Avaruusenergiaa

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 11. heinäkuuta 2019 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 14 muokkausta .

Avaruusenergia  on vaihtoehtoinen energiamuoto , jossa aurinkoenergiaa käytetään sähkön tuottamiseen siten, että voimalaitos sijaitsee maan kiertoradalla tai kuussa .

Avaruusenergian kehityksen aikajana

1968  : Peter Glaser esitteli idean suurista aurinkosatelliittijärjestelmistä neliökilometrin aurinkokeräimellä geostationaarisen kiertoradan korkeudella ( GSO 36 000 km päiväntasaajan yläpuolella), aurinkoenergian keräämiseksi ja muuntamiseksi sähkömagneettiseksi mikroaaltosäteeksi hyödyllisen energian siirtämiseksi suurille antennit maan päällä.

1970  : Yhdysvaltain energiaministeriö ja NASA tarkastelivat Solar Power Satellite (SPS) -satelliitin suunnittelua ja toteutettavuustutkimusta.

1973  : Peter Glaser sai US-patentin 3 781 647 menetelmästään lähettää tehoa pitkiä matkoja (esim. satelliitista maan pinnalle) käyttämällä mikroaaltoja satelliitin suurista antenneista maan tasasuuntaisiin antenneihin . [yksi]

1990  : Tutkimuskeskus. MV Keldysh kehitti käsitteen energian toimituksesta Maahan avaruudesta käyttämällä matalia Maan kiertoradoja. "Jo vuosina 2020-2030 voidaan rakentaa 10-30 avaruusvoimalaa, joista jokainen koostuu kymmenestä avaruusvoimamoduulista. Asemien suunniteltu kokonaiskapasiteetti on 1,5–4,5 GW ja maanpäällisen kuluttajan kokonaiskapasiteetti 0,75–2,25 GW. Lisäksi vuosiin 2050-2100 mennessä asemien lukumäärä suunniteltiin nostavan 800 yksikköön ja lopullinen kapasiteetti kuluttajalla 960 GW:iin. Toistaiseksi ei kuitenkaan ole tiedossa edes työluonnoksen luomista tähän konseptiin perustuen. ;

1994  : Yhdysvaltain ilmavoimat suorittaa kokeen, jossa käytetään kehittyneitä aurinkosähkösatelliitteja, jotka on laukaistu matalalle Maan kiertoradalle raketilla.

1995-1997  : NASA suoritti tutkimuksen avaruuden aurinkoenergiasta, sen käsitteistä ja tekniikoista.

1998  : Japanin avaruusjärjestö aloittaa aurinkoenergiajärjestelmän kehitysohjelman, joka jatkuu tähän päivään asti.

1999  : NASA :n aurinkoenergia-avaruusohjelma alkaa.

2002 : NASAn  John Mankins todisti Yhdysvaltain edustajainhuoneessa sanoen: "Laajamittainen aurinkosatelliittijärjestelmä on erittäin monimutkainen integroitu järjestelmä ja vaatii monia merkittäviä edistysaskeleita nykytekniikassa. useita vuosikymmeniä.

2000  : Japanin avaruusjärjestö ilmoitti suunnitelmistaan ​​lisätä tutkimusta ja laukaista 10 kilowatin ja 1 MW:n kokeellinen satelliitti. [2]

2009  : Japan Aerospace Exploration Agency ilmoitti suunnitelmistaan ​​laukaista aurinkoenergiasatelliitti kiertoradalle, joka välittäisi energiaa Maahan mikroaaltojen avulla. He toivovat voivansa laukaista ensimmäisen kiertoradalla olevan satelliitin prototyypin vuoteen 2030 mennessä. [3]

2009  : Kaliforniassa (USA) sijaitseva Solaren allekirjoitti sopimuksen PG&E:n kanssa, että jälkimmäinen ostaisi energian, jonka Solaren tuottaisi avaruudessa. Teho tulee olemaan 200 MW. Suunnitelman mukaan 250 000 kotia saa sähköä tällä energialla. Hankkeen toteutus on suunniteltu vuodelle 2016. [neljä]

2010  : Shimizu julkaisi artikkelin, jossa kuvataan mahdollisuuksia rakentaa jättiläinen kuun voimalaitos käyttämällä olemassa olevia tekniikoita [5]

