Rymdenergi

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 11 juli 2019; kontroller kräver 14 redigeringar .

Rymdenergi  är en typ av alternativ energi som involverar användning av solenergi för att generera elektricitet, med placeringen av ett kraftverk i jordens omloppsbana eller på månen .

Tidslinje för utveckling av rymdenergi

1968  : Peter Glaser introducerade idén om stora solsatellitsystem med en kvadratkilometer solfångare på geostationär omloppshöjd ( GSO 36 000 km över ekvatorn), för att samla in och omvandla solenergi till en elektromagnetisk mikrovågsstråle för att överföra användbar energi till stora antenner på jorden.

1970  : Det amerikanska energidepartementet och NASA granskade designen och genomförbarhetsstudien för Solar Power Satellite (SPS).

1973  : Peter Glaser fick US-patent 3 781 647 för sin metod att överföra kraft över långa avstånd (t.ex. från en satellit till jordens yta) med hjälp av mikrovågor från stora antenner på en satellit till rektenner på jorden. [ett]

1990  : Forskningscentrum. MV Keldysh utvecklade konceptet med energiförsörjning till jorden från rymden med hjälp av låga jordbanor. ”Redan 2020-2030 kan 10-30 rymdkraftverk skapas, som vart och ett kommer att bestå av tio rymdkraftsmoduler. Den planerade totala kapaciteten för stationerna kommer att vara 1,5–4,5 GW, och den totala kapaciteten för konsumenten på jorden kommer att vara 0,75–2,25 GW.” Vidare, år 2050-2100, var det planerat att öka antalet stationer till 800 enheter och den slutliga kapaciteten hos konsumenten till 960 GW. Men hittills är inte ens skapandet av ett arbetsutkast baserat på detta koncept känt. ;

1994  : Det amerikanska flygvapnet genomför ett experiment med hjälp av avancerade fotovoltaiska satelliter som skjuts upp i låg omloppsbana om jorden med raket.

1995-1997  : NASA genomförde en studie av rymdsolenergi, dess koncept och teknologier.

1998  : Japan Space Agency påbörjar ett utvecklingsprogram för solenergisystem i rymden som fortsätter till denna dag.

1999  : NASA :s rymdsolenergiprogram börjar.

2002 : NASA:s  John Mankins vittnade i det amerikanska representanthuset och sa: "Ett storskaligt solsatellitsystem är ett mycket komplext integrerat system och kräver många betydande framsteg inom nuvarande teknologi. flera decennier.

2000  : Japans rymdorganisation tillkännagav planer på mer forskning och uppskjutning av en experimentsatellit med 10 kilowatt och 1 MW effekt. [2]

2009  : Japan Aerospace Exploration Agency tillkännagav sina planer på att skjuta upp en solenergisatellit i omloppsbana som skulle överföra energi till jorden med hjälp av mikrovågor. De hoppas kunna lansera den första prototypen av en satellit som kretsar runt 2030. [3]

2009  : Solaren, baserat i Kalifornien (USA), tecknade ett avtal med PG&E om att den senare skulle köpa den energi som Solaren skulle producera i rymden. Effekten blir 200 MW. Enligt planen kommer 250 000 hem att drivas av denna energi. Projektgenomförandet är planerat till 2016. [fyra]

2010  : Shimizu publicerade en artikel som beskrev möjligheterna att bygga ett gigantiskt månkraftverk med hjälp av befintlig teknik [5]

2011  : Ett multi-japanskt företagsprojekt tillkännages att baseras på 40 satelliter med bifogade solpaneler. Mitsubishi Corporation borde bli flaggskeppet i projektet . Överföring till jorden kommer att utföras med hjälp av elektromagnetiska vågor, mottagaren bör vara en "spegel" med en diameter på cirka 3 km, som kommer att ligga i en ökenregion i havet . Från och med 2011 är det planerat att starta projektet 2012

2013  : Den huvudsakliga vetenskapliga institutionen i Roscosmos  - TsNIIMash tog initiativet till att skapa ryska rymdsolkraftverk (CSPS) med en kapacitet på 1-10 GW med trådlös överföring av el till markkonsumenter. TsNIIMash uppmärksammar det faktum att amerikanska och japanska utvecklare har valt vägen att använda mikrovågsstrålning , som idag verkar vara mycket mindre effektiv än laserstrålning . [6]

2015  :

2016  :

2017  : NASA väljer ut fem nya forskningsförslag för rymdinvesteringar. Colorado School of Mines fokuserar på "21st Century Trends in Space Solar Energy Production and Storage."

