации микроволн , исследователи предложили вакуумных трубок , таких как магнетронов , клистронов , или бегущей волны , потому что их эффективность преобразования мощности является достаточно высокой , как правило, 70 процентов или выше - и они относительно недороги. Полупроводниковые усилители становятся лучше все время , однако ; их эффективность растут, и их стоимость снижаются . Стоимость важно здесь, потому что1 -GW коммерческий СПС придется включать по меньшей мере 100 миллионов 10 -ваттных полупроводниковых усилителей.

Чтобы выбрать микроволновую частоту для передачи , мы должны взвесить несколько факторов. Низкочастотные микроволновые печи проникнуть в атмосферу хорошо, но они требуют очень больших антенн , что сделает строительство и обслуживание сложнее. Частоты в диапазоне от 1 до 10 гигагерц предложить наилучший компромисс между размера антенны и атмосферном затухания. В пределах этого диапазона , 2,45 и 5,8 ГГц являются потенциальными кандидатами , потому что они в полосах , отведенных для промышленных, научных и медицинских целях . Из них 5,8 ГГц представляется особенно желательным, поскольку передающие антенны может быть меньше.
Создание мощный луч микроволн важно , конечно, но следующим шагом будет гораздо сложнее, : направленный луч именно так, что он проходит в 36 000 км , чтобы по вкусу выпрямляющие антенны на .

Учтите, что система передачи СВЧ будет состоять из ряда антенн панелей , каждая размером возможно 5 метров в длину , которые будут охвачены в крошечных антенн : В общей сложности, более 1 млрд. антенны , вероятно, будут установлены на одном SPS. Координация микроволны , генерируемые этой огромной роем антенн будет нелегко . Для получения единого, точно сфокусированный пучок , фазы микроволн , посланных от всех антенных панелей должны быть синхронизированы . Это было бы трудно управлять , как эти панели будут двигаться относительно друг друга .

Это проблема точно направляя луч от движущегося источника является уникальным и не была решена в рамках существующих коммуникационных технологий . Луч должен иметь очень мало расхождение , чтобы предотвратить его распространение над слишком большой площадью . Для передачи мощности на частоте 5,8 ГГц с ректификационной антенны или rectenna , с диаметром 3 км , расхождение должно быть ограничено 100 микрорадиан и луч должен иметь точность наведения 10 мкрад .

Решение JAXA вовлекает пилот-сигнал , который будет отправлен из rectenna на земле. Поскольку каждый отдельный панель антенны на спутнике получил пилот-сигнал , было бы вычислить необходимые этапы его микроволн и регулировать соответствующим образом. Сумма всех этих корректировок является жесткой луч, который бы Зин вниз через атмосферу , чтобы поразить rectenna . Такие фазовые регулировки технологии , известные как retrodirective систем , были использованы в небольших антенных решеток в пространстве , но дополнительная работа будет необходимо , прежде чем они могли бы координировать несколько километров орбитальных передатчиков.

После того, как луч достигает приемной сайт , остальная часть процесса было бы относительно легко . Массивы rectennas бы преобразовать СВЧ ток в постоянный с эффективностью , превышающей 80 процентов. Затем питания постоянного тока будет преобразован в переменного тока и подают в электросети .

Когда миряне услышать эти орбитальные солнечных ферм , описанных , они часто спрашивают , если это будет безопасно для отправки мощный луч микроволн на Землю . Не было приготовить все это на своем пути, как пища в микроволновой печи ? Некоторые люди имеют ужасную мысленный образ жареных чаек снижается с неба. На самом деле , луч даже не будет достаточно интенсивным , чтобы нагреть ваш кофе . В центре пучка в коммерческой системе SPS , плотность мощности будет 1 киловатт на квадратный метр , что составляет около равна интенсивности солнечного света. Как регулирующий предел для устойчивого воздействия на человека микроволн , как правило, установлен на уровне 10 ватт на квадратный метр , однако, rectenna сайт должен быть запретной зоной , и подсобные рабочие , которые въезжают эту зону придется принять простые меры предосторожности , такие как надевание защитная одежда . Но земля вне rectenna сайте будет совершенно безопасно . На расстоянии 2 км от его центра , плотность мощности пучка будет уже упала ниже нормативной порога.
В 2008 году на вершине горы на главном острове Гавайев,rectenna получил луч микроволн отправлен со склонов вулкана на острове Мауи , приблизительно в 150 км . Это демонстрационный проект , во главе с бывшим физиком НАСА Джон Манкинс и записал для шоу на канале Discovery , был скромен в своих амбиций : Только 20 Вт мощности были получены от солнечных панелей на Мауи и сиял через океан . Эта установка была далека от идеала , потому что фазы микроволны » были нарушены во время этого горизонтальной передачи через плотную атмосферу . Большая часть власти была потеряна при передаче, и менее чем в мкВт был получен на Большом Острове . Но эксперимент сделал продемонстрировать общий принцип к восхищаясь общественности. И стоит помнить, что в системе космической , микроволны будет проходить через плотную атмосферу только за последние несколько километров их пути .

