Енергія космосу на службі людства

Людству потрібно все більше енергії – це не примха, а об’єктивна необхідність, заснована на законах розвитку цивілізації. Ось чому значні зусилля спрямовані зараз на пошуки принципово нових — потужних і надійних — джерел енергії. Насамперед – на створення термоядерних електростанцій. Людям поки не вдалося побудувати термоядерний реактор, природа ж його створила. Це – зірки, в тому числі Сонце, в надрах якого ядра легких елементів зливаються в більш важкі і виділяється колосальна енергія. Потужність Сонця в 5000 разів перевершує сумарну потужність всіх інших постачальників енергії на Землі, причому це невичерпне джерело: протягом декількох мільярдів років немає підстав побоюватися помітного спаду яскравості Сонця.

Але Земля, як відомо, висвітлюється Сонцем вкрай нерівномірно. Тому багато фахівців ставляться до геліотехніки як до промислового ресурсу електроенергії досить прохолодно.

Але є місце, де Сонце сяє постійно. Там день не змінюється вночі, немає хмар або атмосфери, що послаблюють сонячні промені. Саме там, у відкритому космосі, найкраще черпати енергію Сонця.

Вже сьогодні на космічних кораблях фотоелектричні батареї перетворять сонячну енергію в електричну. Потужність таких батарей, як правило, не перевищує 20-25 кіловат. Проблема полягає в її підвищенні до промислових масштабів, тобто в сотні тисяч разів. І в транспортуванні енергії. Як показують теоретичні розрахунки, експерименти, конкретні розробки, все це цілком здійснено.

СКЕС

Уявімо собі космічну станцію на відстані 35 800 кілометрів від Землі — на так званій геостаціонарній орбіті. Період обігу такої станції дорівнює двадцяти чотирьом годинам. Станція буде обертатися синхронно з планетою і як би повисне над однією точкою її поверхні. Геостаціонарні, або синхронні, орбіти вже освоєні: на них знаходяться трансляційні супутники зв’язку.

Якщо така орбіта нахилена на 23,5° відносно площини екліптики, то більше 99 відсотків часу станція освітлюється сонячними променями. Тільки іноді, в дні весняного і осіннього рівнодення, впаде на неї ненадовго земна тінь. Кожен квадратний метр фотоелектричних батарей буде отримувати від Сонця близько 1.5 кіловата і приблизно десяту частину вдасться перетворити в електрику. Ніщо не заважає розкинути плантації батарей на кілометри і знімати урожай в мільйони кіловат. Сонячна космічна електростанція (СКЕС) з двома «крилами» розміром 6 на 5 кілометрів кожна зможе давати 5 мільйонів кіловат електроенергії.

Є й інший спосіб перетворення сонячної енергії в електричну. Гігантськими дзеркалами сонячні промені можна збирати, концентрувати в потужні потоки і використовувати для перетворення рідини в пар. А потім пар працює звичним нам чином – обертає турбіну, з якою пов’язаний електричний генератор.

Добре освоєний в земних умовах турботепловой метод — і в цьому його гідність – ще не апробований в космосі, але прикидочні розрахунки показують, що з його допомогою можна отримати на одній космічній електростанції 10 мільйонів кіловат.

Можна обійтися і без обертових турбін, якщо скористатися магнітогідродинамічним генератором, який дозволяє безпосередньо перетворювати теплову енергію в електричну.

ЛЕП без проводів

Ну добре, тим чи іншим шляхом ми зуміємо виробляти на СКЕС мільйони кіловат-годин електроенергії. А що з нею робити далі? Як передати її на Землю? Не по проводах ж!

Є два способи бездротової передачі великих потужностей на далекі відстані: за допомогою лазерного променя або надвисокочастотного випромінювання (СВЧ). Найбільш реальний серед них, мабуть, другий.

В останні роки досліджується можливість промислової трансляції по СВЧ-каналах великих кількостей електроенергії (перші ідеї тут належать видатному фізику, лауреату Нобелівської премії академіку П. Л. Капіці). Цей спосіб обіцяє величезні вигоди: електрику можна буде перекачувати по хвилеводах — трубах, прокладених під землею, подібно нафто – і газопроводів. Але це в земних умовах.

А для передачі електрики з космосу і труби не знадобляться. СВЧ-промінь довжиною в десятки тисяч кілометрів з’єднає СКЕС з планетою, і не будуть перешкодою йому ні космічний холод, ні товща атмосфери, ні грозові хмари. На Землі чаша приймальної антени діаметром в кілька кілометрів прийме СВЧ-випромінювання, перетворює його в звичайний постійний або змінний струм і передасть споживачам.

Фантастика? Зовсім ні – грандіозний проект, що базується на реальному грунті розрахунків і експериментів, на досягненнях космічної техніки.

