Космическая электростанция
с микроволновым или лазерным излучателем энергии
Международная академия астронавтики (МАА) провела международное исследование многочисленных концепций по созданию космических электростанций. Выводы группы ученых охватили исследования и разработки в области космической энергетики с 1970-го по 2010 год. Космическая электростанция, преобразующая световую энергию в электрическую и передающая ее на Землю с помощью СВЧ-излучения, была предложена еще в 1979 году.
В ходе эксперимента, который провели в 2008 году, СВЧ-излучатель на частоте 2,45 гигагерц передал электроэнергию, полученную с помощью фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей), на расстояние 148 км. Однако мощный микроволновый излучатель на орбите может стать грозным оружием, способным буквально выжигать целые города, и опасность использования такой электростанции в качестве «карательного» оружия довольно велика.
Второе перспективное направление – это использование массива лазерных диодных модулей, которые заменяют СВЧ-излучатель. Однако пока передача электроэнергии инфракрасным лазерным излучением менее эффективна, чем микроволнами.
Согласно третьей концепции космическая электростанция представляет собой множество «независимых» космических аппаратов с зеркалами, которые направляют солнечный свет на фотоэлектрические приемники микроволнового передатчика. Все аппараты работают как одно огромное зеркало, непрерывно ловящее солнечный свет.
Преимущество — в возможности постепенного наращивания мощности электростанции.
Во всех трех случаях наземный приемник излучения может располагаться очень близко от потребителей электроэнергии – на расстоянии до 100 км. Теоретически все три варианта космических электростанций могут выполнять еще одну «экзотическую» функцию – выступать в роли огромного передатчика для связи с нашими братьями по разуму.
По мнению специалистов МАА, в настоящее время фундаментальные исследования для постройки космической электростанции уже закончены и потребуется 5-10 лет для реализации такого проекта. Коммерчески выгодным солнечное электричество из космоса станет через 20-30 лет, а первые опытные спутники -электростанции можно построить через 1-3 года.
Солнечная электростанция должна быть на Эвересте
Согласно исследованию японских ученых, наилучшим местом для солнечных электростанций являются не жаркие пустыни, а холодные высочайшие вершины планеты такие, например, как Эверест. Хотя пустыни, а точнее, засушливые или полузасушливые районы, где много солнца, сегодня безоговорочно считаются теми самыми местами, которые надо обустроить солнечными панелями. Известны планы «замостить» ими Сахару, поговаривают о пустынях на юго-западе США. Однако до сих пор эта точка зрения основывалась скорей на интуиции, чем на количестве данных, довольно скудном, о климатических условиях мест, наиболее благоприятных для получения солнечной энергии.
Преимуществ пустынь ученые не отрицают, однако ставят их все же на второе место после горных и холодных районов, доказывая, что энергетический потенциал последних намного выше. Проведенные исследования показали, что потенциальными лидерами для превращения солнечной энергии в электрическую являются Анды и Антарктика.
В своих расчетах ученые использовали имеющиеся данные о влиянии температуры на солнечные панели и, соответственно, на их энергетический выход.
Правда, признают они, для того, чтобы окончательно закрепить «чемпионский титул» за вершинами мира, еще требуется оценить затраты на защиту солнечных панелей от снегопадов и потери при транспортировке энергии с вершин к потребителю. Есть, кстати, еще одно обстоятельство, о котором авторы не упоминают. Это затраты на доставку солнечных панелей, оборудования, стройматериалов к вершинам мира, на строительство в условиях пониженного содержания кислорода в воздухе, и вообще затраты на промышленное освоение этих мест.
Электрические конденсаторы
из нанотрубок заменят аккумуляторы
Ученые из Университета Райса на основе нанотрубок создали твердотельный суперконденсатор, который характеризуется большой емкостью и длительностью хранения энергии батарей в сочетании с быстротой зарядки и высокой мощностью. Новое устройство хранения электроэнергии способно работать в экстремальных условиях и является надежным и универсальным источником питания, который можно применять повсеместно: от микроустройств, до больших электростанций.
Обычные электрические конденсаторы, которые сглаживают скачки напряжения, способны выдерживать цикл зарядка/разрядка сотни тысяч раз. Новые двухслойные твердотельные конденсаторы (EDLC), известные как суперконденсаторы, являются гибридами, которые могут хранить в сотни раз больше энергии, чем стандартный конденсатор, но при этом сохраняя способность быстро заряжаться и разряжаться. В новых суперконденсаторах жидкий электролит полностью заменен наноразмерным слоем оксида диэлектрического материала.
