Исследование NASA оценивает солнечную энергетику в космосе⁠⁠

Автор : Джефф Фауст
Понедельник, 5 февраля 2024 г.
Первоисточник

Более полутора лет небольшое сообщество исследователей, изучающих солнечную энергетику космического базирования, и энтузиастов, поддерживающих ее, с нетерпением ожидало отчета, который НАСА готовило по этому вопросу. Исследование, анонсированное на Международной конференции по освоению космоса в мае 2022 года, было направлено на пересмотр экономики SBSP на основе технологических достижений и снижения затрат на запуск. Это было первое исследование SBSP, спонсируемое НАСА более чем за десятилетие.

«Мы обнаружили, что эти конструкции солнечной энергетики космического базирования дорогие. Они в 12-80 раз дороже, чем если бы вы собирались использовать возобновляемую энергию на земле», - сказал Роджерс.

Что ж, как гласит старая поговорка, будьте осторожны со своими желаниями: вы можете это получить. Отчет, выпуск которого первоначально ожидался осенью 2022 года, был наконец опубликован Управлением технологий, политики и стратегии НАСА (OTPS) в прошлом месяце. Результатом для этих сторонников стала ошеломляюще негативная оценка экономики использования солнечной энергии из космоса как альтернативы наземным возобновляемым источникам энергии.

«Мы обнаружили, что эти конструкции солнечной энергии космического базирования являются дорогостоящими. Они в 12-80 раз дороже, чем если бы вы собирались использовать возобновляемую энергию на земле», - сказала Эрика Роджерс, руководитель форума научно-технического партнерства в офисе главного технолога НАСА, в выступлении на конференции AIAA SciTech Forum в Орландо, Флорида, 11 января, где агентство представило отчет.

В исследовании НАСА были рассмотрены две архитектуры, ранее предложенные для систем SBSP: один «инновационный» подход, использующий гелиостаты для сбора и фокусировки солнечного света, и другая, более «зрелая» концепция, использующая планарные матрицы. Каждая система будет вырабатывать два гигаватта энергии. В исследовании изучались затраты на создание, эксплуатацию и, в конечном итоге, вывод из эксплуатации каждой системы на основе различных предположений.

В исследовании был сделан вывод, что инновационный дизайн, названный в отчете representative design 1 или RD1, будет производить электроэнергию при затратах на весь жизненный цикл в размере 0,61 доллара за киловатт-час. Зрелая альтернатива, RD2, стоила 1,59 доллара за киловатт-час. Напротив, средняя стоимость энергии для американских потребителей составляет 0,167 доллара за киловатт-час, а наземные возобновляемые системы — гидроэнергетика, атомная энергия, ветер и наземная солнечная энергия — предлагают затраты всего от 0,02 до 0,05 доллара за киловатт-час.

«Таким образом, наш базовый анализ проектов SBSP не дает результатов, конкурентоспособных по стоимости по сравнению с наземными альтернативами», - говорится в заключении отчета.

Более того, исследование показало, что космическая солнечная энергетика ненамного экологичнее наземных альтернатив. В ходе исследования была измерена «интенсивность выбросов парниковых газов» двумя системами SBSP, измеряемая как граммы эквивалента углекислого газа, производимого на киловатт-час. Этот показатель составлял 26 для RD1 и 40 для RD2, что примерно на порядок ниже среднего показателя по электросетям США, равного 385. Но, добавляется в отчете, наземные возобновляемые системы имеют ту же интенсивность выбросов, что и системы SBSP.

Результаты исследования разочаровали как сторонников космической солнечной энергии, так и ее сторонников. «Это просто странно», - сказал раздраженный Джон Мэнкинс в интервью. Он давний сторонник SBSP, который руководил исследованием НАСА «свежий взгляд» на эту тему в конце 1990-х годов. Архитектура RD1, включенная в исследование, основана на дизайне, который он разработал в рамках исследования, финансируемого программой NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) более десяти лет назад, самого последнего исследования SBSP, финансируемого НАСА, перед этим новым отчетом.

Проблема с отчетом, по его словам, заключалась не в его методологии. «То, что я счел наиболее замечательным, - это общая методология, моделирование и экономический акцент», - сказал он. «Они рассмотрели множество различных случаев и попытались смоделировать широкий спектр различных параметров».

Однако проблема заключалась в том, какие значения использовались в исследовании для этих параметров. «Похоже, что оно полностью основано на широком спектре предположений, которые в совокупности являются наихудшим из наихудших возможных случаев многолетней давности», - утверждал он.

