Энергия космоса на службе человечества

Человечеству требуется все больше энергии — это не прихоть, а объективная необходимость, основанная на законах развития цивилизации. Вот почему значительные усилия направлены сейчас на поиски принципиально новых — мощных и надежных — источников энергии. Прежде всего — на создание термоядерных электростанций. Людям пока не удалось построить термоядерный реактор, природа же его создала. Это — звезды, в том числе Солнце, в недрах которого ядра легких элементов сливаются в более тяжелые и выделяется колоссальная энергия. Мощность Солнца в 5000 раз превосходит суммарную мощность всех остальных поставщиков энергии на Земле, причем это неистощимый источник: в течение нескольких миллиардов лет нет оснований опасаться заметного спада яркости Солнца.

Но Земля, как известно, освещается Солнцем крайне неравномерно. Поэтому многие специалисты относятся к гелиотехнике как промышленному ресурсу электроэнергии довольно прохладно.

Но есть место, где Солнце сияет постоянно. Там день не сменяется ночью, нет облаков или атмосферы, ослабляющих солнечные лучи. Именно там, в открытом космосе, лучше всего черпать энергию Солнца.

Уже сегодня на космических кораблях фотоэлектрические батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. Мощность таких батарей, как правило, не превышает 20—25 киловатт. Проблема состоит в ее повышении до промышленных масштабов, то есть в сотни тысяч раз. И в транспортировке энергии. Как показывают теоретические расчеты, эксперименты, конкретные разработки, все это вполне осуществимо.

СКЭС

Представим себе космическую станцию на расстоянии 35 800 километров от Земли — на так называемой геостационарной орбите. Период обращения такой станции равен двадцати четырем часам. Станция будет вращаться синхронно с планетой и как бы повиснет над одной точкой ее поверхности. Геостационарные, или синхронные, орбиты уже освоены: на них находятся трансляционные спутники связи.

Если такая орбита наклонена на 23,5° относительно плоскости эклиптики, то более 99 процентов времени станция освещается солнечными лучами. Только иногда, в дни весеннего и осеннего равноденствия, падет на нее ненадолго земная тень. Каждый квадратный метр фотоэлектрических батарей будет получать от Солнца около 1.5 киловатта и примерно десятую часть удастся преобразовать в электричество. Ничто не мешает раскинуть плантации батарей на километры и снимать урожай в миллионы киловатт. Солнечная космическая электростанция (СКЭС) с двумя «крыльями» размером 6 на 5 километров каждое сможет давать 5 миллионов киловатт электроэнергии.

Есть и другой способ преобразования солнечной энергии в электрическую. Гигантскими зеркалами солнечные лучи можно собирать, концентрировать в мощные потоки и использовать для превращения жидкости в пар. А затем пар работает привычным нам образом — вращает турбину, с которой связан электрический генератор.

Хорошо освоенный в земных условиях турботепловой метод – и в этом его достоинство — еще не апробирован в космосе, но прикидочные расчеты показывают, что с его помощью можно получить на одной космической электростанции 10 миллионов киловатт.

Можно обойтись и без вращающихся турбин, если воспользоваться магнитогидродинамическим генератором, который позволяет непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую.

ЛЭП без проводов

Ну хорошо, тем или иным путем мы сумеем производить на СКЭС миллионы киловатт-часов электроэнергии. А что с ней делать дальше? Как передать ее на Землю? Не по проводам же!

Есть два способа беспроводной передачи больших мощностей на далекие расстояния: посредством лазерного луча либо сверхвысокочастотного излучения (СВЧ). Наиболее реален среди них, пожалуй, второй.

В последние годы исследуется возможность промышленной трансляции по СВЧ-каналам больших количеств электроэнергии (первые идеи здесь принадлежат выдающемуся физику, лауреату Нобелевской премии академику П. Л. Капице). Этот способ сулит огромные выгоды: электричество можно будет перекачивать по волноводам — трубам, проложенным под землей, подобно нефте- и газопроводам. Но это в земных условиях.

А для передачи электричества из космоса и трубы не понадобятся. СВЧ-луч длиной в десятки тысяч километров соединит СКЭС с планетой, и не будут помехой ему ни космический холод, ни толща атмосферы, ни грозовые тучи. На Земле чаша приемной антенны диаметром в несколько километров примет СВЧ-излучение, преобразует его в обычный постоянный или переменный ток и передаст потребителям.

Фантастика? Вовсе нет — грандиозный проект, базирующийся на реальной почве расчетов и экспериментов, на достижениях космической техники.

