Космическая солнечная энергетика: от научной фантастики к реальным проектам

На дворе 2050 год. Солнце садится, и на небе появляются первые созвездия — ровные, идеальные ряды. Но эти янтарные огни вовсе не звёзды. Это скопления спутников, которые собирают последние лучи уходящего дня и передают энергию на Землю.

Звучит как научная фантастика? Так оно и было — поначалу. Концепция, известная как космическая солнечная энергетика (SBSP), занимала видное место в техно-утопических мечтах визионеров и писателей XX века. Но десятилетиями её отвергали как несбыточную фантазию.

Теперь, на фоне новой космической гонки, правительства и частные компании в Китае, США, Великобритании и Японии разрабатывают несколько проектов, чтобы заново оценить осуществимость этой идеи. Среди них — китайская программа ZhuRi («В погоне за солнцем»), японский проект OHISAMA, британская компания Space Solar и эксперименты по передаче энергии, проводимые Калифорнийским технологическим институтом и Исследовательской лабораторией ВВС США. Все они нацелены на тестовые запуски в ближайшие пять лет.

Сторонники утверждают, что технология способна многократно покрыть энергетические потребности Земли, нанося при этом минимальный ущерб окружающей среде. Но сначала ей нужно оторваться от земли: в глазах критиков космическая солнечная энергетика — это непомерно дорого, полно непроверенных допущений и слишком сложно, чтобы быть развёрнутым вовремя для срочного перехода на зелёную энергию.

Среди проблем — вывод на орбиту огромных спутников, покрытых солнечными панелями; их сборка; обеспечение постоянной ориентации панелей на Солнце; а затем — поиск способов преобразования, концентрации и передачи собранной энергии обратно на Землю.

Несмотря на эти препятствия, исследователи возвращаются к этой идее снова и снова. Возможно, потому что самый важный шаг — собственно генерация энергии — уже выполняется Солнцем. Каждую секунду наша звезда синтезирует атомы водорода, высвобождая энергию, эквивалентную девяти триллионам атомных бомб. Остаётся только её поймать.

«Мы не конкурент термоядерной энергетике. Мы и есть термоядерная энергетика», — сказал Live Science Питер Гарретсон, бывший глава отдела перспективных технологий ВВС США и эксперт по SBSP.

От научной фантастики к предложению NASA

Первые проблески SBSP как концепции появились у российского учёного-ракетчика и пионера космонавтики Константина Циолковского, который в 1923 году предложил развернуть в космосе зеркала, способные концентрировать солнечный свет на Земле с интенсивностью, достаточной, чтобы вскипятить 10 чашек кофе.

Вскоре фантастическое предложение Циолковского перекочевало в научную фантастику — оно появилось в романе британского писателя Олафа Стэплдона «Создатель звёзд» (1937) как «марля световых ловушек», которую высокоразвитая инопланетная цивилизация использовала для фокусировки «ускользающей солнечной энергии для разумного использования». Позже эту идею формализовал физик-теоретик Фримен Дайсон в концепции сферы Дайсона.

Затем, в 1941 году, Айзек Азимов создал самый чёткий и знаменитый ранний набросок SBSP в рассказе «Разум» (Reason), где роботы-колонисты трудятся на энергетической станции, собирающей солнечную энергию и отправляющей её на Землю в виде микроволн. Азимов почти не описал инженерные детали вымышленной станции, сосредоточившись на религиозном поклонении роботов этому кораблю.

Но превращение из научной фантастики в конкретное предложение не заняло много времени. В 1968 году аэрокосмический инженер Питер Глейзер, консультант и руководитель проекта по лазерным дальномерам миссии «Аполлон-11», разработал инженерный проект «спутника солнечной энергетики», состоящего из трёх ключевых элементов: устройства сбора лучей, преобразователя и передатчика.

