Хаб приёма энергии

TL;DR

  • Задача: принять энергию от Роя Дайсона и передать на Землю
  • Решение: Лунная Solar Power Station (LSP) — 40 станций на лимбах Луны
  • КПД: 18% (от Роя до Земли)
  • Передача: микроволны через облака, глобальная сеть rectenna
  • Альтернатива (отклонена): орбитальный Хаб в L1 — КПД 10%, 7 900 км² радиаторов

Луна в проекте

Луна выполняет три роли:

  1. Тестовый полигон (годы 4-6) — отработка технологий перед Меркурием
  2. LSP-станции (годы 6+) — приём энергии от Роя и передача на Землю
  3. Резервная площадка — менее рискованная альтернатива Меркурию

Подробнее о сравнении с Меркурием: Почему Меркурий?

Концепция

Рой зеркал на орбите Меркурия производит петаватты энергии. Но эта энергия — концентрированный солнечный свет. Нужно преобразовать его в форму, пригодную для передачи на Землю.

flowchart TD
    A["Рой зеркал (Меркурий)"] -->|концентрированный свет| B["LSP станции на Луне"]
    B -->|"PV → Электричество → Микроволны"| C["Rectenna на Земле"]
    C --> D["Электросеть"]

Концепция David Criswell: размещение приёмников на поверхности Луны с передачей энергии микроволнами.

Геометрия: почему лимбы?

Луна в приливном захвате — одна сторона всегда обращена к Земле. Это создаёт проблему:

Позиция на Луне Видит Рой? Видит Землю?
Ближняя сторона Частично Да
Дальняя сторона Да Нет
Лимбы (края) Да Да

Решение: 40 станций на восточном и западном лимбах Луны.

Непрерывность работы

flowchart LR
    subgraph cycle["Лунный месяц (29.5 дней)"]
        A["Неделя 1-2"] -->|Западный лимб| B["Работает"]
        C["Неделя 3-4"] -->|Восточный лимб| D["Работает"]
    end
    B --> E["Непрерывная передача на Землю"]
    D --> E

    style cycle fill:#F5F5F5,stroke:#616161,color:#212121

Станции на обоих лимбах обеспечивают непрерывную работу в течение всего лунного месяца.

Приём энергии от Роя

Кластеры зеркал

Зеркала Роя организованы в локальные кластеры по 1 000–10 000 единиц. Каждый кластер:

  • Синхронизируется внутри себя (задержка ~0.3 мс)
  • Направляет отражённый свет на назначенную LSP станцию
  • Формирует виртуальную антенну диаметром ~100 км

Расширение луча

Параметр Значение
Расстояние Меркурий → Луна ~100 млн км
Диаметр виртуальной антенны ~100 км
Расширение луча ~1 км
Размер приёмника LSP 5-10 км

Луч расширяется до ~1 км — приёмник LSP полностью захватывает его.

Фотовольтаика на Луне

Параметр Значение
Площадь приёмников (на станцию) ~160 км² (12.6 × 12.6 км)
Общая площадь (40 станций) ~6 400 км²
Поток на PV ~500 кВт/м² (500 солнц)
КПД PV (концентрация) ~45%
Тип Multi-junction CPV, из лунного кремния
NoteПочему 6 400 км², а не вся мощность Роя?

Рой из 1,1 млрд зеркал — это ёмкость (~18 ПВт на Земле при полной конверсии). Для доставки 1 ПВт на Землю одновременно задействуется ~55 млн зеркал (5% Роя), которые направляют ~3,2 ПВт оптической мощности на лунные приёмники. При площади 6 400 км² поток составляет ~500 кВт/м² — стандартный режим концентраторных PV-систем. Остальные 95% зеркал — резерв, в мёртвых зонах орбиты, или для будущих целей (Марс, масштабирование LSP).

Передача на Землю

Почему микроволны?

Параметр Микроволны Лазер
Проход через облака Да Нет
КПД передачи ~85% ~70%
Земной приёмник Rectenna Тепловой котёл
Зрелость технологии Высокая Средняя

Микроволны выбраны — они проходят через облака и дождь, обеспечивая работу в любую погоду.

Глобальная сеть rectenna

Луна видна ~12 часов из любой точки Земли. Решение — глобальная сеть rectenna:

Время UTC Луна над Активная rectenna Энергия идёт в
00:00 Тихий океан Австралия Азия
06:00 Индия Гоби (Китай) Азия, Европа
12:00 Африка Сахара Европа, Америка
18:00 Атлантика Атакама (Чили) Америка

Принцип: Rectenna принимает → HVDC кабели передают в глобальную сеть → потребители получают непрерывно.

Буферизация: Батареи на 1-2 часа сглаживают переходы между rectenna.

Преимущество перед солнечной: Луна видна и днём, и ночью — проще обеспечить непрерывность.

