ОРБИТАЛЬНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
Наука и научная фантастика — области с весьма размытыми и изменяющимися во времени границами. То, что является фантастикой или магией (сверхестественным) сегодня, завтра может стать объектом научных разработок. Неслучайно Артур Кларк сформулировал свой третий закон следующим образом: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии».
Серьезные научные разработки в казавшейся ранее фантастической или магической области могут привести к практическим результатам. Примером может служить освоение космического пространства, высадка человека на Луну и др. Часто исследования заходят в тупик либо по технологическим ограничениям, либо, что случается чаще, по причинам экономической несостоятельности предлагаемых технических решений. Тем не менее и тупиковые разработки имеют огромное значение с точки зрения генерации новых знаний.
Проект орбитальной солнечной электростанции, концептуальная разработка которого была организована НАСА около 20 лет тому назад, несмотря на то что реализация этой идеи в перспективе обещает получение довольно дешевой электроэнергии, сегодня натолкнулся на экономический барьер. Требующиеся инвестиции оцениваются в триллионы долларов, что для масштабов экономики США и даже для мировой экономики в целом пока неподъемно.
Более того, по оценкам ряда экспертов, на современном уровне развития технологий энергетические затраты на создание такой орбитальной электростанции превысили бы количество энергии, которую можно получить за ожидаемый срок ее жизни. Вместе с тем освоение перспективных полимерных фотопреобразователей, более легких и эффективных, чем существующие кремниевые кристаллические фотоэлементы, возможно, могло бы коренным образом изменить это энергетическое соотношение.
По мнению ряда специалистов, на сегодняшнем этапе развития техники невозможно обеспечить вывод на орбиту огромной массы конструкций, которая требуется для создания станции. Однако это, по-видимому, верно только применительно к известным ныне технологиям. Известна полуфантастическая идея создания космического лифта, перемещающегося по «канату», спущенному к поверхности Земли со спутника, находящегося на геостационарной орбите. По этому «канату» грузы можно бы доставлять на орбиту с существенно меньшими затратами, чем при использовании ракет. Одна из причин нереализуемо — сти и, следовательно, фантастичности этой идеи состоит в том, что пока отсутствуют материалы для изготовления «каната», которые могли бы выдержать его собственный вес. Вместе с тем ведутся разработки сверхпрочных материалов, в частности, на основе углеродных нанотрубок, которые, возможно, в будущем обеспечат решение этой проблемы.
Исследования и разработки орбитальных солнечных электростанций (ОСЭ) пока не увенчались значимыми практическими результатами, однако позволили получить новые полезные знания. Мы попытаемся на примере одного из первых проектов обобщить наиболее интересную информацию об ОСЭЧ
Существенные трудности при наземном использовании фотоэлектрических преобразователей создает изменчивость и нестабильность солнечного излучения. Это приводит к необходимости создания крупных аккумуляторов энергии или использования резервных источников электроснабжения. Оба подхода сопряжены со значительными дополнительными затратами. Наземные солнечные электростанции целесообразно размещать в районах с максимальным приходом солнечной радиации. Однако в этом случае требуется создание протяженных линий электропередачи для электроснабжения потребителей в других районах.
Сократить протяженность линий электропередачи можно было бы, используя беспроводную передачу энергии, например, с помощью сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения. Тогда крупная солнечная электростанция могла бы быть размещена, например, в солнечном штате Аризона, и с помощью СВЧ-луча и орбитального отражателя энергия могла бы передаваться в Нью-Йорк или в Чикаго. Управление энергетическими потоками можно было бы осуществлять путем переключения СВЧ-луча с одного потребителя на другого.
О Прим. ред. Рассматриваемые в данном параграфе решения в основном относятся к первому проекту ОСЭ, предложенному П. Глэзером и более детально проработанному в НАСА в конце 80-х годов. Результатом рассмотрения проекта стало заключение о невозможности его реализации на существующем уровне развития техники. В начале 2000-х годов в связи со значительными научно-техническими достижениями интерес к проекту ОСЭ возобновился. В настоящее время крупные научно-исследовательские проекты в этом направлении реализуются в США, Японии, Канаде, Европейском союзе и по отдельным направлениям в России. Выдвинуты новые технические решения, обеспечивающие большую жизненность проекта. Современное состояние разработок в области ОСЭ и перспективы их практической реализации проанализированы в докладе «Space-Based Solar Power As an Opportunity for Strategic Security». Phase 0. Architecture Feasibility Study Report to the Director, National Security Space Office. Interim Assessment Release 01. 10 October 2007.
Однако более привлекательно разместить солнечные преобразователи непосредственно на геостационарной орбите. В этом случае поток солнечного излучения на фотоэлектрические преобразователи был бы практически постоянным. На геостационарной орбите продолжительность облучения фотоэлектрических преобразователей составляет 99 % времени (кратковременное затенение спутника приходится на середину местной ночи в дни равноденствия), в то время как суммарная продолжительность светового дня на поверхности Земли составляет всего половину года1).
Идея создания ОСЭ была предложена П. Глэзсром[47] [48], однако изучение выдвинутой концепции ОСЭ в НАСА выявило ряд трудно реализуемых технических проблем.
Концепция предполагает создание на геостационарной орбите группировки ОСЭ, каждая из которых обеспечивает передачу на земную сеть линий электропередачи 5 ГВт электрической мощности.
Разработка ОСЭ связана с четырьмя основными компонентами:
1) системой преобразования энергии в космосе;
2) системой передачи энергии на землю;
3) выводом оборудования на орбиту;
4) сборкой ОСЭ на орбите.