Коллектор Глейзера представлял собой диск из фотоэлектрических панелей, который предполагалось поднять на высоту около 36 000 километров над Землёй. Закреплённый на геостационарной орбите и купающийся в почти постоянном солнечном свете, спутник собирал бы солнечные лучи, преобразовывал их в микроволны и передавал бы их, практически беспрепятственно проходя сквозь атмосферу, на приёмные антенны на земле. Там микроволны преобразовывались бы в электричество и распределялись по сети.

NASA заключило с Глейзером контракт на дальнейшее изучение концепции, а энергетические кризисы (нефтяной кризис 1973 года и авария на Три-Майл-Айленд в 1979 году) подлили ветра в его солнечные паруса.

Но проект Глейзера столкнулся с техническими и финансовыми препятствиями, самым грозным из которых был огромный размер проекта. К 1981 году, когда Министерство энергетики США опубликовало четырёхлетнее исследование космической солнечной энергетики, было подсчитано, что для «значимого» вклада в 300 гигаватт (достаточно для питания сотен миллионов домов) потребуется 60 спутников, каждый площадью 55 квадратных километров и массой 45 000 тонн. План был признан неприемлемо дорогим.

Более поздние переоценки, например доклад физика NASA Джона Манкинса 1997 года, указывали на достижения, такие как улучшенные солнечные элементы, которые сделали концепцию более реалистичной. Однако общий консенсус оставался враждебным. В докладе 2015 года, выпущенном Институтом стратегических исследований (SSI) Военного колледжа армии США, говорилось, что, хотя системы SBSP «технически осуществимы», «нет убедительных доказательств того, что такие системы будут экономически конкурентоспособны» с наземными энергосистемами. Вывод гласил: «Реальность такова, что такие системы всегда кажутся их сторонникам всего в 10 годах от реализации».

Целиться высоко

Но за десятилетие многое может измениться, включая стоимость запуска ракет. После доклада SSI многоразовая ракета Falcon 9 компании SpaceX снизила стоимость запуска примерно в 30 раз по сравнению с шаттлами NASA, а спутники тоже подешевели благодаря массовому производству и усовершенствованиям чистых помещений, где они изготавливаются. А ещё более крупная ракета Starship обещает более чем в пять раз увеличить полезную нагрузку Falcon, снизив цены ещё больше.

«У вас есть группа людей в космическом сообществе, которые выросли до Starlink и SpaceX, — сказал Гарретсон. — Они буквально не могли поверить, что по мере роста частоты запусков и амортизации затрат [стоимость запуска] приближается к стоимости топлива». Некоторые обратили внимание. Оценка 2021 года, заказанная правительством Великобритании, показала, что массив космической солнечной энергетики мощностью 2 гигаватта и шириной в милю будет стоить 17,3 млрд фунтов стерлингов (23,4 млрд долларов) и генерировать энергию по 50 фунтов стерлингов (68 долларов) за мегаватт-час в течение своего столетнего срока службы.

Это эквивалент мощности крупной электростанции в Великобритании, причём начальные затраты на 39–49% ниже, чем у биомассы, ядерной энергии или самых эффективных газовых источников, согласно оценке. И хотя это всё ещё на 14–52% дороже нынешней наземной ветровой и солнечной энергии, технология может передавать энергию куда угодно, даже в отдалённые районы.

Основываясь на этих выводах, в 2023 году правительство Великобритании выделило 4,3 млн фунтов стерлингов (5,8 млн долларов) в качестве посевного финансирования нескольким компаниям и университетам для дальнейшей разработки SBSP.

Британский доклад выбрал в качестве эталонной архитектуры один проект спутника: CASSIOPeiA. Принадлежащий британской компании Space Solar, этот дизайн представляет собой попытку решить серьёзную проблему ранних проектов солнечных спутников: как постоянно удерживать солнечные панели ориентированными на Солнце для максимального сбора излучения.

