Использование лазеров для передачи солнечной энергии

Каковы другие соображения по этому поводу? Есть ли явный недостаток, который я не заметил?

Да. Во- первых, на Земле есть много солнечной энергии , которую можно собрать с помощью современных технологий. Во- вторых, есть гораздо более дешевые места для размещения солнечных коллекторов в космосе, чем вблизи Солнца . И в-третьих, есть небольшая проблема создания непреодолимого оружия массового уничтожения .

Количество энергии, которую мы получаем от Солнца, зависит от того, где вы ее измеряете, на поверхности или в верхних слоях атмосферы, и если вы измеряете общую полученную энергию по сравнению с энергией, которую мы, вероятно, можем использовать, используя современные технологии.

В настоящее время Земля потребляет около 12 тераватт (ТВт) . Что мы получаем от Солнца?

По верхней границе Земля получает 174 000 ТВт в верхних слоях атмосферы. Это то, что мы получили бы, если бы покрыли всю планету орбитальными спутниками с идеальной эффективностью. Это в 14 500 раз превышает наше потребление энергии. Там нет проблем! Но явно нереально.

Более реалистичным является потенциальная энергия, которую мы можем собирать на земле, используя современные технологии. Оценка мировой энергетики ООН в 2000 году подсчитала, что наш реально доступный энергетический потенциал составляет от 50 до 1500 ТВт, или от 4 до 125 раз больше нашего текущего потребления. См. стр. 162 и 163 (173 и 174 PDF-файла). Они заключают...

Потенциал солнечной энергии, указанный в таблице 5.19, более чем достаточен для удовлетворения текущих и прогнозируемых потребностей в энергии после 2100 года. Таким образом, вклад солнечной энергии в глобальное энергоснабжение не будет ограничиваться наличием ресурсов.

Так что у нас сейчас много солнечной энергии на Земле.

Перефразируя парня в шляпе «Что, если»: «Что, если бы мы захотели больше мощности?» Хорошо, давайте просто притворимся, что нам нужно больше энергии. Где мы размещаем наши космические солнечные коллекторы?

Отправка спутников рядом с Солнцем очень дорогая , подробнее об этом ниже, поэтому, прежде чем мы решили, что мы сначала рассмотрим более дешевые места для размещения солнечных коллекторов, чтобы увеличить наше предложение. На этом изображении показана стоимостьперехода в различные точки Солнечной системы в дельта-v км/с.

Как видите, просто оторваться от Земли и выйти на низкую околоземную орбиту (НОО) довольно дорого. Чтобы добраться до Солнца, требуется в три раза больше дельта-v, но из-за тирании ракетного уравнения стоимость топлива увеличивается в девять раз (это зависит от используемого метода движения, но дело в том, что оно быстро становится дорогим). Поэтому мы хотим разместить наши солнечные коллекторы в местах с низким дельта-V, а Солнце для этого хуже всего.

Мы бы начали с очевидного выбора: низкая околоземная орбита или НОО. Это позволило бы избежать поглощения солнечной энергии атмосферой, около 30%, и не требует использования земли для солнечных ферм. Увеличение количества запусков на НОО снизит стоимость и позволит финансировать еще более дешевые технологии запуска, такие как космический лифт или стартовая петля .

«Что, если бы мы захотели больше энергии?»

LEO уже довольно многолюдное место, и мы не хотим затенять всю Землю, поэтому следующей целью нашего энергетического голода будет расширение общей площади, которую мы собираем.

LEO довольно близко к Земле (всего 100 км вверх по сравнению с 6500 км Земли) и не значительно расширяет нашу область сбора. Вот масштабное изображение различных орбит . Мы можем значительно увеличить площадь нашей коллекции, выводя спутники на все более высокие орбиты. Как видно из диаграммы дельта-V, прохождение всего пути до геостационарной околоземной орбиты на расстоянии 35 000 км добавляет к нашему бюджету дельта-V всего 4 км/с, но, поскольку площадь поверхности увеличивается экспоненциально, мы увеличили нашу площадь сбора примерно в 25 раз. ! Тратить!

«Что, если бы мы захотели больше энергии?»

Следующей целью нашего стартового бюджета являются точки Лагранжа L4 и L5 . Это точки на 60 градусов впереди и позади орбиты Земли вокруг Солнца, вокруг которых спутник может совершить стабильную орбиту , фактически припарковав их там. Для того, чтобы добраться туда, нужно всего лишь примерно на 2 км/с больше, чем на GEO.

«Что, если бы мы захотели больше энергии?»

На данный момент, чтобы еще больше увеличить площадь поверхности солнечного света, которую мы собираем, мы должны получить коллекторы в таких вещах, как рои Дайсона и пузыри Дайсона , которые окружают Солнце, на любой орбите, которую мы хотим.