Грандиозность масштабов проекта характеризуют, например, такие цифры. Вес (правильнее говорить «масса», ибо какой же вес в условиях невесомости!) оборудования СКЭС мощностью 10 миллионов киловатт на фотоэлектрических батареях составит около 35 тысяч тонн, а СКЭС с турбогенераторами — более 100 тысяч тонн. По-видимому, сборку станции целесообразно производить на околоземной орбите, используя для переброски грузов беспилотные транспортные корабли. Специальные роботы- манипуляторы смонтируют однотипные узлы, например фермы для фотоэлектрических батарей или концентраторов солнечного излучения, а космоинженерам и механикам предстоит собирать и испытывать более сложные комплексы.

Смонтированную установку нужно затем перевести на стационарную орбиту. Включатся сотни двигателей, размещенных по всей площади станции, и она начнет медленный (чтобы перегрузки не вызывали поломок или значительных деформации) космический рейс.

Подсобные двигатели понадобятся и на стационарной орбите — постоянно ориентировать батареи на Солнце, компенсировать смещения, вызванные действием «солнечного ветра» или реакцией отдачи при трансляции СВЧ-излучения, и обеспечивать строгую ориентацию станции относительно приемной антенны на Земле.

Разумеется, предстоит решить еще множество проблем. Но все они носят скорее технический, нежели принципиальный характер. Зато какие богатые перспективы сулят СКЭС! Подсчитано, что шесть станций смогли бы удовлетворить потребности в электроэнергии такой страны, как Япония.

На грани фантастики и реальности

А стоит ли добывать энергию в космосе, чтобы передавать ее на Землю? В земных условиях, желая ограничить протяженность высоковольтных линий электропередач и уменьшить связанные с этим расходы на строительство, потери энергии, непроизводительное использование земель, мы стремимся приблизить энергоемкие производства к источникам энергии.

Нельзя ли пойти по тому же пути и в космосе? Может, целесообразнее строить предприятия таких отраслей, как металлургия, химическая технология, электроника и прочие, непосредственно на орбитах, в едином комплексе со СКЭС?

Это даст массу преимуществ. Прежде всего, удастся значительно уменьшить выброс в земную атмосферу отходов «грязных» производств. Во-вторых, в космосе, в условиях невесомости и почти абсолютного вакуума, легче, чем на Земле, получать особо чистые вещества или материалы с равномерным распределением компонентов, выращивать большие кристаллы с заданными свойствами. Американские астронавты положили начало космической технологии, которая, несомненно, будет развиваться и совершенствоваться, переходя из стадии эксперимента в область промышленного освоения.

Помимо СКЭС, преобразующих в электричество энергию Солнца, на стационарных орбитах рационально, по всей видимости, размещать и другие энергетические системы. В первую очередь ядерные и — в перспективе — термоядерные. А скорее всего это будут комплексы, сочетающие, сопрягающие различные энергосистемы. Так, СКЭС может служить источником питания для мощной лазерной установки, которая, в свою очередь, инициирует процесс в термоядерном реакторе. Космос, кстати, является превосходной средой для такого реактора: почти идеальный вакуум снимает проблему герметизации, а температура, близкая к абсолютному нулю, позволяет использовать сверхпроводящие магниты для удержания плазмы.

Но те же условия — высокий вакуум и сильное магнитное поле — нужны для ускорителей частиц. Почему бы не перенести эксперименты по физике элементарных частиц (и многие другие, трудно реализуемые на Земле) в космос?

Стоп. Мы подошли к грани (или уже переступили ее?), отделяющей реальность от фантастики. Но, быть может, и сама идея космической энергетики — дело столь отдаленного будущего, что о ней рано говорить как о техническом проекте? Отнюдь. Ряд ученых, активно работает в этом направлении,

Не опасно ли?

Выше кратко охарактеризованы некоторые научно-технические проблемы космической энергетики. Но существуют — и играют не меньшую роль — также ее экономические, социально-правовые, экологические и некоторые другие аспекты. В чем их суть? Человечество должно, наконец научиться извлекать уроки из прежних ошибок. Это в особой степени относится к проектам создания космических энергосистем, затрагивающим не какой-нибудь изолированный регион и не отдельный природный фактор, а весь земной шар, всю экологическую систему в целом.

Какие опасности таятся здесь, как их оценить и предупредить? Прежде всего, мощные пучки СВЧ-излучения не могут не сказаться на состоянии пронизываемых ими участков атмосферы и ионосферы. Это излучение, особенно в его высокочастотной части, довольно сильно поглощается молекулами воды и кислорода и может вызвать локальный нагрев воздуха. Кроме того, СВЧ-пучок. рассеиваясь на каплях дождя, на крупинках града и снега, будет «размываться», расширяться, захватывая примыкающие участки. Считается, что такое расширение окажется незначительным, однако это еще надо подтвердить экспериментально. В любом случае как-то нарушится тепловой режим атмосферы.