«Похоже, что оно полностью основано на широком спектре предположений, которые в совокупности являются наихудшим из наихудших возможных случаев многолетней давности», - утверждал Мэнкинс.

Возможно, самая большая проблема заключалась в том, как в отчете учитывалось время запуска систем. Запуск был самым значимым фактором затрат, на долю которого пришлось более 70% затрат на две архитектуры. В отчете предполагалось, что Starship SpaceX будет использоваться для запуска систем, потому что его мощность самая большая среди тех аппаратов, данные по которым доступны НАСА.

Однако в отчете предполагалась стоимость запуска Starship в размере 1000 долларов за килограмм с 15% скидкой при покупке блока. Это ненамного меньше текущих цен на Falcon 9 и Falcon Heavy, в то время как SpaceX продвигает гораздо более резкое снижение затрат на Starship. На панельной дискуссии на прошлой неделе во время конференции Space Mobility conference, также в Орландо, представители SpaceX и Исследовательской лаборатории ВВС спрогнозировали будущее, в котором стоимость космических носителей приблизится всего к 20-30 долларам за килограмм. Есть много времени, чтобы попытаться достичь этой стоимости: в исследовании НАСА прогнозировалось, что системы SBSP будут запущены в 2040-х годах.

Мэнкинс отметил, что SpaceX не одинока в стремлении резко сократить расходы на запуск. «Если бы все действительно верили, что никаких улучшений в области запуска, кроме многоразового Falcon 9, никогда не будет, я не думаю, что Blue Origin тратили бы свое время на работу над New Glenn», - сказал он.

Он также выразил недовольство тем, как была запущена система. В исследовании НАСА использовался подход, аналогичный тому, который SpaceX использует для системы посадки человека (HLS), запуск космических кораблей-заправщиков на склад топлива на низкой околоземной орбите, который затем будет заправлять другой космический корабль с компонентами SBSP, чтобы он мог доставить их на геостационарную орбиту. (В исследовании НАСА предполагалось, что на космический корабль с полезной нагрузкой приходится дюжина топливозаправщиков, ссылаясь на цифры, использованные в безуспешных протестах Blue Origin и Dynetics от премии SpaceX HLS award в 2021 году.) После этого космический корабль с полезной нагрузкой был бы списан. Мэнкинс утверждал, что использование буксиров с электрическим двигателем было бы гораздо более эффективным подходом для доставки оборудования SBSP на GEO, что резко сократило бы количество запусков.

В исследовании НАСА действительно изучалось, как более низкие затраты на запуск и использование электрической тяги повлияют на затраты на запуск. В нем также учитывались другие факторы, такие как увеличение срока службы оборудования SBSP и повышение эффективности солнечных элементов. В совокупности все это привело к созданию систем со стоимостью жизненного цикла от 0,04 до 0,08 доллара за киловатт-час, что сопоставимо с наземными возобновляемыми альтернативами. Это также снизило интенсивность выбросов до уровней ниже наземных систем.

Такой подход обеспокоил Мэнкинса. «Обычно, когда вы проводите исследование системного анализа, вы выбираете промежуточную оценку» в качестве базовой, - сказал он. Однако в этом исследовании каждое изменение тестируемых параметров приводило к снижению стоимости системы, что делало базовую оценку более наихудшей. «Они взяли наихудшую возможную комбинацию параметров».

Его разочарование разделяли другие сторонники космической солнечной энергии. В заявлении от 17 января Национальное космическое общество «поздравило» НАСА с публикацией отчета, а также предположило, что есть возможности для улучшения. «NSS считает, что отчет NASA OTPS, хотя и является отрадным пересмотром технологии, которая была впервые задумана в США, предлагает неполную оценку жизнеспособности космической солнечной энергетики как решения для быстро растущих потребностей мира в энергии», - говорится в нем.

Фонд Space Frontier Foundation применил несколько иной подход. «Этот отчет снимает опасения по поводу того, что космическая солнечная энергия является научной фантастикой, и показывает, что НАСА и правительство США признают благоприятные для климата экономические выгоды глобального лидерства в этой новой энергетической системе», - сказал исполнительный директор организации Шон Махони.

Однако в нем добавлено, что организация хочет сотрудничать с другими правительственными учреждениями, такими как Министерство энергетики (DOE) и Министерство обороны (DOD), а также с компаниями коммунальной отрасли, для продвижения SBSP. «Своевременный прогресс в SBSP потребует общегосударственного подхода с участием НАСА, Министерства энергетики США и коммерческого космического и энергетического секторов», - сказал Шрикант Равипрасад, руководитель проекта SBSP Фонда Space Frontier Foundation.