Хорошая часть роя или пузыря заключается в том, что его можно создавать постепенно, добавляя в рой больше коллекторов. Когда вы добавляете больше коллекторов, вы увеличиваете свой энергетический бюджет, чтобы строить и запускать больше коллекторов. Я рассказал об этом в другом ответе о пике солнечного света .

«Что, если бы мы захотели больше энергии?»

Уходи, парень в шляпе.

Любой космический солнечный коллектор означает, что вам нужно направить эту энергию обратно на Землю. И да, это, вероятно, будет микроволновый лазер. К сожалению , передача такого количества энергии обратно на Землю означает , что вы только что создали космическое оружие массового уничтожения .

Случайно или преднамеренно эти солнечные коллекторы способны сфокусировать терраватт энергии, эквивалентной мощному ядерному взрыву, в любой точке Земли. Тот, кто контролировал сборщиков, мог получить выкуп за планету . Даже если бы мы верили, что эта организация хороша, есть риск, что их захватят. В отличие от атомной электростанции или ядерного оружия, которые охраняют люди, эти коллекторы будут управляться дистанционно. Один хакер может испарить целый город .

Вы указали недостаток в своем вопросе: We receive more than 1000 times the energy we currently use.

Нам не нужно строить большие сооружения рядом с солнцем, чтобы использовать солнечную энергию, потому что мы уже получаем ее в избытке; нам просто нужно строить больше солнечных электростанций на Земле, где строить их почти бесконечно дешевле и проще

Идея уже находится в стадии исследования.

Две основные проблемы:

• Безопасность: Малейшая ошибка в точности лазера выжжет область вокруг коллектора. Чем больше вы приближаетесь к солнцу, тем важнее будет любая ошибка.
• Стоимость: отправка материалов в космос чрезвычайно дорога, поэтому, если прибыль от продажи энергии не может покрыть первоначальные затраты, никто не будет вкладывать средства в этот проект.

Идея создания отрядов спутников солнечной энергии (или просто покрытия поверхности Меркурия солнечными батареями) восходит к давним временам; Доктор Роберт Форвард предложил что-то в этом роде, чтобы генерировать терраватт энергии для накачки массивного лазера или серии лазеров для приведения в движение «светового паруса» в межзвездном путешествии еще в 1980-х годах. Только для запуска потребуется @ 7 твт энергии, а замедление, по оценкам, потребует @ 26 твт энергии. http://www.lunarsail.com/LightSail/rit-1.pdf

Масштаб этого проекта, очевидно, намного больше, чем требуется для вашей идеи, но следует помнить одну вещь: необходимо держать луч сфокусированным и направленным на цель мощности. Для схемы Форварда необходима огромная линза Френеля на расстоянии от Солнца, равном орбите Сатурна, чтобы сфокусировать луч на цели. Подобное расположение потребуется для того, чтобы место силы было сфокусировано на Земле или Луне, а также будут сложности из-за относительного движения Меркурия и Земли вокруг Солнца. Может потребоваться система зеркал-ретрансляторов, чтобы направлять луч так, чтобы он всегда был направлен на Землю.

Как упоминалось другими в комментариях, возникнет серьезная проблема отвода тепла не только в месте сбора энергии, но и в лазерных передатчиках (даже ЛСЭ имеют теоретическую максимальную эффективность в диапазоне 65%) через любые фокусирующие линзы. зеркала реле и, наконец, эффективность преобразования в приемнике. Поскольку мы говорим о терраваттах энергии, даже малая часть составляет от мегаватт до гигаватт отработанного тепла, требующего огромных радиаторов и других устройств (резервуаров, насосов и т. д.), чтобы не допустить расплавления всех частей.

Так что, хотя это теоретически возможно, я бы предположил, что с точки зрения времени и ресурсов имеет смысл просто разместить солнечные коллекторы на орбите вокруг Земли и передавать энергию наземным приемникам с меньшим количеством шагов преобразования и меньшей плотностью энергии. В совсем недавнем проекте DoD были сделаны некоторые расчеты (записано на этом сайте: http://nextbigfuture.com/2016/02/space-based-solar-power-winner-in.html ), и я также обращаю ваше внимание на комментарии раздел, где комментатор по имени GoatGuy просматривает цифры и придумывает, как будут выглядеть истинные параметры такой системы.

Масштабный капитальный проект, такой как строительство солнечных коллекторов и лазеров Terrawatt вокруг Меркурия, будет осуществим в середине или далеком будущем для передачи энергии через солнечную систему в такие места, как Нептун, где плотность солнечной энергии слишком низка для любой солнечной технологии. быть практичным.

Одной из самых больших слабых сторон идеи является атмосфера. Он имеет тенденцию мешать лазерам и заставлять их распадаться или преломляться всевозможными нежелательными способами. Это значительно увеличивает ваши потери мощности на этом последнем этапе передачи, а также начинает нагревать атмосферу, уничтожая некоторые из тех преимуществ глобального потепления, которые вы надеялись получить.