Но главную опасность представляет, по-видимому, взаимодействие СВЧ-пучка с заряженными частицами ионосферы. Может измениться распределение этих частиц, концентрация, скорость движения. А это неминуемо скажется и на распространении самого пучка и на прохождении радиоволн, а следовательно, на радиосвязи. К магнитным бурям, вызываемым явлениями на Солнце, прибавятся возмущения из-за прохождения СВЧ-лучей, причем источники возмущения станут не разовыми, а постоянными, систематическими и многочисленными, если Земля будет окружена поясом космических электростанций.

А птицы? Каково им оказаться в зоне мощного СВЧ-излучения? Возможно, пернатые, приблизившись к участку, где они ощутят непонятный, а потому — так подскажет инстинкт — опасный нагрев, постараются покинуть его. А если, наоборот, тепло привлечет их, как привлекает мотыльков светящаяся лампа?

Что касается самолетов и вертолетов, то их корпус должен, по идее, защитить, заэкранировать экипаж и пассажиров от вредного действия лучей, да и пролет сквозь пучок длится считанные секунды. Но эти секунды могут оказаться ощутимыми для электронной аппаратуры — бортовых компьютеров, навигационного оборудования, что вызовет весьма неприятные последствия. Возможно, придется окружить СВЧ-пучки своего рода радиобакенами, которые сигнализировали бы самолетам об опасной зоне и указывали фарватер.

Особого изучения заслуживает, разумеется, район размещения приемных антенн. Поскольку СВЧ-пучок невозможно строго ограничить, излучение на краях антенн, хотя оно и не будет столь интенсивным, как в центре, все же может оказаться довольно опасным для человека. Впрочем, здесь еще нет полной ясности — что считать опасным. По американским стандартам, учитывающим только тепловое действие СВЧ-излучения на ткани тела, за допустимый предел принята плотность 10 милливатт на квадратный сантиметр. Европейские же стандарты в тысячу раз жестче, поскольку они учитывают также воздействие на центральную нервную систему, которое может сказываться и при малых плотностях. Здесь, следовательно, надо не только провести соответствующие исследования, но и выработать международные нормы.

Район приемной антенны займет территорию в 250—270 квадратных километров. Не окажется ли эта площадь мертвой зоной, исключенным из пользования участком земли? Таких мертвых зон мы знаем немало: это и захламленные отходами лесосеки, и угольные разрезы, и отвалы пустой породы возле обогатительных фабрик, и превращенные в болота поймы рек. Не пополнят ли этот перечень приемные станции систем космической энергетики?

Нет, на сей счет все обстоит, видимо, благополучно. Решетку антенны можно несколько приподнять над поверхностью и использовать территорию под сельскохозяйственные угодья — пашни, пастбища, сады. Ведь решетка почти полностью поглощает СВЧ-излучение, зато пропускает 80 процентов солнечного света и не задерживает осадков. Опасен лишь периметр, не прикрытый решеткой, но и его в случае необходимости можно заэкранировать. Рационально строить здесь также энергоемкие промышленные предприятия, максимально автоматизированные. На худой конец можно размещать приемные антенны на море или на необитаемых прибрежных островах.

«Тепловое загрязнение», выделяемое приемными системами, тоже незначительно, во всяком случае, они должны выделять тепла вдвое меньше, чем обычные тепловые электростанции. Хотя и нельзя совсем сбрасывать со счетов тот дополнительный вклад, который внесут СКЭС в тепловой баланс Земли, когда их количество будет исчисляться сотнями. Зато они не выбрасывают в атмосферу ни углекислый газ, ни окись углерода, ни сернистый ангидрид, ни другие столь же вредные отходы. В этом отношении солнечные электростанции безупречны.

Если не учитывать одного обстоятельства. Строительство и эксплуатация СКЭС (а впоследствии и предприятий космической индустрии) потребуют создания мощного космического флота. А ракетные двигатели на химическом топливе выбрасывают пары воды и окислы азота. Продукты выброса будут накапливаться в районах космических трасс, изменяя состав стратосферы (в частности, снижая концентрацию озона) и, следовательно, ее свойства. Эта проблема тоже нуждается в серьезном изучении.

Таковы лишь некоторые экологические аспекты, связанные с созданием космических электростанций. Поэтому, решая технические задачи космической энергетики, надо тщательно взвешивать все pro и contra, искать оптимальные варианты, возможно, более дорогостоящие в экономическом отношении, но предпочтительные в экологическом. И здесь недопустима конкуренция, соперничество различных стран, стремление первыми получить энергию из космоса — напротив, необходима координация усилий, единый подход и обмен информацией. Космос просторен, беспределен, но Земля-то наша очень невелика и столь же хрупка.

Автор: И. Зорич.