«Солнечная энергия, полученная в космосе, освещающая земной шар, по-прежнему является перспективой будущего», - сказал Розенбаум из Калифорнийского технологического института, но добавил, что это должно быть «достижимое будущее».

Мэнкинс считает, что проблема заключается в отсутствии интереса у НАСА к космической солнечной энергии. «НАСА действительно не хочет работать над этим в целом. У НАСА есть свои основные миссии. Это наука о Земле и космосе, полеты человека в космос и аэронавтика, точка. НАСА на самом деле никогда не искало дополнительную миссию», - сказал он. «Я думаю, что предположения, лежащие в основе моделирования систем в этом отчете, отражают это».

В отчете НАСА говорится, что некоторые из технологий, над которыми оно сейчас работает для других применений, таких как сборка и производство в космосе, также могут принести пользу космической солнечной энергетике. «НАСА могло бы сохранить свое внимание к основным миссиям и технологиям Агентства, документируя их актуальность для SBSP», - говорится в отчете, рекомендуя «регулярные обзоры глобальных разработок SBSP и целенаправленный анализ конструкций SBSP».

Однако неясно, готовы ли другие агентства взяться за SBSP. Фонд Space Frontier Foundation отметил в своем заявлении, что эта технология входит в число включенных в принятый Палатой представителей в конце прошлого года законопроект о межведомственном сотрудничестве между НАСА и DOE. Но само Министерство энергетики США пока не проявило особого общественного интереса — или, что более важно, финансирования — к этой технологии. Аналогичным образом, поправка к Закону о коммерческом космосе Палаты представителей, одобренная Научным комитетом Палаты представителей в ноябре, предписывает НАСА и Управлению космической торговли сотрудничать над новым отчетом SBSP, но опять же без финансирования.

Существует международный интерес к SBSP, о чем Роджерс из НАСА отметил на конференции AIAA. «Мы были мотивированы, потому что космические исследования солнечной энергии набирают обороты во всем мире. За последние пять лет она ускорилась», - сказала она. «Мы хотели лучше понять, почему происходит это ускорение».

Мэнкинс, однако, обеспокоен тем, что отчет НАСА может ослабить этот энтузиазм. «Это окажет значительное сдерживающее влияние, особенно в Европе и Великобритании, а также в США и среди американских компаний», - предупредил он. «В США любой документ, на котором изображена фрикаделька [НАСА], рассматривается почти как Евангелие».

Однако все эти усилия все еще находятся на ранних стадиях при скромных объемах финансирования: хотя ЕКА, например, поддержало исследовательский проект SBSP под названием Solaris на своей министерской встрече 2022 года, оно тратит на это всего несколько десятков миллионов евро.

Одно из наиболее финансируемых проектов SBSP на Западе было частным: проект космической солнечной энергетики Калифорнийского технологического института, основанный на пожертвовании в размере 100 миллионов долларов инвестором в недвижимость Дональдом Бреном десять лет назад и меньшем взносе Northrop Grumman. Результатом этих усилий стала демонстрация технологии, запущенная в прошлом году в качестве размещенной полезной нагрузки для тестирования развертываемых конструкций, беспроводной передачи энергии и передовых солнечных элементов (см. «Маленький шаг вперед в области космических технологий солнечной энергии», The Space Review, 13 ноября 2023 г.).

В прошлом месяце, через несколько дней после публикации отчета НАСА, Калифорнийский технологический институт подтвердил, что этот летный эксперимент завершился, как и ожидалось. Проект не планирует никаких последующих летных экспериментов, как заявили прошлой осенью руководители проекта, вместо этого они работают в лаборатории, «чтобы определить следующий набор фундаментальных исследовательских задач, которые предстоит решить проекту», согласно заявлению Caltech.

«Солнечная энергия, собранная коммерческими компаниями и освещающая земной шар, по-прежнему является перспективой будущего», - заявил в своем заявлении Томас Розенбаум, президент Caltech. «Но эта важнейшая миссия продемонстрировала, что будущее должно быть достижимым». Когда именно — и если — это будущее будет достигнуто и как, остается неопределенным.

Джефф Фауст (jeff@thespacereview.com) - редактор и издатель Space Review, а также старший штатный сотрудник SpaceNews. Он также управляет веб-сайтом Spacetoday.net. Взгляды и мнения, выраженные в этой статье, принадлежат только автору