Кроме того, большая площадь поверхности, которую обеспечивают углеродные нанотрубки, существенно повышает емкость, что открывает дорогу для масштабного коммерческого использования таких конденсаторов. По мере роста нанотрубки самостоятельно собираются в плотные структуры, напоминающие микроскопические ворсистые ковры. Каждый пучок нанотрубок в длину в 500 раз больше, чем в ширину. При этом крошечный микрочип может содержать сотни тысяч пучков.
Для создания нового устройства пришлось вырастить массив пучков в 15-20 нанометров, состоящих из углеродных нанотрубок длиной до 50 мкм. Затем массив был помещен на медный электрод, покрытый тонким слоем золота и титана, после чего пучки нанотрубок (первичные электроды) были обработаны серной кислотой для повышения их проводимости. Следующим шагом стало покрытие нанотрубок тонким слоем оксида алюминия (диэлектриком) и алюминием, легированным оксидом цинка (противоэлектрод). Сборку цепи завершил верхний электрод, представляющий собой полоску серебряной краски. В итоге получилась конструкция металл/диэлектрик/металл.
Новая технология изготовления суперконденсаторов является стабильной и масштабируемой. Твердотельный накопитель энергии можно будет использовать в гибких дисплеях, имплантатах, датчиках и любых других устройствах, где требуются быстрые зарядка или отдача тока большой силы. Благодаря тому, что новая батарея не содержит токсичных материалов, она может использоваться, например в микророботах, путешествующих в кровотоке пациента. Твердотельные супеконденсаторы можно применять также в экстремальных условиях: на солнечных электростанциях в пустыне или на спутниках.
Настенные микроплазменные источники света
Исследовательская группа, финансируемая Научно-исследовательским управлением ВВС США, разработала революционную микроплазменную технологию изготовления источников освещения. Ее суть заключается в создании массива из параллельных рядов микрополостей в тонком листе материала. На этот лист подается напряжение, и в микрополостях образуется плазма, вызывающая свечение флуоресцентного покрытия. Таким образом, впервые удалось создать полоску светящегося материала, который так любят писатели-фантасты, описывая светящиеся стены внутри кораблей пришельцев из космоса. Новый источник освещения очень тонкий и недорогой.
Как и в случае со многими выдающимися открытиями, микроплазменное освещение создали случайно. В 1996 году двое аспирантов просверлили массивный кусок кремния с целью создать внутри отверстия плазму. Довольно быстро они добились результата: получили плазму в крошечном отверстии диаметром около 400 мкм. Этот опыт и стал основой прорывной технологии микрополостного плазменного освещения.
Основное требование для стабильного устойчивого состояния плазмы является правильное соотношение ее давления и размера — чем меньше размер плазменного сгустка, тем большее давление можно создать. При очень высоких давлениях плазма микронного размера приобретает уникальные свойства, которые можно использовать для освещения и множества других целей.
Успешно отделив плазменные сгустки микрополостями, ученые смогли изготовить тонкие светящиеся листы, которые могут совершить переворот во многих областях науки и техники, например в деле очистки воды от микроорганизмов. Но, конечно, самым заметным достижением станут уникальные светильники в виде полос, которые можно применять повсеместно — от помещений до освещения внутри холодильника.
Для изготовления микрополостных плазменных светильников используется тонкая проводящая ток алюминиевая фольга толщиной 125 микрон. Затем в очень тонких листах стекла формируется массив микрополостей, над которыми располагается флуоресцирующее покрытие. Фольга и стекло соединяются, в результате чего получается светящаяся полоса толщиной 1-2 мм. Для создания ударопрочных светильников можно использовать более толстое стекло. Пока в лабораторных условиях изготавливаются полоски площадью около 40 квадратных сантиметров, но технологию можно масштабировать, создавая светящиеся стены.
Преимущества нового источника освещения по сравнению с современными технологиями впечатляющи. Прежде всего, следует отметить, что новинка плоская, а значит, она более эффективно рассеивает свет. Светящаяся микроплазменная полоска 15х15 см имеет эффективность 35 люмен на ватт. Флуоресцентная «офисная» лампа имеет эффективность 75-80 люмен на ватт, но большая часть ее света теряется из-за излучения во все стороны. Поэтому при КПД в 90% микроплазменный светильник освещает намного лучше. Качества света также весьма высоко: 80 баллов (солнечный свет это 100 баллов). Но и этим преимущества не исчерпываются: продолжительность непрерывной работы плазменных полосок составляет 20 тысяч часов и может быть увеличена с развитием технологии. CNews