Грандіозність масштабів проекту характеризують, наприклад, такі цифри. Вага (правильніше говорити «маса», бо яка ж вага в умовах невагомості!) обладнання СКЕС потужністю 10 мільйонів кіловат на фотоелектричних батареях складе близько 35 тисяч тонн, а СКЕС з турбогенераторами — понад 100 тисяч тонн. Мабуть, збірку станції доцільно проводити на навколоземній орбіті, використовуючи для перекидання вантажів безпілотні транспортні кораблі. Спеціальні роботи-маніпулятори змонтують однотипні вузли, наприклад ферми для фотоелектричних батарей або концентраторів сонячного випромінювання, а космоінженерам і механікам належить збирати і відчувати більш складні комплекси.

Змонтовану установку потрібно потім перевести на стаціонарну орбіту. Включаться сотні двигунів, розміщених по всій площі станції, і вона почне повільний (щоб перевантаження не викликало поломок або значних деформації) космічний рейс.

Підсобні двигуни знадобляться і на стаціонарній орбіті — постійно орієнтувати батареї на Сонці, компенсувати зміщення, викликані дією «сонячного вітру» або реакцією віддачі при трансляції СВЧ-випромінювання, і забезпечувати сувору орієнтацію станції щодо приймальної антени на Землі.

Зрозуміло, належить вирішити ще безліч проблем. Але всі вони носять скоріше технічний, ніж принциповий характер. Зате які багаті перспективи обіцяють СКЕС! Підраховано, що шість станцій змогли б задовольнити потреби в електроенергії такої країни, як Японія.

На межі фантастики і реальності

А чи варто добувати енергію в космосі, щоб передавати її на Землю? У земних умовах, бажаючи обмежити протяжність високовольтних ліній електропередач і зменшити пов’язані з цим витрати на будівництво, втрати енергії, непродуктивне використання земель, ми прагнемо наблизити енергоємні виробництва до джерел енергії.

Чи не можна піти тим же шляхом і в космосі? Може, доцільніше будувати підприємства таких галузей, як металургія, хімічна технологія, електроніка та інші, безпосередньо на орбітах, в єдиному комплексі зі СКЕС?

Це дасть масу переваг. Перш за все, вдасться значно зменшити викид в земну атмосферу відходів «брудних» виробництв. По-друге, в космосі, в умовах невагомості і майже абсолютного вакууму, легше, ніж на Землі, отримувати особливо чисті речовини або матеріали з рівномірним розподілом компонентів, вирощувати великі кристали із заданими властивостями. Американські астронавти поклали початок космічної технології, яка, безсумнівно, буде розвиватися і вдосконалюватися, переходячи зі стадії експерименту в область промислового освоєння.

Крім СКЕС, що перетворюють в електрику енергію Сонця, на стаціонарних орбітах раціонально, по всій видимості, розміщувати й інші енергетичні системи. В першу чергу ядерні і — в перспективі – термоядерні. А швидше за все це будуть комплекси, що поєднують, сполучають різні енергосистеми. Так, СКЕС може служити джерелом живлення для потужної лазерної установки, яка, в свою чергу, ініціює процес в термоядерному реакторі. Космос, до речі, є чудовим середовищем для такого реактора: майже ідеальний вакуум знімає проблему герметизації, а температура, близька до абсолютного нуля, дозволяє використовувати надпровідні магніти для утримання плазми.

Але ті ж умови – високий вакуум і сильне магнітне поле — потрібні для прискорювачів частинок. Чому б не перенести експерименти з фізики елементарних частинок (і багато інших, важко реалізованих на Землі) в космос?

Стоп. Ми підійшли до межі (або вже переступили її?), що відокремлює реальність від фантастики. Але, можливо, і сама ідея космічної енергетики – справа такого віддаленого майбутнього, що про неї рано говорити як про технічний проект? Аж ніяк. Ряд вчених, активно працює в цьому напрямку,

Чи не небезпечно?

Вище коротко охарактеризовані деякі науково-технічні проблеми космічної енергетики. Але існують — і відіграють не меншу роль – також її економічні, соціально-правові, екологічні та деякі інші аспекти. У чому їх суть? Людство повинно, нарешті навчитися витягувати уроки з колишніх помилок. Це в особливій мірі відноситься до проектів створення космічних енергосистем, що зачіпають не який-небудь ізольований регіон і не окремий природний фактор, а всю земну кулю, всю екологічну систему в цілому.

Які небезпеки таяться тут, як їх оцінити і попередити? Перш за все, потужні пучки СВЧ-випромінювання не можуть не позначитися на стані пронизуваних ними ділянок атмосфери і іоносфери. Це випромінювання, особливо в його високочастотній частині, досить сильно поглинається молекулами води і кисню і може викликати локальний нагрів повітря. Крім того, СВЧ-пучок. розсіюючись на краплях дощу, на крупинках граду і снігу, буде «розмиватися», розширюватися, захоплюючи прилеглі ділянки. Вважається, що таке розширення виявиться незначним, проте це ще треба підтвердити експериментально. У будь-якому випадку якось порушиться тепловий режим атмосфери.

