Другие виды » Космическая энергетика

Экологическая опасность от лазерной КСЭС значительно меньше, чем от традиционной энергетики (изображение: www.goodfon.ru)

Достижения последних 20-и лет в технологии создания солнечных батарей, электрохимических аккумуляторов электроэнергии, новых типов электроплазменных двигателей, а также выявленные за последние 50 лет технические и международно-политические сложности создания ядерных энергетических установок (ЯЭУ) требуют пересмотра сложившихся в прошлом веке  направлений космической энергетики и открывают новые перспективные направления её развития.

Рост цен на энергоносители и ущерб от природных катаклизмов, обусловленных техногенным воздействием традиционной энергетики на окружающую среду, делают актуальным создание космических солнечных электростанций (КСЭС) на мощность 1-10 ГВт (потребление среднего региона),  транслирующих электроэнергию на Землю [1,2]. В ближайшей и дальней перспективе в новых экономических условиях это направление может определять темп развития космической техники и содействовать модернизации и инновационному развитию России, а также способствовать решению социальных и политических задач. Сроки создания КСЭС в США намечены на 2016 г., в Японии на 2025 г. КСЭС для своего создания и эксплуатации, при масштабах обеспечения потребностей всей наземной энергетики к 2100 г. [2], потребуют огромного грузопотока и самых совершенных систем транспортировки грузов. Эти межорбитальные буксиры целесообразно базировать на солнечных батареях, аналогичных тем, которые предполагается использовать в самих КСЭС, ввиду громадного объёма их потенциального производства. Вывод с Земли в космос КСЭС невозможен традиционными носителями из-за высокой стоимости и недопустимым отрицательным воздействием на экологию наземной и околоземной среды. Необходимо создание электромагнитных ускорителей на базе опыта создания многокилометровых ускорителей элементарных частиц с ценой вывода на опорную орбиту порядка 30 долларов за один килограмм выводимого груза.

Перспективу разработки КСЭС необходимо учитывать в сегодняшнем анализе выбора направлений развития космических буксиров и космической энергетики в целом.
Разработка КСЭС велась с начала космической эры (первый проект создан  американцем П. Глейзером в 1968г.) и базировалась на использовании СВЧ концепции передачи электроэнергии.

Рис.1. Демонстрационный прототип лазерной КСЭС

В самые последние годы ( 2-3 года) в мире возрос интерес к КСЭС в связи с успехами в разработке инфракрасных полупроводниковых лазеров (длина волны порядка 1 микрона) и волоконных световодов: КПД преобразования электроэнергии в инфракрасный лазерный сигнал порядка 70-80%, значительно меньшая расходимость (10^-5-10^-6 рад) лазерного луча по сравнению с СВЧ сигналом (с Луны на Землю пятно 400м в диаметре, с геостационарной орбиты на Землю -36 м), реальные достижения в миниатюризации элементной базы (по световоду диаметром 250 микрон передаётся световая мощность 50 кВт). Российские исследователи в этом направлении сейчас занимают ведущие позиции в мире («ИРЭ Полюс», г.Фрязино). Имеются реальные возможности обойти американцев и японцев, которые исторически пошли по пути использования СВЧ преобразования, которое сегодня представляется  значительно менее эффективным, чем лазерное. Эти системы целесообразно использовать для снабжения энергией  потребителей на Земле и космических телах   ( Луне, Марсе и других  планетах, астероидах и  космических аппаратах) [3].

Предложенное  Центром Келдыша энергоснабжение перспективных  станций и производств   Луны и Марса от КСЭС, находящихся на орбитах вокруг этих космических тел, с появлением лазерной (ИК) концепции беспроводного энергоснабжения представляется значительно более эффективным по техническим, экологическим и политическим аспектам по сравнению  ЯЭУ, находящимися на поверхности этих космических тел.