Земные приёмники (rectenna)

Масштаб

Параметр Значение
Целевая мощность 1 ПВт (50× мирового)
Мощность одной rectenna ~1 ТВт
Количество станций ~100
Площадь одной rectenna ~100 км² (10×10 км)

Локации

Rectenna размещаются в малонаселённых регионах — как в пустынях для масштабной генерации, так и ближе к потребителям:

Регион Локация Примечание
Россия Якутия Близко к потребителям, малонаселённая
Россия/Азия Казахстан Степи, Центральная Азия
Европа Юг Испании Полупустыня, близко к потребителям
Скандинавия Финляндия/Швеция Северная Европа, малонаселённые районы
США Невада/Аризона Пустыня, центр Северной Америки
Мексика Сонора/Чиуауа Пустыня, юг Северной Америки
Канада Саскачеван/Манитоба Прерии, север Северной Америки
Китай Синьцзян (Такла-Макан) Масштабная генерация, близко к потребителям
Индия Раджастхан (Тар) Близко к потребителям, высокий спрос
Африка Сахара Масштабная генерация
Азия Гоби (Монголия) Масштабная генерация
Ю. Америка Атакама (Чили) Масштабная генерация
Океания Центр. Австралия Масштабная генерация

Конструкция

Rectenna — это массив диполей, преобразующих микроволновое излучение в электричество:

  1. Микроволны от LSP падают на диполи
  2. Диполи генерируют переменный ток
  3. Выпрямители преобразуют в постоянный ток
  4. HVDC передаёт в сеть

КПД rectenna: ~85%

Безопасность микроволновой передачи

Микроволны безопаснее лазера, но требуют строгого зонирования.

Параметр Значение
Интенсивность на rectenna (центр) 10,000 Вт/м² (10× солнца)
Солнце в полдень 1,000 Вт/м²
Стандарт ICNIRP (население) 10 Вт/м²

Примечание: Плотность мощности 10,000 Вт/м² соответствует реальным проектам NASA (1978), JAXA и современным концепциям. См. PMC: SBSP Review.

Зонирование территории

Зона Интенсивность Доступ
Центр 10,000 Вт/м² Запретная зона (автоматика)
Средняя 100–1,000 Вт/м² Техперсонал (ограничено)
Периферия <50 Вт/м² Охранный периметр
Граница <10 Вт/м² Соответствует нормам ICNIRP 

flowchart TB
    subgraph rectenna["RECTENNA (100 км²)"]
        subgraph mid["Средняя зона: 100-1000 Вт/м² — Техперсонал"]
            subgraph center["Центр: 10,000 Вт/м² — Запретная зона"]
                A["Автоматика, нет людей"]
            end
        end
    end
    B["Периферия: <50 Вт/м² — Охрана"]
    C["Граница: <10 Вт/м² — Безопасно"]

    style rectenna fill:#E8F5E9,stroke:#4CAF50,color:#1B5E20
    style mid fill:#FFF3E0,stroke:#FF9800,color:#E65100
    style center fill:#FFEBEE,stroke:#F44336,color:#B71C1C

Безопасность: Территория rectenna полностью огорожена. Система автоматически отключается при входе объектов в луч (птицы, самолёты).

Строительство LSP

Производство на Луне

LSP строится из материалов, произведённых на Луне — не доставка с Земли:

Компонент Материал Источник
Фотовольтаика Кремний Луна (реголит)
Структура Алюминий Луна (анортозит)
Антенны Алюминий Луна
Электроника Чипы Земля (~0.1%)

Единая технология: Те же роботы Gen-2/Gen-3, что строят заводы на Меркурии, работают и на Луне. Лунное производство — отработка технологий перед Меркурием. См. Бестиарий роботов.

Ключевое преимущество: На Луне тепло от преобразования уходит в грунт. Не нужны гигантские радиаторы.

Логистика

  1. Лунный завод производит модули LSP из реголита
  2. Роверы транспортируют модули к лимбам (~500 км)
  3. Роботы собирают станции на месте

Компоненты системы

Хаб приёма энергии состоит из трёх основных подсистем, работающих как единая инфраструктура:

Лунные станции LSP

  • Количество: 40 станций на лимбах Луны
  • Площадь фотовольтаики: ~160 км² на станцию (итого ~6 400 км²)
  • Материалы: Мультипереходные фотоэлементы из лунного кремния (Si), алюминиевые (Al) каркасы и опоры
  • Производство: Местное, из лунного реголита

Микроволновые передатчики

  • Расположение: На лунных станциях LSP
  • Технология: Клистроны с КПД 90%
  • Функция: Преобразование электричества в микроволны для передачи на Землю

Земные ректенны

  • Количество: ~100 станций по всему миру
  • Размер: ~100 км² каждая (10×10 км), итого ~10,000 км² приёмных площадей
  • Материалы: Дипольные массивы из алюминия (Al) или меди (Cu), кремниевые (Si) диоды-выпрямители — земное производство
  • Функция: Приём микроволн и преобразование в постоянный ток (HVDC)

Состав всей системы

Примечание: Виджет показывает состав лунных LSP станций (40 шт). Земные ректенны производятся на Земле из местных материалов и не входят в космическую логистику проекта.