2019  : Aditya Baraskar och professor Toshiya Khanada från Space System Dynamics Laboratory vid Kyushu University föreslog Energy Orbit (E-Orbit), en liten konstellation av soldrivna rymdsatelliter för kraftöverföring mellan satelliter i låg omloppsbana om jorden. Totalt 1600 satelliter för att sända 10 kilowatt el inom en radie av 500 km på en höjd av 900 km.

2020  : US Naval Research Laboratory skjuter upp en testsatellit. Dessutom har US Air Force sitt eget Solar Power Space Demonstration and Research-projekt (SSPIDR), som planerar att skjuta upp testsatelliten ARACHNE 2024.

Satellit för kraftgenerering

Historien om idén

Idén dök upp först på 1970-talet. Framväxten av ett sådant projekt var förknippat med en energikris. I detta avseende har den amerikanska regeringen tilldelat 20 miljoner dollar till rymdorganisationen NASA och Boeing för att beräkna genomförbarheten av det gigantiska SPS-projektet (Solar Power Satellite).

Efter alla beräkningar visade det sig att en sådan satellit skulle generera 5 000 megawatt energi, efter överföring till marken skulle 2 000 megawatt återstå. För att förstå om detta är mycket eller inte, är det värt att jämföra denna kraft med Krasnoyarsks vattenkraftverk , vars kapacitet är 6 000 megawatt. Men den ungefärliga kostnaden för ett sådant projekt är 1 biljon dollar, vilket var anledningen till att programmet stängdes.

Den sovjetiska pressen publicerade detaljerade beskrivningar av teorin och beräkningen av OES [7] [8] [9] .

Teknikdiagram

Systemet antar närvaron av en enhetssändare placerad i geostationär omloppsbana . Det är tänkt att omvandla solenergi till en form som är lämplig för överföring ( mikrovågsugn , laserstrålning ) och överföra till ytan i en "koncentrerad" form. I det här fallet är det nödvändigt att ha en "mottagare" på ytan som uppfattar denna energi [10] .

En satellit för solenergiskörd består i huvudsak av tre delar:

Rymdfarkosten kommer att vara i GEO och behöver inte stödja sig själv mot gravitationen. Det behöver inte heller skydd mot markvind eller väder, men kommer att hantera rymdfaror som mikrometeoriter och solstormar .

Relevans idag

Sedan över 40 år sedan idén dök upp har solpaneler sjunkit dramatiskt i pris och ökat i prestanda, och det har blivit billigare att leverera last till omloppsbana, 2007 presenterade US National Space Society en rapport som talar om utsikterna för utvecklingen av rymdenergi i våra dagar. [elva]

Projekt av FSUE NPO im. Lavochkina föreslår att använda solpaneler och strålande antenner på ett system av autonoma satelliter som styrs av en pilotsignal från jorden. För antennen - använd kortvågsmikrovågsområdet upp till millimeters radiovågor. Detta kommer att göra det möjligt att bilda smala strålar i rymden med minimala storlekar av oscillatorer och förstärkare. Små generatorer gör att mottagarantenner kan göras en storleksordning mindre [12]

Fördelar med systemet

Månbälte

Rymdenergiprojekt presenterat av Shimizu 2010 . Som planerat av japanska ingenjörer borde detta vara ett bälte av solpaneler som sträcks längs hela månens ekvator (11 tusen kilometer) och 400 kilometer brett. [13]

Solpaneler

Eftersom produktion och transport av ett sådant antal solceller från jorden inte är möjlig, enligt forskarnas plan, kommer solceller att behöva produceras direkt på månen. För att göra detta kan du använda månjorden från vilken du kan göra solpaneler. [fjorton]

Energiöverföring

Energi från detta bälte kommer att sändas av radiovågor med hjälp av enorma 20 km-antenner och tas emot av rektenner här på jorden. Den andra överföringsmetoden som kan användas är sändning med en ljusstråle med laser och mottagning med en ljusfälla på marken. [femton]

Fördelar med systemet

Eftersom det inte finns någon atmosfär eller väder på Månen kan energi genereras nästan dygnet runt och med en stor effektivitetsfaktor.