Основные параметры тракта передачи энергии связаны выражением   t = (3,14• R_r R_t )/ (λH), где  R_r  и  R_t   соответственно радиусы приёмной и передающей антенны, H - расстояние между ними,  λ - длина волны, параметр t = 1,7 – 2. Выражение было выведено и использовалось в приложении к СВЧ – системам, однако оно также справедливо для оценок лазерных систем. Отношение (2R_r/H) =ς представляет собой расходимость луча. Из  выражения для t видно, что с уменьшением длины волны λ от 10 см  (СВЧ – диапазон) до 1 микрона (лазерный диапазон, 1микрон =10^-6 см ) соответственно уменьшаются радиусы приёмной и передающей антенн. Малая расходимость (ς =10^-6радиана) лазерного луча означает, что с геостационарной орбиты  (H = 36000км) диаметр  пятна на Земле будет   D =ς H =10^-6  •3,6• 10⁷ =36 м.

При расположении КСЭС на наиболее привлекательной геостационарной орбите, при использовании СВЧ диапазона длин волн большой размер приёмной ректенны (15-20 км) практически исключает возможность приёма потока энергии в высокоширотных районах России, где расположены её основные энергопотребители. Энергетический луч от КСЭС в этом случае близок к параллели к поверхности Земли. Создание приемной энергетической системы в виде стены высотой 20 км или привязного аэростата аналогичного размера не реально.         

В концепции КСЭС с лазерным каналом передачи энергии проблема высокоширотного приёма энергии может быть решена путём создания требуемой по площади фотоприёмной системы на стене высотного сооружения (стена дома в 30 этажей), что не составляет  принципиальных сложностей для  строительства, или созданием привязного аэростата с боковым приёмом энергии лазерного излучения. 

Энергоснабжение высокоширотных районов Земли от лазерных КСЭС может представлять коммерческий интерес для Канады, Гренландии, других северных островов и Антарктиды.

Экологическая опасность от лазерной КСЭС значительно меньше, чем от традиционной энергетики ( атомных, тепловых и гидроэлектростанций), а также КСЭС с СВЧ принципом передачи энергии в связи с меньшей на три порядка площадью приёма энергии.

Японцы планируют стоимость «космического электричества» в 6 раз дешевле его производства на Земле, при этом природные энергоресурсы (нефть, газ,  уран) в перспективе обесценятся. Новый рынок «космического электричества» принесёт наивысшую прибыль его первым участникам, много большую, чем получил Билл Гейтс на компьютерном программном обеспечении (его состояние доходило до 90 миллиардов долларов).

Последние достижения в области космического двигателестроения открывают новые возможности в области создания межорбитальных и межпланетных транспортных буксиров. Так, в НИИ ПМЭ МАИ создаётся ионный двигатель диаметром 1 м. В США по программе Vasimr  в июле 2008 г. был испытан новый плазменный двигатель на аргоне VX-200 на мощность 30 кВт со сверхпроводящим магнитом и полупроводниковым радиочастотным генератором. Планируется к 2013 г.  испытать на МКС двигатель VF-200 мощностью 200 кВт, после чего создать двигатель на 5 МВт для доставки астронавтов на Марс за 39 суток. Для сравнения, длительность марсианской миссии при использовании лучших современных энергодвигательных установок на базе СЭУ составляет 730 суток.

Развитие ЯЭУ для межорбитальных и межпланетных буксиров в настоящий момент и в перспективе для широкого круга задач сталкивается со следующими проблемами:

- в разработку энергодвигательных космических установок на базе ядерных реакторов, как и в проблему управляемого термоядерного синтеза, в течение более 50 лет вкладывались огромные финансовые и интеллектуальные ресурсы, при этом ожидаемого практически значимого выхода от этих вложений не получено, и из-за встретившихся объективных трудностей последовательно были свёрнуты работы по большому числу направлений (схемы А, Б, В и др.);

- в связи с выходом из-под юрисдикции России ряда крупных предприятий, расположенных на территории бывших союзных республик и ранее занимавшихся вопросами проектирования, разработки и изготовления комплектующих изделий в атомной отрасли, а также испытательных полигонов,  существенно сократился  огромный научно-технический потенциал, который был присущ бывшему СССР, нарушена  вся инфраструктура в области создания реакторов космического базирования, имеются  серьёзные  проблемы  с  кадровым  потенциалом;

- после Чернобыльской аварии в апреле 1986 г. и особенно после аварий сразу на 3-х АЭС в Японии в марте 2011 г. международное сообщество в целом настроено против вынесения ядерной энергетики в космос;

- имеет место общее снижение в последние годы технической культуры и надёжности изделий как космической техники (аварии ракет-носителей при запуске спутников, отказы на многих КА в 2010-11 гг.), так и в других отраслях (авария на Саяно-Шушенской ГЭС, многочисленные аварийные ситуации на авиационном транспорте и др.), что осложняет создание и надёжную эксплуатацию изделий атомной промышленности.