2011  : Usean japanilaisen yritysprojektin on ilmoitettu perustuvan 40 satelliittiin, joihin on liitetty aurinkopaneelit. Mitsubishi Corporationista tulee hankkeen lippulaiva . Lähetys maahan suoritetaan sähkömagneettisten aaltojen avulla, vastaanottimen tulisi olla halkaisijaltaan noin 3 km: n "peili", joka sijaitsee valtameren aavikkoalueella . Vuodesta 2011 lähtien hanke on tarkoitus aloittaa vuonna 2012

2013 : Roscosmosin  tärkein tieteellinen instituutio  - TsNIIMash teki aloitteen Venäjän avaruusaurinkovoimaloiden (CSPS) luomiseksi, joiden kapasiteetti on 1-10 GW ja joissa on langaton sähkönsiirto maakuluttajille. TsNIIMash kiinnittää huomiota siihen, että amerikkalaiset ja japanilaiset kehittäjät ovat valinneet mikroaaltosäteilyn käytön tien , joka näyttää nykyään olevan paljon vähemmän tehokasta kuin lasersäteily . [6]

2015  :

2016  :

2017  : NASA valitsee viisi uutta avaruusinvestointitutkimusehdotusta. Colorado School of Mines keskittyy "2000-luvun trendeihin avaruudessa aurinkoenergian tuotannossa ja varastoinnissa".

2019  : Aditya Baraskar ja professori Toshiya Khanada Kyushun yliopiston avaruusjärjestelmän dynamiikkalaboratoriosta ehdottivat Energy Orbit (E-Orbit), pientä aurinkovoimalla toimivien avaruussatelliittien tähdistöä tehonsiirtoon satelliittien välillä matalalla Maan kiertoradalla. Yhteensä 1600 satelliittia lähettämään 10 kilowattia sähköä 500 km:n säteellä 900 km:n korkeudessa.

2020  : US Naval Research Laboratory laukaisee testisatelliitin. Lisäksi Yhdysvaltain ilmavoimilla on oma Solar Power Space Demonstration and Research (SSPIDR) -projekti, joka suunnittelee ARACHNE-testisatelliitin laukaisua vuonna 2024.

Satelliitti sähköntuotantoon

Idean historia

Idea syntyi ensimmäisen kerran 1970-luvulla. Tällaisen hankkeen syntyminen liittyi energiakriisiin. Tältä osin Yhdysvaltain hallitus on myöntänyt 20 miljoonaa dollaria avaruusjärjestö NASA: lle ja Boeingille jättiläisen SPS (Solar Power Satellite) -projektin toteutettavuuden laskemiseksi.

Kaikkien laskelmien jälkeen kävi ilmi, että tällainen satelliitti tuottaisi 5000 megawattia energiaa, maahan siirtämisen jälkeen 2000 megawattia jää jäljelle. Ymmärtääksesi, onko tämä paljon vai ei, on syytä verrata tätä tehoa Krasnojarskin vesivoimalaan , jonka kapasiteetti on 6000 megawattia. Mutta tällaisen projektin likimääräiset kustannukset ovat 1 biljoona dollaria, mikä oli syy ohjelman sulkemiseen.

Neuvostoliiton lehdistö julkaisi yksityiskohtaisia ​​kuvauksia OES:n teoriasta ja laskennasta [7] [8] [9] .

Teknologiakaavio

Järjestelmä olettaa, että laite-emitteri sijaitsee geostationaarisella kiertoradalla . Sen on tarkoitus muuttaa aurinkoenergia siirrettäväksi sopivaan muotoon ( mikroaalto , lasersäteily ) ja siirtää pintaan "tiivistetyssä" muodossa. Tässä tapauksessa pinnalla on oltava "vastaanotin", joka havaitsee tämän energian [10] .

Aurinkoenergiaa keräävä satelliitti koostuu olennaisesti kolmesta osasta:

Avaruusalus on GEO :ssa , eikä sen tarvitse tukea itseään painovoimaa vastaan. Se ei myöskään tarvitse suojaa maatuulta tai säältä, mutta se käsittelee avaruuden vaaroja, kuten mikrometeoriitteja ja aurinkomyrskyjä .