КПД системы

Этап КПД
Отражение зеркал 90%
Геометрия орбиты 72%
Концентрация на Луну 90%
PV на лунных станциях 45%
DC → Микроволны (Klystron) 90%
Передача Луна → Земля 95%
Прохождение атмосферы 95%
Rectenna на Земле 85%
Общий КПД 18%

Расчёт: \(\eta = 0.90 \times 0.72 \times 0.90 \times 0.45 \times 0.90 \times 0.95 \times 0.95 \times 0.85 = 0.18\)

Сравнение: Орбитальный Хаб с лазером — всего ~10% КПД из-за двойного преобразования (свет → лазер → тепло).

Распределение энергии

Рой Дайсона — это ёмкость в ~18 ПВт (на Земле после всех потерь). LSP Phase 1 рассчитан на приём от 5% Роя (~55 млн зеркал), что обеспечивает доставку 1 ПВт на Землю. Распределение мощности:

Этап Получатель Мощность Примечание
Ёмкость Роя (полная) ~18 ПВт 1,1 млрд зеркал
1. Приём (Phase 1) Луна (LSP) ~3,2 ПВт (оптика) 55 млн зеркал (5% Роя)
↳ 1а. PV-конверсия Электричество ~1,45 ПВт КПД PV 45%
↳ 2а. Передача Земля (ректенны) 1 ПВт Через клистроны + RF
↳ 2б. Локальное Луна (печи, производство) ~0,3 ПВт MRE, NaS, инфраструктура
Резерв Масштабирование ~18-20 ПВт Марс, доп. LSP станции

Детали использования на Луне: - Печи: Плавка реголита в солнечных печах, электролиз MRE, производство материалов - Буфер: Батареи NaS для сглаживания пиковых нагрузок

Почему не всё на Землю? 1 ПВт = 1000 ТВт — это в 50 раз больше мирового потребления (20 ТВт). Этого достаточно для полной декарбонизации, синтетического топлива и промышленного роста. Остальная ёмкость Роя (~95%) — резерв для масштабирования: дополнительные LSP-станции, терраформирование Марса (1-5 ПВт напрямую), космическая экспансия.

Альтернативные архитектуры

Орбитальный Хаб в L1

WarningКонцепция отклонена

Анализ показал экономическую нецелесообразность: КПД 10% vs 18% у LSP, необходимость строить 7 900 км² радиаторов в космосе.

Идея: Станция в точке L1 (Земля-Луна, 326 000 км от Земли) принимает свет от Роя и передаёт лазером на Землю.

Проблема Хаб (L1) LSP (Луна)
КПД 10% 18%
Радиаторы 7 900 км² в космосе 0 (грунт)
Масса конструкций 15 млн т на орбите ~178,000 т на поверхности
Строительство В невесомости С гравитацией
Ресурсы Доставка с Луны In-situ

Почему такие большие радиаторы? При КПД 35% на этапе свет→лазер около 65% энергии становится теплом. В вакууме единственный способ сбросить тепло — излучение. При 1000K радиатор излучает ~57 кВт/м². Для 0.45 ПВт нужно 7 900 км² площади.

Компоненты:

Компонент Площадь Масса
Приёмник (фотовольтаика) 45 км² ~0.5 млн т
Радиаторы 7 900 км² ~12 млн т
Лазерная решётка — ~1.5 млн т
Структура + системы — ~1 млн т
Итого ~15 млн т

Стоимость (с Луны): $50-95 млрд

GEO станция + Космический лифт

Альтернатива — геостационарная орбита (36 000 км) с космическим лифтом для удешевления доставки.

flowchart LR
    A["Рой зеркал"] --> B["SPS на GEO"]
    B --> C["Микроволны"]
    C --> D["Rectenna"]
    E["Космический лифт<br/>($100/кг vs $2000/кг)"] --> B

Преимущества: - Станция всегда над одной точкой Земли - Лифт удешевляет доставку в 20 раз

Недостатки: - Требует технологии космического лифта (пока нет) - Всё равно нужны радиаторы в космосе

Прямые солнечные лазеры

Концентрированный свет напрямую накачивает лазерную среду — без PV, без электричества.

Параметр Значение
Теоретический предел 31%
Практический (2025) 6-8%
Статус Перспективная технология

Преимущество: Нет диодов, которые деградируют.

Сравнение архитектур

Вариант КПД Радиаторы Зрелость Статус
Лунная LSP + Микроволны 18% 0 (грунт) Высокая Выбран
Орбитальный Хаб (L1) + Лазер 10% 7 900 км² Низкая Отклонён
GEO станция + Лифт 15-20% Есть Средняя Альтернатива

Вывод: Лунная LSP — наиболее эффективная архитектура с вдвое лучшим КПД и без радиаторов в космосе.

См. также

Источники