Гелиоэнергетика: реальность и перспектива

В космосе безбрежное море солнечных лучей, источник практически неисчерпаемой энергии. Только за одну минуту Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько за полтора года вырабатывают все электростанции мира. Количество солнечной энергии на единицу поверхности в космосе в 10 раз больше, чем на Земле. Там нет экранирующего влияния атмосферы, облачности, туманов. Кроме того, космическая энергетика экологически самая чистая.

Однако чтобы создать в космосе промышленные солнечные электростанции, предстоит решить еще множество проблем. Рассмотрим главные из них.

Существующие сегодня преобразователи солнечной энергии в электрическую, которыми оснащается большинство космических аппаратов, работают на принципе фотоэффекта, происходящего в кремниевых пластинах при освещении их солнечными лучами. Множество кремниевых элементов (площадью в несколько квадратных сантиметров и толщиной в доли миллиметра) соединяются между собой электрически и размещаются на общей панели, располагаемой перпендикулярно к солнечному свету. Коэффициент полезного действия кремниевых преобразователей - 10-12 процентов. В итоге с одного квадратного метра солнечной батареи мы можем снять максимум 140-170 ватт электроэнергии.

Можно подсчитать, что если мы захотим получить в космосе 10 миллионов киловатт (а именно такие мощности считаются сегодня наиболее рентабельными), то площадь нашей солнечной батареи должна составить 60-70 квадратных километров. Развернуть такую панель в космосе - задача не из простых.

Далее. Один квадратный метр солнечной батареи с учетом веса конструкции сегодня весит 5-10 килограммов. Следовательно, электростанция мощностью в 10 миллионов киловатт будет весить от 300 тысяч до 600 тысяч тонн. Невиданные веса полезной нагрузки! А ведь таких электростанций нужны тысячи. Поистине фантастическими становятся веса конструкционных материалов, которые мы должны будем вывести в космос.

Известно, что для выведения на околоземную орбиту одного килограмма полезного груза жидкостной ракетой требуется порядка 30 килограммов ракетного топлива. Для выведения груза на стационарную орбиту, где как раз и предполагается размещать солнечные электростанции (в целях обеспечения непрерывной связи с земным потребителем), топлива потребуется в несколько раз больше. В итоге необходимое количество топлива для доставки одной только станции на синхронную орбиту достигает десятков миллионов тонн. Цифры, прямо скажем, астрономические. Где взять столько топлива? И во что это обойдется?

Подсчитано, что для выведения на стационарную орбиту с помощью ракет на углеводородном топливе грузов для 1000 солнечных электростанций надо сжечь столько топлива, что по массе оно будет соизмеримо с количеством углекислого газа в атмосфере Земли. Попадание такого количества продуктов сгорания в земную атмосферу по экологическим соображениям недопустимо...

Проблематичной остается сегодня и задача транспортирования полученной в космосе электроэнергии на Землю. На каком принципе должна осуществляться передача такого огромного количества энергии с высоты в 36 тысяч километров с приемлемыми энергетическими потерями и экологическими издержками? Мнение специалистов в вопросах энергетики склоняется к тому, что рациональнее использовать для этих целей микроволновое излучение. Для этого на станции должны быть установлены специальный преобразователь электрической энергии в микроволновое излучение и передатчик с остронаправленной антенной, а на Земле - приемник излучения диаметром в несколько километров и преобразователь волн в промышленную энергию.

Сверхвысокочастотной передаче отдается предпочтение потому, что она устойчива в условиях космического холода, микроволновый луч беспрепятственно пронзает толщу атмосферы, не рассеивается облаками, имеет высокий коэффициент преобразования. Недостатком этого предложения является главным образом певшая неясность относительно того, как скажется на экологической обстановке длительное воздействие микроволнового облучения поверхности Земли, не повлияет ли оно на работу наземных электронных устройств - радиолокаторов, ЭВМ, средств связи, не будет ли катастрофически уничтожать озонную защиту планеты, изменять ионосферу и магнитосферу Земли. Другими словами, не потеряем ли мы больше, чем приобретем.

Не исключено, что наиболее приемлемым для передачи энергии на Землю окажется не микроволновое излучение, а лазерный луч. Его применение позволит резко снизить размеры приемных антенн - до нескольких десятков метров в диаметре, и соответственно уменьшится неблагоприятное воздействие излучения на природную среду.

Не решены пока еще и такие вопросы, как собственно сборка космической станции, монтаж на огромной площади миллионов фотопреобразователей, организация работы в космическом пространстве сотен монтажников, создание специализированных буксиров, инструмента... А как обеспечить поддержание таких огромных сооружений в заданных точках стационарной орбиты, их постоянную ориентацию на Солнце, температурный режим станций, замену выработавших ресурс фотоэлементов, безопасность обслуживающего персонала от микроволнового или лазерного облучения?..

Так реальны ли космические электростанции?

Оптимисты говорят - да. И не только говорят, но и работают. По мнению одного из создателей космической техники, К. П. Феоктистова, создание солнечных электростанций в космосе - один из самых перспективных путей получить от космической техники весомую отдачу в интересах всего человечества, сделать космонавтику высокорентабельной сферой хозяйственной деятельности землян.

Пути преодоления по крайней мере технических сложностей уже наметились. Один из первых шагов - создание легких и дешевых солнечных преобразователей пленочного типа. Каждый квадратный метр солнечной батареи с учетом несущей конструкции должен весить не более килограмма, а на каждый киловатт вырабатываемой энергии должно приходиться не более двух килограммов общей массы станции. Важным преимуществом пленочных преобразователей является возможность их относительно простого монтажа на ферменной конструкции станции. В США уже разрабатывается очень тонкая пленка медно-индиевого селенида - сульфида кадмия, осажденного на недорогой подложке. И хотя коэффициент полезного действия таких преобразователей несколько ниже кремниевых элементов (около 10 процентов), считается, что к 1990 году они будут довольно дешевы. Делается попытка организовать производство полукристаллического кремния. В расплавленном состоянии его можно заливать в формы, а после застывания резать на пластины для изготовления солнечных элементов. Создание пленочных преобразователей позволит в десятки раз снизить веса солнечных электростанций при тех же проектируемых мощностях.

