Так ли безопасна «чистая» и дешевая энергия?
На VII Международном аэрокосмическом конгрессе одним из самых ярких оказался эмоциональный и интересный – хотя и небесспорный – доклад представителя ЦНИИ машиностроения (ЦНИИМаш), доктора технических наук Виталия Мельникова о создании солнечных космических электростанций (СКЭС).
При всей очевидной актуальности данной темы в научном и прикладном плане она вызывает множество вопросов, связанных с реализуемостью СКЭС на современном этапе и в ближайшей перспективе, а также с возможным использованием станций в военных целях. Сформулировать указанные проблемы в заочной дискуссии с уважаемым господином Мельниковым корреспондент «ВПК» попросил одного из ведущих специалистов российской ракетно-космической отрасли. По понятным причинам его имя не называется. Но вначале надо ознакомить читателей газеты с содержанием доклада, прозвучавшего на форуме покорителей космоса.
Новый рынок
Главная идея выступления Виталия Мельникова заключается в том, что Россия, чтобы не отстать от США, должна к 2016 году запустить прототип СКЭС. Для этого есть достаточно возможностей, поскольку в настоящее время в нашей стране проектируется демонстрационный прототип такой станции мощностью 100 кВт. Чем вызвана такая необходимость?
По оценке сотрудника ЦНИИМаша, «в начале этого века наметилась ситуация, о которой мало говорится, но она впоследствии будет определять развитие космической техники, и не сказать об этом сейчас было бы неправильно». Мельников считает, что в настоящее время интенсивно формируется рынок космического электричества.
«Американцы хотят сделать СКЭС к 2016 году, как – я не знаю, но об этом пишут. Японцы заявляют, что к 2025-му, но события на АЭС «Фукусима-1», естественно, ускорят этот процесс. По данным японцев, к 2025 году вырабатываемое на СКЭС электричество будет в шесть раз дешевле, чем электричество, производимое на Земле», – утверждает Виталий Мельников. Таким образом, существует реальная угроза того, что японцы захватят рынок космического электричества.
«И если они предложат дешевое космическое электричество, кто будет покупать дорогое, произведенное на Земле, и кто будет покупать наши ресурсы?» – спрашивает Мельников. В этом случае нашу страну ждет обесценивание ресурсов.
«Надо смотреть правде в глаза. Об этом сейчас не говорится, а по существу это так. Но нужно понимать: кто захватит этот рынок первым, вложит больше средств, тот получит огромное преимущество, ведь энергетика – основа цивилизации», – бьет в набат российский ученый. Он напомнил, что в эту отрасль в глобальном масштабе ассигновано около семи триллионов долларов. «И тот, кто займет в этом сегменте – на рынке космического электричества первое, второе, третье места, получит доходы, несравнимые с доходами Билла Гейтса, а на порядки выше», – уверен представитель ЦНИИМаша. Поэтому Россия не должна уступить конкурентам. «У нас есть идеология, есть изготовители. Если американцы сделают СКЭС к 2016 году, а мы только начнем работать над ней, будет поздно», – полагает он.
Варианты реализации
В США созданием СКЭС занимаются с 1968 года. К 2016-му американцы планируют вывести в космос электростанцию гигаваттного класса. Для сравнения: десять гигаватт – мощность двух Братских ГЭС. В Японии аналогичные работы ведутся с 90-х годов прошлого столетия. Причем за осуществлением этого проекта внимательно следят в Китае.
Один из вариантов функционирования СКЭС следующий: на геостационарной орбите разворачивается сама станция, представляющая большую солнечную батарею. Выработанное электричество с нее будет передаваться либо СВЧ, либо лазерной системой на наземные приемники. По оценке Мельникова, последние достижения электроники в части создания высокоэффективных солнечных батарей сделали возможным разработку СКЭС.
Среди зарубежных замыслов построения подобных станций известна, в частности, концепция СКЭС Питера Глейзера, предложенная в 1968 году и предусматривающая создание платформы с солнечной батареей размером 5 на 13 километров. КПД такой батареи – 13 процентов. Передача энергии либо на Землю, либо на космический аппарат – с помощью СВЧ-системы. Самая большая трудность при осуществлении данного проекта – сборка каркасной конструкции заданной площади, что сопряжено с большим числом запусков ракет-носителей.
Еще одну концепцию с 2007 года прорабатывает Пентагон. В основе – два концентратора по 2,5 километра с расстоянием между фермами пять километров. Энергия фокусируется на солнечную батарею. По словам Мельникова, идею подобного устройства придумали японцы, а американцы намечают реализовать ее к 2016 году. Японская конструкция основана на гравитационной стабилизации. В ее основе – панель, воспринимающая солнечное излучение и передающая энергию на Землю. Реализация потребует инвестиций в 24 миллиарда долларов.