В отличие от других конструкций, таких как китайский Multi-Rotary Joint Solar Power Satellite или SPS-ALPHA Манкинса, которые вращают панели или используют систему зеркал для постоянного перенаправления солнечного света на них, CASSIOPeiA имеет форму гигантской спирали ДНК.

Эта конструкция в сочетании с солнечно-синхронной орбитой и медленным вращением позволяет CASSIOPeiA постоянно принимать и передавать солнечную энергию без тяжёлых или подверженных отказам движущихся частей. Space Solar утверждает, что один спутник CASSIOPeiA диаметром около 1,6 км сможет передавать до 2 гигаватт постоянной мощности в фиксированную точку на земле — достаточно для снабжения города с населением 2 миллиона человек.

Space Solar заявляет, что после вывода спутника в космос он будет гораздо более эффективным и экономичным, чем сбор солнечного света на земле. Это связано с тем, что свет, попадающий на космическую электростанцию, не отклоняется и не ослабляется атмосферой.

«Вы используете гораздо меньше материалов по сравнению с наземной солнечной энергетикой и используете их более эффективно, — сказал Live Science Сэм Адлен, соучредитель и со-CEO Space Solar, одного из получателей финансирования. — Так что в космосе используется 100% материалов, а не 10%, как на земле, — и вы получаете в 13 раз больше мгновенной энергии, так что вы извлекаете гораздо больше из материалов».

Передача на Землю

Однако следующий шаг — передача гигаватт энергии вниз, через десятки миль атмосферы и возможный облачный покров — остаётся серьёзным техническим препятствием.

Предлагаемые методы передачи энергии currently делятся на два типа: лазеры и микроволны. Калифорнийский стартап Aetherflux, планирующий передавать энергию со спутников на низкой околоземной орбите, разработал систему инфракрасной лазерной передачи, которую протестирует с помощью демонстрационного спутника, запущенного 1 октября. Микроволновая энергия будет передаваться мощностью около одного киловатта (достаточно для базовых бытовых потребностей).

Тем временем Caltech и Overview Energy, ещё один американский стартап, продемонстрировали соответственно микроволновую и лазерную передачу энергии с орбиты и с самолёта, хотя и в ничтожных количествах (менее киловатта).

Несмотря на эффективность и доказанную способность преодолевать огромные расстояния, оптические лучи в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазонах легко рассеиваются каплями воды в атмосфере, что препятствует передаче энергии в облачные дни. Сохраняющиеся проблемы с эффективностью оптической передачи также усугубляются на уровне гигаватт, что делает лазеры менее пригодными для использования в коммунальном масштабе.

Микроволны, напротив, могут передаваться на частотах с гораздо более высокой мощностью и относительно мало ослабляются атмосферой. Именно поэтому Space Solar, японский проект OHISAMA и китайская программа ZhuRi планируют использовать микроволновые системы передачи. Тем не менее, микроволны имеют сравнительно большую длину волны, поэтому их пучки сильнее дифрагируют на больших расстояниях. Это означает, что даже если пучки отправляются передатчиками шириной в сотни метров, им потребуются наземные приёмники площадью в десятки квадратных миль.

Эти ограничения означают, что «пройдёт много лет», прежде чем будет достигнута передача энергии в гигаваттном масштабе, сказал Live Science Ремо Проиетти Дзаккария, руководитель лаборатории DELTA в Итальянском институте технологий.

Улучшения эффективности передачи энергии принесут свои собственные проблемы. Даже лазерные указки с батарейным питанием могут ослепить или обжечь, поэтому прототипы компаний, занимающихся лазерной передачей, таких как Aetherflux, должны быть спроектированы с учётом этой возможности. Они обещают механизмы безопасности, которые отключают лазеры, если что-то пролетает между передатчиком и приёмником.

«Определённо, для оружейной стороны эта технология теперь может использоваться эффективно», — сказал Проиетти Дзаккария.