Relevanssi tänään

Yli 40 vuoden kuluttua idean ilmestymisestä aurinkopaneelien hinnat ovat laskeneet dramaattisesti ja suorituskyky on parantunut ja lastin toimittaminen kiertoradalle on tullut halvemmaksi, vuonna 2007 Yhdysvaltain kansallinen avaruusseura esitteli raportin, jossa puhutaan tulevaisuuden näkymistä. avaruusenergian kehitys nykypäivänämme. [yksitoista]

FSUE NPO im. Lavochkina ehdottaa aurinkopaneelien ja säteilevien antennien käyttöä autonomisten satelliittien järjestelmässä, jota ohjataan maapallon pilottisignaalilla. Antennille - käytä lyhytaalto-mikroaaltoaluetta millimetriin asti. Tämä mahdollistaa kapeiden säteiden muodostamisen avaruudessa minimaalisilla oskillaattorikooilla ja vahvistimilla. Pienet generaattorit mahdollistavat vastaanottoantennien pienentämisen suuruusluokkaa pienemmiksi [12]

Järjestelmän edut

Kuun vyö

Shimizun vuonna 2010 esittämä avaruusenergiaprojekti . Japanilaisten insinöörien suunnitelmien mukaan tämän pitäisi olla aurinkopaneelien vyö, joka on venytetty pitkin koko kuun päiväntasaajaa (11 tuhatta kilometriä) ja 400 kilometriä leveä. [13]

Aurinkopaneelit

Koska tällaisen määrän aurinkokennojen tuotanto ja kuljettaminen maasta ei ole mahdollista, tiedemiesten suunnitelman mukaan aurinkokennoja on tuotettava suoraan kuuhun. Tätä varten voit käyttää kuun maaperää, josta voit tehdä aurinkopaneeleja. [neljätoista]

Energian siirto

Tämän vyön energia välitetään radioaaltojen välityksellä valtavien 20 km:n antennien avulla ja vastaanotetaan suorakuljettimilla täällä maan päällä. Toinen käytettävä lähetystapa on lähetys valonsäteellä laserilla ja vastaanotto valonloukun avulla. [viisitoista]

Järjestelmän edut

Koska Kuussa ei ole ilmakehää tai säätä, energiaa voidaan tuottaa lähes kellon ympäri ja suurella hyötysuhteella.

David Criswell ehdotti, että Kuu on optimaalinen paikka aurinkovoimaloille. [16] [17] Aurinkoenergiakeräinten Kuuhun sijoittamisen tärkein etu on, että suurin osa aurinkopaneeleista voidaan rakentaa paikallisista materiaaleista maanpäällisten resurssien sijaan, mikä vähentää merkittävästi massaa ja siten kustannuksia verrattuna muihin avaruusaurinkoenergiaan. tehovaihtoehdot..

Avaruusenergiassa käytetyt tekniikat

Langaton virransiirto Maahan

Langaton voimansiirto ehdotettiin jo varhaisessa vaiheessa keinoksi siirtää voimaa avaruus- tai kuun asemalta Maahan. Energiaa voidaan siirtää lasersäteilyn tai mikroaaltojen avulla eri taajuuksilla järjestelmän suunnittelusta riippuen. Millä valinnalla säteilyn siirtyminen oli ionisoimatonta, jotta vältytään mahdollisilta häiriöiltä energiaa vastaanottavan alueen ekologiassa tai biologisessa järjestelmässä? Säteilytaajuuden yläraja asetetaan siten, että energia fotonia kohden ei aiheuta organismien ionisaatiota niiden kulkiessa. Biologisten materiaalien ionisaatio alkaa vasta ultraviolettisäteilystä ja sen seurauksena ilmenee korkeammilla taajuuksilla, joten energian siirtoon tulee suuri määrä radiotaajuuksia.