David Criswell föreslog att månen är den optimala platsen för solkraftverk. [16] [17] Den största fördelen med att placera solenergifångare på månen är att de flesta solarrayerna kan byggas av lokala material istället för markresurser, vilket avsevärt minskar massan och därmed kostnaderna jämfört med annan rymdsolenergi. strömalternativ..

Teknik som används inom rymdenergi

Trådlös överföring av kraft till jorden

Trådlös kraftöverföring föreslogs i ett tidigt skede som ett sätt att överföra kraft från ett rymd- eller månstation till jorden. Energi kan överföras med laserstrålning eller mikrovågor vid olika frekvenser beroende på systemets utformning. Vilket val gjordes så att överföringen av strålning var icke-joniserande, för att undvika eventuella störningar på ekologin eller det biologiska systemet i den energimottagande regionen? Den övre gränsen för strålningsfrekvensen är satt så att energin per foton inte orsakar jonisering av organismer när de passerar genom dem. Joniseringen av biologiska material börjar bara med ultraviolett strålning och som ett resultat manifesterar sig vid högre frekvenser, så en stor mängd radiofrekvenser kommer att vara tillgängliga för energiöverföring.

Lasrar

NASA- forskare arbetade på 1980-talet med möjligheten att använda lasrar för att utstråla energi mellan två punkter i rymden. [18] I framtiden kommer denna teknik att bli ett alternativt sätt att överföra energi i rymdenergi. 1991 startade SELENE-projektet, som innebar skapandet av lasrar för rymdenergi, inklusive laserenergi för utstrålning av energi till månbaser. [18] 1988 föreslog Grant Logan användningen av en laser placerad på jorden för att driva rymdstationer, och det spekulerades i att detta kunde göras 1989. [18] Det föreslogs att använda diamantsolceller vid 300 °C för att omvandla ultraviolett laserstrålning. SELENE-projektet fortsatte att arbeta med detta koncept tills det formellt stängdes 1993 efter två års forskning och ingen långdistanstestning av tekniken. Anledning till stängning: höga kostnader för genomförandet. [arton]

Omvandla solenergi till elektrisk energi

Inom rymdenergi (i befintliga stationer och vid utveckling av rymdkraftverk) är det enda sättet att effektivt generera energi att använda solceller. En fotocell är en elektronisk anordning som omvandlar fotonenergi till elektrisk energi . Den första fotocellen baserad på den externa fotoelektriska effekten skapades av Alexander Stoletov i slutet av 1800-talet. Ur energisynpunkt är de mest effektiva enheterna för att omvandla solenergi till elektrisk energi fotovoltaiska halvledaromvandlare (PVC), eftersom detta är en direkt, enstegs energiöverföring. Verkningsgraden för kommersiellt producerade solceller är i genomsnitt 16 %, för de bästa proverna upp till 25 %. [19] Under laboratorieförhållanden har en effektivitet på 43 % redan uppnåtts [20] .

Erhålla energi från mikrovågor som sänds ut av satelliten

Det är också viktigt att betona sätten att få energi. En av dem är att få energi med hjälp av rektenner. En rektenn ( likriktande antenn ) är en anordning som är en icke-linjär antenn utformad för att omvandla fältenergin från en infallande våg till likströmsenergi . Det enklaste designalternativet kan vara en halvvågsvibrator, mellan vars armar en enhet med envägsledning (till exempel en diod) är installerad. I denna version av designen kombineras antennen med en detektor, vid vars utgång, i närvaro av en infallande våg, en EMF uppträder. För att öka förstärkningen kan sådana enheter kombineras till multi-element arrays.

Fördelar och nackdelar

Rymdsolenergi är energi som erhålls utanför jordens atmosfär. I frånvaro av gasförorening av atmosfären eller molnen faller cirka 35% av energin som kommer in i atmosfären på jorden. [21] Dessutom, genom att välja banans bana korrekt, är det möjligt att få energi cirka 96 % av tiden. Således kommer solcellspaneler i geostationär jordbana (på en höjd av 36 000 km) att ta emot i genomsnitt åtta gånger mer ljus än paneler på jordens yta [22] och ännu mer när rymdfarkosten är närmare solen än jordens yta. [22] En ytterligare fördel är det faktum att i rymden finns det inga problem med vikt eller korrosion av metaller på grund av frånvaron av atmosfär.