Если вы представляете орбитальное оружие из фильмов о Джеймсе Бонде, вас может постигнуть разочарование — даже полностью разработанные лазеры и микроволны для передачи энергии потребуют времени, чтобы поджарить яйцо или вскипятить кофе Циолковского. Но технология передачи всё ещё может иметь мощное военное применение: глушение систем связи на Земле, чтобы создать хаос с относительно небольшими усилиями.

«Если вы направите даже такую интенсивность мощности на наши антенны, вы заморозите электронику; это точно, — сказал Проиетти Дзаккария. — Не обязательно их уничтожать. Как только вы заморозили электронику, вы сделали своё дело».

Проблемы, связанные с передачей энергии, подтолкнули некоторых инженеров к более простым концепциям. Одна из них (возвращаясь к первоначальному предложению Циолковского) предусматривает развёртывание космических зеркал, отражающих солнечный свет обратно на Землю после заката, причём один отражатель продлевает дневное освещение солнечных панелей примерно на 20 минут.

Само по себе это может показаться незначительным, «но затем вы можете увеличить это с помощью нескольких отражателей, — сказал Live Science Онур Челик, исследователь космических технологий в Университете Глазго. — Если у вас их 10 или больше, вы можете расположить их в космосе таким образом, чтобы продлить это до двух часов или около того на этой высоте».

«Солнечный свет, который вы доставляете, если он весь превратится в электричество, мог бы питать тысячи домов», — заключил он.

Свет дня

Вопрос на триллион долларов: будет ли эта энергия дешевле и эффективнее, чем генерируемая на земле? Медианная стоимость электроэнергии, производимой SBSP, по оценке правительства Великобритании, составляет 50 фунтов стерлингов за мегаватт-час (68 долларов), что примерно соответствует стоимости офшорной ветровой и наземной солнечной энергии.

Однако эта оценка на порядки оптимистичнее отчёта NASA о затратах за 2024 год, в котором прогнозируется, что базовые затраты на электроэнергию SBSP составят от 610 до 1590 долларов за мегаватт-час в зависимости от конструкции массива. NASA пришло к выводу, что медианная оценка Великобритании достижима только после резкого снижения затрат на запуск и производство в будущем.

Независимые исследования также расходятся во мнениях относительно осуществимости. Одна оценка предполагает, что SBSP может снизить потребность Европы в наземной возобновляемой энергии до 80%, в то время как другая возражает, что затраты могут быть в 12–80 раз выше, чем у наземных альтернатив. Эта вариабельность существует и внутри самих исследований: работа, опубликованная в журнале Acta Astronautica, оценивает, что SBSP может покрыть от 3% до 31% мирового спроса на электроэнергию в зависимости от возможных ограничений на количество спутников, которые безопасно помещаются на орбите, размера приёмника и того, куда передаётся энергия.

«Судя по цифрам, которые мы получили, я не верю, что эту технологию можно действительно использовать для генерации энергии для Земли, — сказал Проиетти Дзаккария, соавтор исследования в Acta Astronautica. — Если бы человечество исчерпало всё доступное пространство для солнечных панелей на Земле, тогда я бы сказал, что это имеет смысл, потому что в этот момент 3%, 5%, 10% могли бы иметь значение».

Проиетти Дзаккария видит варианты использования схем SBSP для будущих миссий на Луну или Марс, но в остальном «стоимость строительства технологий такого рода действительно очень, очень высока, — сказал он. — И наоборот, стоимость покупки и установки солнечной панели на крыше любого здания сегодня стала чрезвычайно низкой».

Среди проблем — доставка сырья для систем в космос и их сборка. Такой подвиг сделал бы строительство Международной космической станции — на данный момент самого сложного сооружения, построенного на орбите, — детской забавой. Обслуживание массивов и предотвращение их столкновения с другими спутниками на всё более переполненных орбитах Земли также потребуют значительной международной координации.