Але головну небезпеку становить, мабуть, взаємодія СВЧ-пучка з зарядженими частинками іоносфери. Може змінитися розподіл цих частинок, концентрація, швидкість руху. А це неминуче позначиться і на поширенні самого пучка і на проходженні радіохвиль, а отже, на радіозв’язку. До магнітних бур, що викликаються явищами на Сонці, додадуться обурення через проходження СВЧ-променів, причому джерела обурення стануть не разовими, а постійними, систематичними і численними, якщо Земля буде оточена поясом космічних електростанцій.

А птахи? Яке їм опинитися в зоні потужного СВЧ-випромінювання? Можливо, пернаті, наблизившись до ділянки, де вони відчують незрозумілий, а тому — так підкаже інстинкт — небезпечний нагрів, постараються покинути його. А якщо, навпаки, тепло приверне їх, як приваблює метеликів лампа, що світиться?

Що стосується літаків і вертольотів, то їх корпус повинен, по ідеї, захистити, заекранувати екіпаж і пасажирів від шкідливої дії променів, та й проліт крізь пучок триває лічені секунди. Але ці секунди можуть виявитися відчутними для електронної апаратури — бортових комп’ютерів, навігаційного обладнання, що викличе вельми неприємні наслідки. Можливо, доведеться оточити СВЧ-пучки свого роду радіобакенами, які сигналізували б літакам про небезпечну зону і вказували фарватер.

Особливого вивчення заслуговує, зрозуміло, район розміщення приймальних антен. Оскільки СВЧ-пучок неможливо строго обмежити, випромінювання на краях антен, хоча воно і не буде настільки інтенсивним, як в центрі, все ж може виявитися досить небезпечним для людини. Втім, тут ще немає повної ясності – що вважати небезпечним. За американськими стандартами, що враховує тільки теплову дію СВЧ-випромінювання на тканини тіла, за допустиму межу прийнята щільність 10 міліватт на квадратний сантиметр. Європейські ж стандарти в тисячу разів жорсткіше, оскільки вони враховують також вплив на центральну нервову систему, яка може позначатися і при малій щільності. Тут, отже, треба не тільки провести відповідні дослідження, а й виробити міжнародні норми.

Район приймальної антени займе територію в 250-270 квадратних кілометрів. Чи не виявиться ця площа мертвою зоною, виключеною з користування ділянкою землі? Таких мертвих зон ми знаємо чимало: це і захаращені відходами лісосіки, і вугільні розрізи, і відвали порожньої породи біля збагачувальних фабрик, і перетворені на болота заплави річок. Чи не поповнять цей перелік приймальні станції систем космічної енергетики?

Ні, на цей рахунок все йде, мабуть, благополучно. Грати антени можна дещо підняти над поверхнею і використовувати територію під сільськогосподарські угіддя — ріллі, пасовища, сади. Адже решітка майже повністю поглинає СВЧ-випромінювання, зате пропускає 80 відсотків сонячного світла і не затримує опадів. Небезпечний лише периметр, не прикритий гратами, але і його в разі необхідності можна заекранувати. Раціонально будувати тут також енергоємні промислові підприємства, максимально автоматизовані. На худий кінець можна розміщувати прийомні антени на морі або на безлюдних прибережних островах.

«Теплове забруднення», що виділяється приймальними системами, теж незначне, у всякому разі, вони повинні виділяти тепла вдвічі менше, ніж звичайні теплові електростанції. Хоча і не можна зовсім скидати з рахунків той додатковий внесок, який внесуть СКЕС в тепловий баланс Землі, коли їх кількість буде обчислюватися сотнями. Зате вони не викидають в атмосферу ні вуглекислий газ, ні окис вуглецю, ні сірчистий ангідрид, ні інші настільки ж шкідливі відходи. У цьому відношенні сонячні електростанції бездоганні.

Якщо не враховувати однієї обставини. Будівництво та експлуатація СКЕС (а згодом і підприємств космічної індустрії) зажадають створення потужного космічного флоту. А ракетні двигуни на хімічному паливі викидають пари води і оксиди азоту. Продукти викиду будуть накопичуватися в районах космічних трас, змінюючи склад стратосфери (зокрема, знижуючи концентрацію озону) і, отже, її властивості. Ця проблема теж потребує серйозного вивчення.

Такими є лише деякі екологічні аспекти, пов’язані зі створенням космічних електростанцій. Тому, вирішуючи технічні завдання космічної енергетики, треба ретельно зважувати всі pro і contra, шукати оптимальні варіанти, можливо, більш дорогі в економічному відношенні, але кращі в екологічному. І тут неприпустима конкуренція, суперництво різних країн, прагнення першими отримати енергію з космосу — навпаки, необхідна координація зусиль, єдиний підхід і обмін інформацією. Космос просторий, безмежний, але Земля-то наша дуже невелика і настільки ж тендітна.

Автор: І. Зорич.