По сравнению с ядерными энергетическими установками (ЯЭУ) во всём диапазоне мощностей, в том числе при высоком уровне мощности (МВт-ГВт и более), солнечные энергоустановки имеют следующие существенные преимущества в широком круге задач:
- значительно проще по конструкции (не имеют высокотемпературных контуров, холодильников-излучателей; вращающихся турбин, делящегося урана, радиационной защиты и т.п.);
- экологически чисты, не приводят к катастрофическим последствиям при авариях в космосе, при создании и отработке  на Земле, а также при запусках с Земли и возвращении на Землю;
- допускают техническое обслуживание и ремонт на орбите в процессе эксплуатации;
- не имеют проблем, связанных с утилизацией или захоронением;
- значительно дешевле при крупномасштабном производстве;
- в 3-5 раз лучше по удельным (Вт/кг) характеристикам;
- имеют  многолетний (начиная с 3-го искусственного спутника Земли) успешный опыт создания и эксплуатации на подавляющем большинстве КА (более 1000) отечественного и зарубежного производства, в том числе около 10 лет на орбитальных станциях МИР и МКС с уровнем мощности, порядка 100 кВт, а в последние годы порядка 250 кВт (на МКС);
- в плане развития нанотехнологий имеют большие перспективы к совершенствованию;
- относительно просты в наземной отработке;
- допускают бескаркасное центробежное  исполнение и автоматизированное раскрытие  и сворачивание на орбите,  не имеют в таком исполнении геометрических ограничений для  задач в  ближайшей и дальней  перспективе, позволяют осуществлять эффективную  наземную отработку с учётом факторов космической среды;
- допускают относительно просто увеличивать масштаб ЭУ;
- не требуют для своего создания привлечения огромных финансовых, организационных и научно-технических ресурсов;
- быстро окупаемы в силу большой коммерческой эффективности и широкого спектра приложений;
- имеют широкое поле наземного использования.

Главными  недостатками СЭУ являются:

- невозможность функционирования в дальнем космосе на большом удалении от Солнца;

- наличие трудно устранимых низкочастотных колебаний солнечных панелей большой площади.

В первом случае использование ЯЭУ безальтернативно. Относительный вклад таких задач в сравнении с другими направлениями приложения космической энергетики невелик. Тем не менее, эта ниша существует, имеет актуальность и ЯЭУ безусловно должны.

Во втором случае опыт эксплуатации международной космической станции (МКС) указывает на возможность решения вопроса в конкретной задаче.

В советский период был осуществлён широкий фронт работ по проектным, конструкторским, материаловедческим вопросам, а также проведён большой комплекс экспериментальных исследований и отработки ключевых элементов термоэмиссионной схемы ЯЭУ, показавший преимущества термоэмиссионной схемы над  турбомашинной, и выведший нашу страну в лидеры по разработкам космических ЯЭУ. Этот задел должен быть использован для создания термоэмиссионных ЯЭУ на базе наиболее перспективных литий-ниобиевых технологий, а также термоэлектрических ЯЭУ на базе радиоизотопов с целью решения задач исследования дальнего космоса, планетоходов и ряда специальных задач в оборонной сфере.

Выбор газотурбинной схемы в разрабатываемом в настоящее время Президентском проекте проведён волевым образом без достаточного обоснования. Схема имеет ряд существенных недостатков по отношению к термоэмиссионной схеме, для которой имеется также существенно больший научно-технический задел. Крайне нежелательна ситуация, аналогичная  той, которая произошла с отечественным носителем Н-1.  Если бы его не закрыли на последних этапах отработки, государство уже 35 лет имело бы самый совершенный носитель и давно оправдало бы вложенные в него средства. Аналогичная ситуация не должна произойти с термоэмиссионной схемой.