Продумываются конструктивные и технологические схемы монтажа электростанций в космосе. Вот как это будет выглядеть. На высоте 500 километров над поверхностью Земли собирается первая ячейка будущей станции площадью 100 × 100 метров. По мере поступления новых грузов, выводимых ракетами на химическом топливе, исходная конструкция постепенно наращивается до десятков квадратных километров. После окончания монтажа и проверки функционирования станции она переводится на свое рабочее место на стационарной орбите с высотой 36 тысяч километров над экватором. Перевод может осуществляться сравнительно маломощными двигательными установками, работающими на химической, ядерной или электрической энергии. В последнем случае энергию для двигателей будет поставлять сама станция. Медленное перебазирование станции позволит многократно уменьшить веса несущей конструкции станции: ведь перегрузки будут незначительными.

Намечаемые пути к снижению весов конструкции вполне осуществимы. Но, несмотря на это, веса полезных нагрузок по-прежнему остаются устрашающими. 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 доведения ее до 150-200 долларов за килограмм. Сейчас эта цифра значительно больше даже для низкой орбиты, не говоря уже о стационарной.

Рассматривается идея использования энергии солнечной станции и для выведения грузов на монтажную орбиту. Сторонники идеи рассуждают примерно так. Современная ракета несет на себе и рабочее тело и источники 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 из космического пространства от первой введенной в эксплуатацию станции направляется на стартующую ракету и сопровождает ее на всем активном участке полета. На борту ракеты рабочее тело разогревается до высоких температур и разгоняется в профилированном сопле до высоких скоростей. Правда, при таком способе запуска можно вывести на орбиту лишь небольшие полезные грузы - весом от одной до десяти тонн. Но есть и другой вариант использования энергии солнечной электростанции. Задолго до старта энергия лазерного луча поступает в специальный накопитель энергии и только потом используется для запуска ракеты. Запуск по-прежнему осуществляется лазерным лучом, но луч этот направлен на ракету уже с Земли, и мощность его неизмеримо большая. Такой способ позволит достигать скоростей истечения рабочего вещества ракеты до десятков километров в секунду и снизить стартовую массу ракет. Конечно, наземная установка для запуска ракет с помощью лазерного луча станет очень сложным и дорогостоящим сооружением, зато ее можно использовать многократно при сравнительно небольших побочных эффектах от запусков.

Несмотря на огромную сложность проблем космической гелиоэнергетики, солнечные электростанции представляются одним из реальных источников будущего. Все существующие технические проблемы, как утверждают специалисты, не носят принципиального характера. Все они разрешимы даже на современном научно-техническом уровне. Каждый киловатт полученной из космоса электроэнергии, по оценкам советских специалистов, будет стоить 2-3 тысячи рублей. Это в 4-6 раз дороже, чем энергия тепловых электростанций, в 2-2,5 раза дороже энергии гидроэлектростанций и в 1,5-2 раза дороже, чем у атомных электростанций. Но если учесть, что при добыче энергии в космосе не будут расходоваться невозобновляемые природные ресурсы, то рентабельность космической энергетики представляется вполне достижимой.

В некоторых зарубежных странах космическая гелиоэнергетика поставлена на повестку дня. В Соединенных Штатах Америки, например, создан даже специальный совет из представителей 25 ведущих научных и промышленных фирм.

Министерство энергетики США в результате трехлетнего изучения проблемы пришло к выводу, что создание солнечных электростанций вполне возможно в XXI веке. Один из проектов США предусматривает развертывание в течение 50 лет энергетической системы мощностью 300 миллионов киловатт. В систему входят 60 спутников-станций, размещенных на геостационарных орбитах. Каждый из них имеет площадь 50 квадратных километров и вес 50 тысяч тонн. Полученная в монокристаллических кремниевых элементах электрическая энергия преобразуется в электромагнитные волны и в виде микроволнового излучения поступает на наземные антенны (по одной на каждый спутник) с размерами 10 × 13 километров. Доставка материалов с Земли на промежуточные базы на низкой орбите в этом проекте осуществляется ракетами с грузоподъемностью в 400 тонн, стартующими в течение 30 лет примерно раз в сутки. Для защиты их от ионизирующего излучения используются специальные убежища с толстыми стенами, где они находятся большую часть времени. Стоимость космической системы составит 3 триллиона долларов.

Европейское космическое агентство пока ограничивается более скромным проектом - единственной орбитальной космической платформой размерами 5 × 10 километров и мощностью солнечных батарей около 5 миллионов киловатт. По просьбе агентства голландская фирма "Гидронамик" рассматривает вопрос о строительстве в Северном море искусственного острова, на котором будут смонтированы приемные антенны (микроволнового или лазерного излучения) площадью 100-200 квадратных километров. От них энергия будет поступать к европейским потребителям по кабелю. Стоимость системы оценивается в 15 миллиардов долларов.

Ожидается, что в XXI веке космические электростанции будут удовлетворять 10-20 процентов мировых потребностей в электроэнергии, а в некоторых странах эта цифра может достичь 40-50 процентов.

"В XXI веке, - с уверенностью говорит профессор МВТУ имени Баумана С. Д. Гришин, - на ночном небосводе ярко загорятся новые созвездия - энергетические спутники Земли..."

Н. Новиков