Наиболее интересной, по мнению Мельникова, представляется европейская концепция, предусматривающая передачу энергии с помощью инфракрасного лазера. Электричество переводят в лазерный свет. Этот способ более безопасный, нежели СВЧ-канал, и более эффективный – его КПД может достигать 80 процентов. Использование инфракрасного лазера обеспечивает и возможность приема энергии в высоких широтах России от СКЭС на геостационарной орбите. Для этого, правда, понадобится аэростат, который будет принимать энергию от орбитальной станции, а затем передавать ее на Землю по оптико-волоконному кабелю.
Еще одно достоинство лазерного луча – его значительно меньшая расходимость по сравнению с СВЧ-сигналом, что сокращает площадь приемной станции на несколько порядков (до размеров 20 на 20 метров вместо 20 на 20 километров). Это намного упрощает обеспечение охраны, закрытие воздушного пространства над СКЭС. Главный недостаток СВЧ-системы – невозможность доставки энергии с геостационарной орбиты в Россию. Для лазерного аналога это не проблема, хотя и потребуется приемный привязной аэростат на высоте десять километров, что позволит передавать энергию в любой, самый отдаленный район нашей страны. Ситуация с Канадой, Гренландией, северными островами, Антарктидой точно такая же.
Как считает Мельников, традиционные тепловые источники энергии изжили себя, поскольку они приносят слишком много вреда, а космические электростанции решают проблемы глобального энергетического кризиса, экологических и климатических последствий для окружающей среды. «СКЭС – самый экологически чистый способ получения электроэнергии», – уверен он.
Пленка для Земли и Марса
Мы имеем необходимые технологические заделы для разработки СКЭС. Со слов представителя ЦНИИМаша, Россия готова и может лидировать в этом направлении, поскольку она является единственной страной в мире, обладающей опытом создания бескаркасных центробежных космических крупногабаритных конструкций. Такие работы, в частности, проводились в РКК «Энергия». В результате была получена легкоукладываемая и разворачиваемая пленка, один из вариантов которой может быть солнечной батареей.
Техническую реализуемость данного направления удалось экспериментально продемонстрировать еще 20 лет назад. В ходе осуществления проекта «Знамя» в космосе разворачивалась 300-метровая пленка массой всего четыре килограмма. Прошла отработка динамики раскрытия и переориентации в пространстве. Поэтому для выведения пленки даже намного больших размеров потребуется запуск лишь одной ракеты-носителя. Что касается центробежных сил, то они позволяют формировать конструкцию с линейными размерами до 100 километров в поперечнике. Реальные СКЭС, считает Виталий Мельников, будут в десять раз меньше.
Еще Константин Эдуардович Циолковский указывал на то, что в космосе невозможно использовать большие конструкции, построенные по земному принципу, и предсказывал большое будущее центробежным бескаркасным системам, которые укладываются в малые объемы. Кроме того, СКЭС подобного типа могут найти применение в более далекой перспективе – на орбитах Луны и Марса.
Существенным преимуществом является комбинация пленочной технологии для станции и инфракрасного волоконного лазера для передачи энергии. Последнее более безопасно, чем СВЧ, хотя проблемы есть. Тем не менее аналогичная обеспокоенность уровнем защиты не помешала развитию атомной энергетики. А ведь АЭС после выработки ресурса придется утилизировать. «Они еще тысячи лет будут мешать нашим внукам, а здесь, в СКЭС этого ничего нет», – пояснил Мельников.
Исследовательские разработки по проблематике СКЭС ведутся в РКК, а также в НПО имени Лавочкина. В частности, в «Энергии» создали специализированный отдел и набрали молодых специалистов. Сегодня в России проектируется демонстрационный прототип СКЭС мощностью 100 киловатт на базе центробежной бескаркасной конструкции. Приемное устройство – привязной аэростат, поэтому лазерный луч до поверхности Земли не дойдет. Дальше энергия будет передаваться по оптико-волоконному кабелю, поскольку масса традиционного силового кабеля протяженностью даже пять километров для аэростата окажется неподъемной. «В настоящее время мы находимся на этапе становления кластера из заинтересованных предприятий», – сообщил Мельников. По его мнению, решение задачи создания СКЭС позволит получить доступ ко многим технологиям космической энергетики. Например, при создании марсианского корабля можно использовать не каркасную солнечную батарею, а центробежную. Да и все другие космические объекты могут быть связаны с этой технологией, которую он называет технологией следующего века.
О сопутствующих обязательствах и недостатках
Сегодня известно, что СКЭС могут быть использованы для поражения объектов на Земле мощными пучками энергии. Чтобы избежать этого, по мнению сотрудника ЦНИИМаша, должны быть приняты соответствующие международные обязательства.
Как представляется, это самое узкое место солнечных космических электростанций. В любом случае России надо поторопиться с постановкой вопроса в ООН о том, что каждая страна, желающая обзавестись СКЭС, должна принять на себя юридически закрепленное обязательство об отказе от применения подобных установок в военных целях. Если какое-то государство откажется это сделать, сам вывод им на орбиту такой электростанции следует рассматривать как враждебный акт с его стороны со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Ну а теперь слово эксперту «ВПК», заочному оппоненту Виталия Мельникова.