Laserit

NASAn tutkijat työskentelivät 1980-luvulla mahdollisuudella käyttää lasereita energian säteilemiseen kahden avaruuden pisteen välillä. [18] Tulevaisuudessa tästä tekniikasta tulee vaihtoehtoinen tapa siirtää energiaa avaruusenergiassa. Vuonna 1991 aloitettiin SELENE-projekti, joka sisälsi lasereiden luomisen avaruusenergiaa varten, mukaan lukien laserenergia energian säteilemiseksi kuun tukikohtiin. [18] Vuonna 1988 Grant Logan ehdotti maan päälle sijoitetun laserin käyttöä avaruusasemien voimanlähteenä, ja arveltiin, että tämä voitaisiin tehdä vuonna 1989. [18] Ehdotettiin käyttää timanttiaurinkokennoja 300 °C:n lämpötilassa. muuntaa ultravioletti lasersäteilyä. SELENE-projekti jatkoi työskentelyä tämän konseptin parissa, kunnes se suljettiin virallisesti vuonna 1993 kahden vuoden tutkimuksen ja ilman teknologian pitkän kantaman testauksen jälkeen. Sulkemisen syy: korkeat toteutuskustannukset. [kahdeksantoista]

Aurinkoenergian muuntaminen sähköenergiaksi

Avaruusenergiassa (olemassa olevissa asemissa ja avaruusvoimaloiden kehittämisessä) ainoa tapa tuottaa energiaa tehokkaasti on käyttää aurinkokennoja. Valokenno on elektroninen laite, joka muuntaa fotonienergian sähköenergiaksi . Ensimmäisen ulkoiseen valosähköiseen efektiin perustuvan valokennon loi Aleksanteri Stoletov 1800-luvun lopulla. Energian kannalta tehokkaimmat laitteet aurinkoenergian muuntamiseksi sähköenergiaksi ovat puolijohdevalosähkömuuntimet (PVC), koska kyseessä on suora, yksivaiheinen energiasiirtymä. Kaupallisesti valmistettujen aurinkokennojen hyötysuhde on keskimäärin 16 %, parhailla näytteillä jopa 25 %. [19] Laboratorio-olosuhteissa on jo saavutettu 43 %:n tehokkuus [20] .

Energian saaminen satelliitin lähettämistä mikroaaltouuniaalloista

Tärkeää on myös korostaa energian saantitapoja. Yksi niistä on energian saaminen rectennojen avulla. Rectenna ( tasasuuntaava antenni ) on laite , joka on epälineaarinen antenni, joka on suunniteltu muuttamaan tulevan aallon kenttäenergia tasavirtaenergiaksi . Yksinkertaisin suunnitteluvaihtoehto voi olla puoliaaltovärähtelijä, jonka varsien väliin on asennettu yksisuuntainen johtavuus (esimerkiksi diodi). Tässä malliversiossa antenni on yhdistetty ilmaisimeen, jonka lähdössä saapuvan aallon läsnä ollessa ilmestyy EMF. Vahvistuksen lisäämiseksi tällaiset laitteet voidaan yhdistää monielementtiryhmiksi.

Edut ja haitat

Avaruusaurinkoenergia on energiaa, joka saadaan Maan ilmakehän ulkopuolelta. Jos ilmakehässä tai pilvissä ei ole kaasukontaminaatiota, noin 35% ilmakehään tulevasta energiasta putoaa Maahan. [21] Lisäksi oikealla kiertoradan valinnalla on mahdollista saada energiaa noin 96 % ajasta. Näin ollen aurinkosähköpaneelit geostationaarisella Maan kiertoradalla (36 000 km:n korkeudessa) saavat keskimäärin kahdeksan kertaa enemmän valoa kuin Maan pinnalla olevat paneelit [22] ja jopa enemmän, kun avaruusalus on lähempänä aurinkoa kuin maan pintaa. [22] Lisäetuna on se, että avaruudessa ei esiinny metallien painoon tai korroosioon liittyviä ongelmia ilmakehän puuttumisen vuoksi.

Toisaalta avaruusenergian suurin haittapuoli tähän päivään mennessä on sen korkea hinta. Kokonaismassaltaan 3 miljoonan tonnin järjestelmän kiertoradalle käytetyt varat maksavat itsensä takaisin vasta 20 vuodessa, ja tämä tapahtuu, jos otamme huomioon tavaran toimittamisen yksikkökustannukset maapallolta toimivalle kiertoradalle 100 $ / kg. Nykyiset rahdin kiertoradalle saattamisen kustannukset ovat paljon korkeammat.