В Японии , мы теперь планируем серию демонстраций в течение следующих нескольких лет. К концу этого года , исследователи рассчитывают выполнить заземления эксперимент, в котором будут передаваться пучок сотен ватт в течение примерно 50 метров. Этот проект , финансируемый JAXA и Японии космические системы , будет первым в мире демонстрация мощных и дальнего радиорелейной связи с критической добавлением retrodirective управления лучом . Микроволновый передатчик состоит из четырех отдельных панелей , которые могут перемещаться по отношению друг к другу , чтобы моделировать движение антенны на орбите. Каждая панель , измерения 0,6 метра на 0,6 метра , содержит сотни крошечных передающих антенн и приемных антенн для обнаружения пилот-сигнала , а также фазовые контроллеры и системы управления питанием. Каждая панель будет передавать 400 Вт , так что общее луч будет нести 1,6 кВт; в этом раннем этапе эксперимента , мы ожидаем, что rectenna иметь выходную мощность 350 Вт

В космосе есть в 10 раз больше доступны солнечной энергии , как на Земле : Там нет сокращения эффективности , обусловленные день-ночь цикла , сезонных колебаний или погодных условий.

Далее, JAXA исследователи надеются провести первую микроволновую эксперимент электропередачи в пространстве, отправив несколько киловатт от низкой околоземной орбите на землю. Этот шаг , предложил на 2018 год , должны проверить оборудование : Мы надеемся продемонстрировать контроль микроволновый луч , оценить общую эффективность системы , и убедитесь, что микроволновая печь луч не мешает существующие инфраструктуры связи . У нас также есть некоторые космические науки на проведение . Мы хотим быть уверены, что интенсивное микроволновая луч не искажается или поглощается плазмой ионосферы , верхнем слое атмосферы , содержащей электрически заряженных частиц . Мы уверены , что луч не будет взаимодействовать с этой плазмы , но наша гипотеза может быть подтверждена только в космической среде .
Если все пойдет хорошо с этими начальными наземных и космических демонстраций , все будет действительно начинают получать интересные . Технология Дорожная карта JAXA призывает к работе , чтобы начать на 100 - кВт SPS демонстрации около 2020 года . Инженеры бы проверить все основные технологии, необходимые для коммерческой космической системы солнечной энергии во время этой стадии .

Строительство и орбитальных2 мегаватт , а затем завод200 МВт , в ближайшие вероятные шаги , потребует международного консорциума , как те , которые финансируют в мире гигантских эксперименты физики элементарных частиц. При таком сценарии , глобальная организация может приступить к строительству 1- GW коммерческих СПС в 2030-х годов .

Было бы трудно и дорого , но выигрыш будет огромным , и не только с экономической точки зрения . На протяжении человеческой истории , введение каждого нового источника энергии - начиная с дровами , и двигаться дальше через угля, нефти , газа и атомной энергетики - вызвало революцию в нашем образе жизни . Если человечество действительно охватывает космической солнечной энергии , кольцо спутников на орбите может обеспечить почти неограниченную энергию , заканчивая самыми большими конфликтов из-за энергоресурсов Земли. Как мы поставить больше машин повседневной жизни в пространстве , мы начнем создавать процветающего и мирного цивилизацию за поверхностью Земли .

Эта статья первоначально появилась в печати как " это всегда солнечно в космосе . "