«Проблемы создания СКЭС определены давно – почти 30 лет назад и хорошо известны. Их можно разделить на три направления: развертывание станции в рабочую конфигурацию и ее обслуживание, передача и прием энергии, наведение и удержание передающего луча», – пояснил он.
Первая проблема очевидна. СКЭС потребует выведения на орбиту огромных площадей солнечных батарей либо отражателей, их сборку либо развертывание в рабочую конфигурацию. А затем придется заниматься обслуживанием станции: и солнечные батареи, и отражатели имеют свой ресурс (первые – не более 15 лет). Плюс неизбежные повреждения от микрометеоритов, солнечных вспышек. Все эти «футбольные поля» надо будет как-то «латать» (для чего однозначно потребуется присутствие человека) либо менять целыми блоками.
Вторая проблема связана с достижимостью высокого КПД передачи энергии. «Зачем городить СКЭС, наносить ущерб природе многочисленными ракетными пусками и производством солнечных батарей (между прочим крайне токсичным), если львиная доля полученной энергии просто рассеется, не сделав ничего, кроме увеличения энтропии во Вселенной?» – задается вопросом собеседник. Тем более что и передатчики, и приемники энергии пока не вышли за рамки лабораторных образцов. «Энтузиасты СКЭС уверяют, что полноразмерные приборы будут легко получены простым масштабированием, однако весь опыт космической отрасли говорит, что такой путь чреват всякими сюрпризами, преимущественно неприятными», – напоминает он.
Третья проблема связана с тем, что малейшая расфокусировка или отклонение луча энергии может привести как минимум к повреждению принимающей станции, ее сопутствующей инфраструктуры (просто представьте, что луч теплового лазера, слегка отклонившись, «цепляет» оболочку принимающего аэростата), а то и к человеческим жертвам.
«Конечно, все эти проблемы теоретически решаемы, – соглашается эксперт. – Однако это надо делать в комплексе. А такое желание у сторонников СКЭС пока не слишком заметно». Например, предлагают удешевить и упростить работы по первой проблеме путем использования тонкопленочных материалов. И забывают про эффект «солнечного паруса». Ведь чем легче плоскостная конструкция в космосе, тем лучше ее «парусные» качества. Однако во все расчеты берутся прикидки прошлых лет, сделанные для «тяжелых» конструкций. Для них действительно еще можно будет использовать простейшую гравитационную стабилизацию. Однако для «легких» это уже беспочвенное мечтательство.
Или, например, собираются размещать СКЭС на геостационарной орбите, чтобы упростить решение задачи стабилизации платформы станции относительно наземного приемника и соответственно наведения луча. «Подмывает спросить: а МСЭ (Международный союз электросвязи) и операторов космической связи вы спрашивали? У них и так множество проблем, связанных с перенасыщением геостационара спутниками, при этом денег для защиты своих интересов от посягательств со стороны более чем достаточно», – иронизирует эксперт.
И таких примеров упрощенного, на его взгляд, подхода к проблеме немало. Вместе с тем все сказанное не отменяет самой идеи передачи энергии на расстояние, признает специалист. Называет он и другие возможные области применения СКЭС: «Если ограничиться сугубо космическим пространством, а также небольшими потребляемыми мощностями, то значительную часть проблемных вопросов можно снять. Так, вполне можно представить себе связку из сравнительно маленького спутника с солнечными батареями, передающего энергию на спутник – носитель полезной нагрузки, лишенный своих собственных источников питания. Такая конфигурация позволит применить на спутнике-носителе, не демаскируемом панелями батарей, полный спектр технологий оптической и радиолокационной малозаметности (про военное назначение подобных «невидимок» напоминать не стоит). Также отказ от собственных солнечных батарей позволит поработать над аэродинамическими качествами изделия, чтобы использовать особо низкие орбиты со значительно меньшими потерями по расходу топлива на поддержание высоты и соответственно по сроку активного существования».
В любом случае проблема реализации СКЭС поставлена и, безусловно, над ней надо работать, даже если в обозримой перспективе ее не удастся решить в комплексе. Ведь в ходе работы неизбежно будут получены новые знания и технологии, которые наверняка пригодятся в других проектах. Очевидно, что проект СКЭС может оказаться нереализуемым, по крайней мере в ближайшей перспективе. Так может предложить заняться им той структуре, которая теоретически должна заниматься подобными вещами, – Российскому фонду перспективных исследований, аналогу американского агентства DARPA?
Необходимо отметить, что доклад Виталия Мельникова подтвердил: ЦНИИМаш вполне успешно выполняет свою главную функцию «мозгового центра» российской космической отрасли. Ему и дальше надо внимательно следить за тем, как идут разработки СКЭС в других странах.
Алексей Михайлов
Опубликовано в выпуске № 37 (454) за 19 сентября 2012 года
