Космический навес или солнцезащитный экран — это зонтик , который отклоняет или иным образом уменьшает часть солнечного излучения, предотвращая его попадание на космический корабль или планету и тем самым уменьшая его инсоляцию , что приводит к уменьшению нагрева. Свет может отклоняться разными способами. Концепция строительства навеса как метода климатической инженерии восходит к 1923, 1929, 1957 и 1978 годам физика Германа Оберта . [1] [2] [3] [4] Космические зеркала на орбите вокруг Земли диаметром от 100 до 300 км, разработанные Германом Обертом, предназначены для фокусировки солнечного света на отдельных участках поверхности Земли или отклонения его в космос таким образом, чтобы солнечное излучение ослаблялось определенным образом для отдельных участков поверхности Земли. Другая концепция космического солнцезащитного экрана, впервые предложенная в 1989 году, предполагает размещение большого затемняющего диска или технологии эквивалентного назначения между Землей и Солнцем.
Солнцезащитный козырек представляет особый интерес как метод климатической инженерии для смягчения глобального потепления посредством управления солнечной радиацией . Повышенный интерес к таким проектам отражает обеспокоенность тем, что согласованные на международном уровне сокращения выбросов углерода могут оказаться недостаточными для сдерживания изменения климата. [5] [6] Солнцезащитные козырьки также могут использоваться для производства космической солнечной энергии , выступая в качестве спутников солнечной энергии . Предлагаемые конструкции козырьков включают цельный козырек и козырек, сделанный из большого количества мелких объектов. Большинство таких предложений предполагают блокирующий элемент в точке Лагранжа L1 Солнце-Земля .
Современные предложения основаны на некоторой форме распределенного солнцезащитного экрана, состоящего из легких прозрачных элементов или надувных «космических пузырей», изготавливаемых в космосе для снижения стоимости запуска массивных объектов в космос. [7] [8]
Один из предлагаемых солнцезащитных экранов будет состоять из 16 триллионов маленьких дисков в точке Лагранжа L1 Солнце-Земля , в 1,5 миллионах километров от Земли и между ней и Солнцем. Предполагается, что каждый диск будет иметь диаметр 0,6 метра и толщину около 5 микрометров. Масса каждого диска будет около грамма, что в сумме составит почти 20 миллионов тонн. [9] Такой группы маленьких солнцезащитных экранов, которые блокируют 2% солнечного света, отклоняя его в космос, будет достаточно, чтобы остановить глобальное потепление. [10] Если бы 100 тонн дисков запускались на низкую околоземную орбиту каждый день, потребовалось бы 550 лет, чтобы запустить их все.
Предполагается, что отдельные автономные летательные аппараты, формирующие облако солнцезащитных экранов, не будут отражать солнечный свет, а будут прозрачными линзами, слегка отклоняя свет, чтобы он не попадал на Землю. Это минимизирует влияние давления солнечного излучения на аппараты, требуя меньших усилий для удержания их на месте в точке L1. Оптический прототип был построен Роджером Энджелом при финансировании NIAC . [11]
Остаточное солнечное давление и тот факт, что точка L1 является точкой неустойчивого равновесия , легко нарушаемого колебанием Земли из-за гравитационных эффектов Луны, требуют, чтобы небольшие автономные летательные аппараты были способны маневрировать, чтобы удерживать положение. Предлагаемое решение — разместить на поверхности летательных аппаратов зеркала, способные вращаться. Используя давление солнечного излучения на зеркала в качестве солнечных парусов и наклоняя их в нужном направлении, летательный аппарат сможет изменять свою скорость и направление, чтобы удерживать положение. [12]
Такая группа зонтов должна была бы занимать площадь около 3,8 миллиона квадратных километров, если бы была размещена в точке L1 [12] (см. другие более низкие оценки размера диска ниже).