Å andra sidan är den största nackdelen med rymdenergi till denna dag dess höga kostnad. Medlen som spenderas på att sätta i omloppsbana ett system med en total massa på 3 miljoner ton kommer att betala sig först inom 20 år, och detta är om vi tar hänsyn till enhetskostnaden för att leverera varor från jorden till en arbetsbana på 100 $ / kg. Den nuvarande kostnaden för att föra last i omloppsbana är mycket högre.

Det andra problemet med att skapa en IPS är de stora energiförlusterna under överföringen. Vid överföring av energi till jordens yta kommer minst 40-50% att gå förlorade. [21] [23]

Stora tekniska utmaningar

Enligt en amerikansk studie från 2008 finns det fem stora tekniska utmaningar som vetenskapen måste övervinna för att göra rymdenergi lätt tillgänglig: [21]

  • Solceller och elektroniska komponenter måste fungera med hög effektivitet vid höga temperaturer.
  • Trådlös kraftöverföring måste vara korrekt och säker.
  • Rymdkraftverk ska vara billiga att tillverka.
  • Lågkostnad utrymme bärraketer.

Andra sätt att använda rymdenergi

Användningen av elektricitet i rymdflygningar

Förutom att utstråla energi till jorden kan ECO- satelliter också driva interplanetära stationer och rymdteleskop. Det kan också vara ett säkert alternativ till kärnreaktorer på ett fartyg som ska flyga till den röda planeten . [24] En annan sektor som skulle kunna dra nytta av ECO skulle vara rymdturismen . [21]

Anteckningar

  1. ↑ Glaser, Peter E. Metod och utrustning för att omvandla solstrålning till elektrisk kraft  //  USA-patent 3 781 647 : journal. - 1973. - 25 december.
  2. ↑ Space Future - konceptuell studie av en solenergisatellit, SPS 2000
  3. ↑ Japan för att stråla solenergi från rymden på laser - FoxNews.com
  4. ↑ Kalifornien kommer att bygga världens första rymdkraftverk
  5. ↑ Månens ring
  6. ↑ Roskosmos Institute föreslår att engagera sig i energiproduktion i omloppsbana
  7. ↑ [epizodsspace.no-ip.org/bibl/tm/1973/3/zolushka.html "Solara" i energisektorn "Teknik-ungdom" 1973 nr 3, s.11, 26-27, 40, obl .4 ]
  8. ↑ § 6. Orbitalkraftverk. Levantovsky V. I. Mekanik för rymdfärd i en elementär presentation
  9. ↑ V. A. Griliches. Solar space power stations (L.: Nauka, 1986) och andra böcker
  10. ↑ http://www.ursi.org/files/Appendices070529.pdf
  11. ↑ Rymdbaserad solenergi som en möjlighet för strategisk säkerhet
  12. ↑ Kraftverk i jordens omloppsbana
  13. ↑ LUNA RING/Shimizus dröm - Shimizu Corporation
  14. ↑ Forskare föreslår att man gör kraftverk av måndamm
  15. ↑ Månbältet kommer att transportera energi till jorden längs strålen
  16. ↑ University of Houston: Tips Sheets
  17. ↑ David R. Criswell - Publikationer och sammanfattningar
  18. ↑ 1 2 3 4 "Mitt engagemang med laserstrålning"
  19. ↑ Teknologi. Fotoceller av polykisel
  20. ↑ Solpaneler med rekordeffektivitet
  21. ↑ 1 2 3 4 Mankins, John S. (2008). "Rymdbaserad solenergi"
  22. ↑ 1 2 Solenergi från rymden (otillgänglig länk) . Hämtad 30 mars 2011. Arkiverad från originalet 18 mars 2010. 
  23. ↑ Gennadij Malyshev. Orbitalkraftverk förblev på papper på grund av bristen på orbitalkonsumenter och oöverstigliga problem med att dumpa energi till markbundna konsumenter . från Nezavisimaya Gazeta , 2001-01-24 . Rymdvärlden. Hämtad: 10 januari 2011.
  24. ↑ en ny titt på kosmisk energi (otillgänglig länk) . Hämtad 30 mars 2011. Arkiverad från originalet 26 oktober 2017. 

Länkar

Se även

 Rymdkolonisering
Kolonisering
av solsystemet		 Rymdkolonisering
Terraformning
Kolonisering utanför
solsystemet
Rymdbosättningar
Resurser och energi