Toinen IPS:n luomisen ongelma on suuret energiahäviöt lähetyksen aikana. Kun energiaa siirretään maan pinnalle, häviää vähintään 40-50 %. [21] [23]

Suuret teknologiset haasteet

Yhdysvaltalaisen vuonna 2008 tehdyn tutkimuksen mukaan tieteen on voitettava viisi suurta teknologista haastetta saadakseen avaruusenergian helposti saataville: [21]

  • Aurinkosähköisten ja elektronisten komponenttien on toimittava erittäin tehokkaasti korkeissa lämpötiloissa.
  • Langattoman voimansiirron tulee olla tarkkaa ja turvallista.
  • Avaruusvoimaloiden pitäisi olla edullisia valmistaa.
  • Edulliset avaruuteen kantoraketit.

Muita tapoja käyttää avaruusenergiaa

Sähkön käyttö avaruuslennoilla

Sen lisäksi, että ECO -satelliitit säteilevät energiaa Maahan, ne voivat myös antaa virtaa planeettojen välisille asemille ja avaruusteleskoopeille. Se voi myös olla turvallinen vaihtoehto ydinreaktoreille aluksella, joka lentää punaiselle planeetalle . [24] Toinen ala, joka voisi hyötyä ECO :sta , olisi avaruusmatkailu . [21]

Muistiinpanot

  1. ↑ Glaser, Peter E. Menetelmä ja laitteisto auringon säteilyn muuntamiseksi sähkövoimaksi  //  US-patentti 3 781 647 : Journal. - 1973. - 25. joulukuuta.
  2. ↑ Avaruuden tulevaisuus – aurinkoenergiasatelliitin käsitteellinen tutkimus, SPS 2000
  3. ↑ Japani lähettää aurinkovoimaa avaruudesta laserilla - FoxNews.com
  4. ↑ Kalifornia rakentaa maailman ensimmäisen avaruusvoimalan
  5. ↑ Kuun rengas
  6. ↑ Roskosmos-instituutti ehdottaa energiantuotantoa kiertoradalla
  7. ↑ [epizodsspace.no-ip.org/bibl/tm/1973/3/zolushka.html "Aurinkoaika" energia-alalla "Technology-youth" 1973 nro 3, s. 11, 26-27, 40, obl .4 ]
  8. ↑ § 6. Ratavoimalaitokset. Levantovsky V. I. Avaruuslennon mekaniikka alkeisesityksessä
  9. ↑ V. A. Griliches. Aurinkovoimalaitokset (L.: Nauka, 1986) ja muita kirjoja
  10. ↑ http://www.ursi.org/files/Appendices070529.pdf
  11. ↑ Avaruuspohjainen aurinkovoima mahdollisuus strategiseen turvallisuuteen
  12. ↑ Voimalaitos Maan kiertoradalla
  13. ↑ LUNA RING/Shimizu's Dream - Shimizu Corporation
  14. ↑ Tutkijat ehdottavat voimaloiden valmistamista kuun pölystä
  15. ↑ Kuun vyö kuljettaa energiaa Maahan sädettä pitkin
  16. ↑ Houstonin yliopisto: Vihjesivut
  17. ↑ David R. Criswell - Julkaisut ja tiivistelmät
  18. ↑ 1 2 3 4 "Osallistumukseni lasersäteilyyn"
  19. ↑ Tekniikat. Valokennot polypiistä
  20. ↑ Aurinkopaneelit ennätysteholla
  21. ↑ 1 2 3 4 Mankins, John S. (2008). "Avaruuteen perustuva aurinkoenergia"
  22. ↑ 1 2 Aurinkoenergia avaruudesta (pääsemätön linkki) . Haettu 30. maaliskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 18. maaliskuuta 2010. 
  23. ↑ Gennadi Malyshev. Kiertovoimalaitokset jäivät paperille kiertoradan kuluttajien puutteen ja ylitsepääsemättömien ongelmien johdosta energian polttamisessa maanpäällisiin kuluttajiin . Nezavisimaya Gazeta , 24.1.2001 . Avaruusmaailma. Haettu: 10. tammikuuta 2011.
  24. ↑ tuore katsaus kosmiseen energiaan (pääsemätön linkki) . Haettu 30. maaliskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 26. lokakuuta 2017. 

Linkit

Katso myös

 Avaruuden kolonisaatio

Aurinkokunnan kolonisaatio		 Avaruuden kolonisaatio
Terraformointi
Kolonisaatio
aurinkokunnan ulkopuolella
Avaruusasutus
Resurssit ja energia