От угля к космической энергетике
(Окончание. Начало в №№ 36—37)
Ещё Константин Циолковский писал, что в погоне за светом и теплом человечество сначала робко проникнет за пределы земной атмосферы, а затем завоюет всё околосолнечное пространство. При этом основоположник теоретической космонавтики имел в виду и гелиоэнергетику. Поэтому мысли космонавта Константина Феоктистова о её значимости для земной цивилизации таким идеям очень созвучны. Наметились ли пути преодоления технических трудностей при создании орбитальных солнечных электростанций?
Энергия «под плёнкой»
Технические проработки идут полным ходом. Один из первых шагов – создание лёгких и дешёвых преобразователей плёночного типа. Каждый квадратный метр солнечной батареи с учётом несущей конструкции должен весить не более килограмма, а на каждый киловатт вырабатываемой энергии должно приходиться не более двух килограммов общей массы станции.
Важное преимущество плёночных преобразователей – возможность их относительно простого и быстрого монтажа на ферменной конструкции станции. В России и США ещё лет 10-15 назад уже разрабатывались очень тонкие плёнки медно-индиевого селенида – сульфида кадмия. И хотя коэффициент полезного действия таких преобразователей несколько ниже кремниевых элементов (около 10%), по мнению специалистов, в ближайшие годы они подешевеют.
Делаются попытки производства полукристаллического кремния. В расплавленном состоянии его можно заливать в формы, а после застывания резать на пластины для изготовления солнечных элементов. Создание именно плёночных преобразователей позволит в десятки раз снизить вес солнечных электростанций при тех же проектируемых мощностях.
В советское время в журналах «Техника-молодёжи», «Наука» (не путать с журналом «Наука и жизнь»), «Энергия» приводились расчёты и схемы сборки КСЭ на орбите. И многие операции по силам выполнить уже сегодня с использованием тех же космических буксиров на базе летавших в космос многоразовых кораблей – советского «Бурана» и американских шаттлов.
Вот как это примерно будет выглядеть. На высоте 500 километров над поверхностью Земли собирается первая ячейка будущей электростанции площадью 100х100 метров. По мере поступления новых грузов, выводимых на орбиту ракетами на химическом топливе, исходная конструкция постепенно наращивается до десятков квадратных километров. После окончания монтажа и проверки функционирования станции она переводится на своё рабочее место на стационарной орбите с высотой 36 000 километров над экватором.
Такой перевод может осуществляться сравнительно маломощными двигательными установками, работающими на химической, ядерной или электрической энергии. В последнем случае энергию для двигателей будет поставлять сама станция. Однако некоторые издания даже такое уменьшение веса КСЭ считали и считают явно недостаточным. Если легкие плёнки – «тяжёлые», из чего же тогда должна изготовляться сама станция с преобразователями и прочим оборудованием? Из «воздуха», из «вакуума»?! Конечно, это шутка. Вот что, однако, писал исследователь Л. Новиков:
«Намеченные пути к снижению веса конструкций вполне осуществимы. Но, несмотря на это, вес полезных нагрузок по-прежнему остаётся устрашающим. И чтобы строительство станции не затянулось на сотни лет, возникает необходимость разработки более мощных ракет-носителей, способных выводить на монтажную орбиту грузы до 500 тонн. 200 таких ракет обеспечат доставку грузов для одной электростанции за 3-5 лет. Соображения рентабельности солнечных энергоустановок диктуют необходимость существенного снижения стоимости доставки грузов на орбиту и доведение её до 150-200 долларов за килограмм. Сейчас эта цифра значительно больше даже для низкой орбиты, не говоря уже о стационарной» («Загадки звёздных островов», книга первая, Москва, «Молодая гвардия», 1982 год, стр. 205).
С той поры положение практически не изменилось. Но учёные продолжают поиск путей улучшения и удешевления сборки КСЭ. Рассматривается идея использования её энергии для выведения грузов на монтажную орбиту.
Лазерная подпитка
Сторонники идеи рассуждают так: современная ракета несёт на себе и рабочее тело, и источник энергии, необходимой для разгона рабочего тела при создании реактивной струи. А что, если оставить на ракете только рабочее тело, а энергию к нему подводить извне?
Луч лазера от первой, введённой в эксплуатацию станции направляется на стартующую ракету и сопровождает её на всём активном участке полёта. На борту ракеты рабочее тело разогревается до высоких температур и разгоняется в сопле до высоких скоростей. Правда, при таком способе запуска можно выводить на орбиту только небольшие полезные грузы – от 1 до 10 тонн. Но есть и другой способ использования энергии солнечной электростанции.