Обсуждаемая в последние годы бимодальная схема ЯЭДУ на основе ЯРД и ГТУ имеет чрезвычайно сложную многоконтурную структуру, объединяющую так и не разработанные ЯРД (схему А) (работы по которым были закрыты в США в 1972 г., а в СССР – в 1992 г.), и ГТУ, по которой имеется комплекс серьёзных нерешённых проблем, что ставит под сомнение целесообразность  практической реализации бимодальной ЯЭДУ.

Основными преимуществами использования центробежных бескаркасных солнечных батарей (ЦБСБ) в приложении к крупномассшабным космическим СЭУ по сравнению с каркасными аналогами являются [1]:
- отсутствие жёсткого каркаса, составляющего до 50% от стоимости всей СЭУ (стоимость  разработки, изготовления и отработки на Земле, вывода на орбиту и орбитальной сборки);
- возможность переориентации (слежения за Солнцем) на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела, поскольку сама центробежная система является тяжёлым гироскопом;
-  из-за отсутствия каркаса имеется возможность укладки в очень малый объём при транспортировке на орбиту;
- имеется возможность эффективной наземной отработки с моделированием факторов космической среды;
- может быть реализована космическая технология автоматизированного раскрытия;
- при использовании плёночных ФЭП имеется возможность получения рекордных величин по удельной мощности порядка 1000 Вт/кг и выше.

Для отработки технических решений и набора опыта создания и эксплуатации МБ представляется целесообразным осуществить создание демонстрационного прототипа перспективного энергодвигательного комплекса на основе солнечной ЭРДУ для совместной отработки в космическом эксперименте на ТГК «Прогресс» вблизи МКС. Научная аппаратура для космического эксперимента «Знамя-СБ» на ТГК «Прогресс» предлагается как энергодвигательный блок в следующем составе:
-  центробежная бескаркасная солнечная батарея  мощностью 6 кВт;
-  аккумулятор электроэнергии с водородным циклом ;
- электроракетная двигательная установка на базе электроплазменных двигателей  СПД-140 (100).

Кооперацией в составе МНТЦ ПНКО, ЦНИИмаш, РКК «Энергия», НПО «Квант» и МАИ осуществлён Аванпроект, который необходимо довести до лётного эксперимента.

В целом научно-технический потенциал российской космонавтики позволяет поставить вопрос о необходимости перехода от концептуальных исследований к практическому осуществлению проектов космических солнечных электростанций с поэтапным наращиванием их мощности и количества, начиная с создания летных демонстраторов.    

Открывается возможность для России путем создания демонстрационной КСЭС с лазерным каналом передачи энергии занять достойное место в мировом процессе разработки промышленных КСЭС [4].

Реализация предлагаемой гибридной солнечной аэростатно-космической электростанции на мощность 100 кВт (рис.1) возможна имеющимися техническими средствами и позволит сделать важный  шаг к созданию промышленных КСЭС с беспроводной передачей энергии как для наземных энергопотребителей,  так и  в перспективе  для снабжения энергией  потребителей на других космических телах  ( Луне, Марсе и других  планетах, астероидах и проч.)  и космических аппаратах.

Литература

1. Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные  бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 447с.
2. Space-Based Solar Power As an Opportunity for Strategic Security. Phase of Architecture  Feasibility Study // Report to the Director. National Security Space Office. 10 October 2007.
3. Грибков А.С., Евдокимов Р.А., Легостаев В.П., Синявский В.В., Соколов Б.А., Тугаенко В.Ю., Черток Б.Е. Беспроводная передача энергии от космических энергетических систем // Актуальные проблемы российской космонавтики. Труды  ХХХV академических чтений по космонавтике. Москва, 25-28 января 2011г., С.119-120.
4. Сысоев В.К., Пичхадзе К.М., Арапов Е.А., Верлан А.А. Новые решения в космической гелиоэнергетике приближают теорию к практике //  Альтернативный киловатт. №2 (8) 2011.С.30-35.