Затем идут неучтённые экологические издержки. Все современные ракеты используют метан, мощный парниковый газ, для вывода в космос, и они выбрасывают большую его часть в верхние слои атмосферы Земли, где его воздействие наиболее сильно.

«И, очевидно, здесь возникает вопрос о том, как запуск 100 000 таких сверхтяжёлых аппаратов в атмосферу фактически повлияет на саму атмосферу, по сравнению с выгодой, которую мы получим в ближайшие 20 лет или около того от солнечной энергии из космоса, — сказал Live Science Маттео Че riotti, старший преподаватель космической системотехники в Университете Глазго. — Это не совсем ясно».

Чериотти сказал, что наиболее вероятный путь преодоления всех этих трудностей — это небольшие компании, проводящие, а затем оптимизирующие проверочные испытания в космосе.

«Очевидно, это не то, что мы когда-либо делали, — сказал он. — Так что нам явно нужно с чего-то начать, и нужно начинать с малого».

Надежды сторонников SBSP остаются незамутнёнными мрачными оценками. Они ссылаются на несколько технологий — от персональных компьютеров до многоразовых ракет, — которые когда-то считались невозможно дорогими, даже вымышленными, а теперь стали повсеместными и дешёвыми. Их взгляды устремлены на демонстрационные миссии, которые должны быть запущены в ближайшие четыре года такими компаниями, как Space Solar, Reflect Orbital, Aetherflux и Virtus Solis. Если эти миссии увенчаются успехом, ещё одна когда-то невозможная идея может засиять гораздо ярче.

«Частный сектор хорош в этом, потому что вынужден быть, — сказал Live Science Санджай Виджендран, консультант по SBSP, руководивший ныне закрытым проектом SOLARIS Европейского космического агентства по проверке осуществимости SBSP. — Он может разбить проблему на довольно мелкие части и начать делать вещи с сегодняшними технологиями и сегодняшним образом действий, и начать показывать, что это может быть ценно».

Космическая солнечная энергетика — это не просто технологический вызов. Это проверка нашей способности мыслить на столетия вперёд, преодолевать национальные границы и находить баланс между амбициями и ответственностью. Если человечество действительно хочет построить устойчивую цивилизацию, ему придётся смотреть не только под ноги, но и в небо. И, возможно, именно там, среди бесконечных рядов спутников, которые когда-нибудь заменят угольные трубы и газовые скважины, нас ждёт энергия будущего — чистая, неисчерпаемая и, что немаловажно, доступная каждому уголку Земли.

Но прежде чем это будущее наступит, предстоит ответить на множество вопросов. Как избежать превращения околоземной орбиты в свалку из тысяч гигантских солнечных панелей? Кто будет владеть этой энергией и распоряжаться ею? Не станет ли SBSP очередным инструментом неравенства, когда богатые страны смогут позволить себе космические электростанции, а бедные останутся в тени? И, наконец, готовы ли мы к тому, что ночное небо перестанет быть таким, каким мы его знали тысячелетиями?

История SBSP — это история о том, как мечта, родившаяся в головах фантастов и визионеров, медленно, но верно прокладывает себе путь в реальность. От зеркал Циолковского до спутников CASSIOPeiA, от рассказов Азимова до проектов NASA и ESA — эта идея прошла долгий путь. И хотя критики по-прежнему сомневаются, а инженеры сталкиваются с трудностями, одно остаётся неизменным: Солнце светит. Оно светит всегда, даже когда на Земле ночь. И, возможно, однажды мы научимся ловить этот свет так, чтобы он согревал каждого.

Источники:
Pomeroy, E., Hunt, C.O., López-Polín, L., Sala, N., Pantoja-Pérez, A., Holman, J., Twyman, J., Bennett, P., Reynolds, T., Lane, R., Pirrie, D., Barker, G. (2026). Evidence for funerary behaviour and lethal trauma in a new Neanderthal individual from Shanidar Cave. Scientific Reports. http://dx.doi.org/10.1038/s41598-026-69193-z