Задолго до старта энергия лазерного луча поступает в специальный накопитель энергии и только потом используется для запуска ракеты. Лазерный луч направлен на ракету уже с Земли, и мощность его огромна. По мнению Л. Новикова, такой способ позволит достичь скорости истечения рабочего вещества до десятков километров в секунду и значительно уменьшить стартовую массу ракет.
У проекта нашлось немало противников, которые отметили, что такая установка для запуска ракет с помощью лазерного луча очень сложна и обойдётся дорого. На что Новиков отвечал примерно так: зато накопитель энергии можно использовать многократно при сравнительно небольших побочных эффектах от запусков. Накопитель можно будет использовать не только для строительства космических солнечных электростанций, но и для других грузовых операций в околоземном космосе.
Пусть всегда будет Солнце!
Многие учёные и специалисты по энергетике СССР и некоторых других стран ещё в 80-х годах прошлого века отмечали, что практически все технические проблемы гелиоэнергетики НЕ НОСЯТ ПРИНЦИПИАЛЬНОГО ХАРАКТЕРА И РАЗРЕШИМЫ НА СОВРЕМЕННОМ ТЕХНИЧЕСКОМ УРОВНЕ. Вполне реальна и рентабельность космической энергетики. Каждый киловатт полученной в космосе энергии на первых порах будет стоить в 4-5 раз дороже, чем энергия тепловых, гидро- и атомных электростанций.
Но если учесть, что при добыче энергии в космосе не будут расходоваться невозобновляемые природные ресурсы, то рентабельность космической энергетики вполне достижима.
Почему же человечество до сих пор не приступило к новой «энергетической революции»? Как это ни банально звучит, мешает политика, усиление противостояния различных блоков, экономические войны и прочие пережитки холодной войны. Впрочем, немало экспертов полагают, что война эта и не заканчивалась, а после развала СССР и Варшавского блока перешла в другую фазу…
С другой стороны, технический прогресс, космические исследования не остановить. Государства Земли обречены действовать вместе, если они действительно хотят чего-то достичь по части глобальных космических проектов. Именно этим во многом объясняется такой, казалось бы, парадокс: постоянное и порой даже усиливающееся политическое противостояние России и США не мешает им достаточно эффективно сотрудничать в космосе, на той же Международной космической станции.
Больше того, американцы, давно свернувшие дорогостоящую программу «Спейс шаттл», готовятся к полётам на МКС в Центре подготовки космонавтов имени Ю. Гагарина и летают на орбиту на российских «Союзах». Ещё со времени эпохального полёта по программе ЭПАС («Аполлон» – «Союз», июль 1975 года) между космонавтами двух ведущих космических держав сложились особые товарищеские отношения. Они могут стать ещё крепче, если состоится совместный полёт на Марс, о технической возможности которого учёные говорят уже лет 20.
Но не «разбрасывается» ли человечество? Экспедиция на Марс, добыча на Луне гелия-3… Всё мы можем, всё технически осуществимо… Но, может, гелиоэнергетика сейчас важнее? Как говорится, вопрос! Однако о солнечных электростанциях на орбите сегодня если и говорят, то как бы по привычке – нет конкретных международных проектов. Все работают отдельно, в СМИ иногда появляются эффектные сообщения и мнения о благах, которые принесёт планете Земля развитие гелиоэнергетики. Вспоминают великого К. Циолковского: мол, как верно он всё спрогнозировал по части использования энергии Солнца…
В России и США разработаны уникальные проекты развёртывания в течение 40-50 лет энергетических систем мощностью 300 миллионов киловатт! В такие системы входят десятки спутников-станций, которые планируется разместить на стационарных орбитах. Каждый из них имеет площадь 50 квадратных километров и вес 50 тысяч тонн. Стоимость энергетических систем – миллиарды долларов. По другим оценкам – 3 триллиона.
Европейское космическое агентство (ЕКА) силами голландской фирмы «Гидродинамик» планирует построить в Северном море искусственный остров площадью 200 квадратных километров, на котором будут смонтированы приёмные антенны. От них энергия станет поступать к европейским потребителям по кабелю. Стоимость системы оценивается в 15 миллиардов долларов.
Ожидается, что во второй половине XXI века КСЭ смогут удовлетворить 10-20% мировых потребностей в электроэнергии, а в некоторых странах эта цифра может достичь 40-50%. Понятно, что столь захватывающие и необходимые человечеству проекты можно осуществить только совместными усилиями.
Время угля, а скоро и нефти заканчивается. Наступает эпоха гелиоэнергетики и широкой международной кооперации по солнечным электростанциям и многим другим направлениям освоения околоземного космоса. Поэтому сегодня слова известной песни «Пусть всегда будет Солнце!» приобретают особый, действительно общечеловеческий смысл.