Потребуются годы, чтобы запустить достаточное количество дисков на орбиту, чтобы получить какой-либо эффект. Это означает длительное время выполнения . Роджер Энджел из Университета Аризоны [9] представил идею солнцезащитного козырька в Национальной академии наук США в апреле 2006 года и выиграл грант Института передовых концепций НАСА на дальнейшие исследования в июле 2006 года. Создание этого солнцезащитного козырька в космосе, по оценкам, обойдется более чем в 130 миллиардов долларов США за 20 лет с предполагаемым сроком службы 50-100 лет. [13] Это привело профессора Энджела к выводу, что «солнцезащитный козырек не является заменой развитию возобновляемой энергии , единственному постоянному решению. Подобный огромный уровень технологических инноваций и финансовых инвестиций мог бы это обеспечить. Но если планета попадет в резкий климатический кризис , который можно будет исправить только путем охлаждения, было бы хорошо быть готовым с некоторыми решениями по затенению, которые были разработаны». [12] [14]
Более поздняя конструкция была предложена Оливией Борге и Андреасом М. Хайном в 2022 году, предлагая распределенный солнцезащитный козырек массой порядка 100 000 тонн, состоящий из сверхтонких полимерных пленок и нанотрубок SiO2. [7] Автор подсчитал, что запуск такой массы потребует 399 ежегодных запусков такого транспортного средства, как SpaceX Starship, в течение 10 лет. [7]
Концепция MIT Senseable City Lab 2022 года предлагает использовать тонкопленочные структуры («космические пузыри»), изготовленные в открытом космосе, для решения проблемы запуска необходимой массы в космос. [15] Ученые MIT под руководством Карло Ратти полагают, что отклонение 1,8 процента солнечного излучения может полностью обратить вспять изменение климата. Полный плот надувных пузырей будет примерно размером с Бразилию и будет включать систему управления для регулирования его расстояния от Солнца и оптимизации его эффектов. [16] Оболочка тонкопленочных пузырей будет сделана из кремния , испытанного в условиях, подобных космическим, при давлении 0,0028 атм и при температуре -50 градусов по Цельсию. [16] Они планируют исследовать материалы с низким давлением пара для быстрого надувания пузырей, такие как расплав на основе кремния или ионную жидкость, армированную графеном. [16]
Несколько авторов предложили рассеивать свет до того, как он достигнет Земли, поместив в космос очень большую линзу, возможно, в точке L1 между Землей и Солнцем. Этот план был предложен в 1989 году Дж. Т. Эрли. [17] Его проект включал изготовление большого стеклянного (2000 км) оккультера из лунного материала и размещение его в точке L1. Проблемы включали большое количество материала, необходимого для изготовления диска, а также энергию для его запуска на орбиту. [6]
В 2004 году физик и писатель-фантаст Грегори Бенфорд подсчитал, что вогнутая вращающаяся линза Френеля диаметром 1000 километров, но толщиной всего несколько миллиметров, плавающая в космосе в точке L 1 , уменьшит количество солнечной энергии, достигающей Земли, примерно на 0,5–1%. [18]
Стоимость такой линзы была предметом споров. На съезде научной фантастики в 2004 году Бенфорд подсчитал, что она будет стоить около 10 миллиардов долларов США на начальном этапе и еще 10 миллиардов долларов на поддержку в течение срока службы. [18]
Похожий подход предполагает размещение очень большой дифракционной решетки (тонкой проволочной сетки) в космосе, возможно, в точке L1 между Землей и Солнцем. Предложение о 3000-тонной дифракционной сетке было сделано в 1997 году Эдвардом Теллером , Лоуэллом Вудом и Родериком Хайдом [19] , хотя в 2002 году эти же авторы выступали за блокирование солнечного излучения в стратосфере, а не на орбите, учитывая современные технологии запуска космических аппаратов. [20]
Другие оценки размера нижнего диска
Недавние работы Файнберга (2022) [21] иллюстрируют, что меньшие размеры площади диска (приблизительно 3,5-кратное уменьшение) возможны, если учитывать реакцию фонового климата. Например, фоновый климат Земли даст меньше повторного излучения и обратной связи. Кроме того, размеры площади диска могут быть дополнительно уменьшены в 50 раз с использованием подхода Annual Solar Geoengineering, как указано Файнбергом (2024). [22]
Инфракрасный телескоп космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST) оснащен многослойным солнцезащитным козырьком, который защищает телескоп от перегрева.
Для космических аппаратов, приближающихся к Солнцу, солнцезащитный козырек обычно называют теплозащитным экраном. Известные космические аппараты [конструкции] с теплозащитными экранами включают:
