Энергетический кризис и  космическая солнечная энергетика.

В настоящее время  основные энергопотребляющие отрасли Российской Федерации испытывают большой недостаток в энергоносителях на фоне тенденции возрастания их потребления. Это, в частности, объясняется временным спадом производства в угольной, газовой и нефтяной отраслях России. Вместе с тем в России уделяется недостаточно внимания развитию энергосберегающих технологий, таких как использование энергии солнца, ветра и геотермальных вод. Ведущие страны мира, такие как США, Япония, страны Скандинавии, западной Европы и Азии в настоящее время в значительной мере (до 30%)  возмещают недостаток энергии за счет использования природных (альтернативных) факторов.

В течение 15-20-и  последних   лет   наблюдается   снижение    темпов  развития космической техники. В тоже время имеются неотложные общечеловеческие проблемы энергетического и экологического кризисов и управления погодой, которые могут быть  успешно решены космической техникой  при том научно-техническом  потенциале,  который   накоплен  за предыдущие  60-70 лет. В энергетику в мире вложены наибольшие средства, 5,5-6 триллионов долларов, включая затраты на разведку, добычу и транспортировку топлива.  История развития общества, политика и экономика - это, в конечном счете, борьба за энергетические ресурсы. Объективная общечеловеческая востребованность энергетики, как важнейшего фактора развития цивилизации, и кризисное состояние энергетики в ближайшем будущем, являются главными причинами необходимости концентрации возможностей космонавтики над энергетическими проблемами [1-3]. Основоположник  космонавтики К.Э.Циолковский более 100 лет назад начал развитие космонавтики  для решения именно  проблем энергетического и экологического кризисов и указал путь решения - овладение солнечной энергией.  Лауреат Нобелевской премии по химии академик Н.Н. Семенов   еще в 1931 году выступал с обоснованием необходимости глобального использования солнечной энергетики. В 1973 г. в его работе 'Об энергетике будущего' говорится: ' Использование энергии солнца не вызывает перегрева земли, изменений климата, не несет никаких опасностей отравления земли и воздуха вредными веществами. Оно является вечным источником энергии'. Ту же позицию занимает лауреат Нобелевской премии по физике академик Ж.И.Алферов: 'Ставка на солнечную энергетику должна рассматриваться как беспроигрышный, но в долговременной перспективе и как безальтернативный   выбор   для человечества'.

Запасы нефти, на которых работают 63% электростанций, через 20 - 30 лет иссякнут в связи с ростом населения на планете и ростом энергопотребления на душу населения. В общем энергобалансе 17% занимают гидростанции, 18,5% атомные электростанции и около 1% ветровые, геотермальные, солнечные и прочие.  Нефть, газ, ядерное топливо являются экологически вредными энергоносителями, способствуют парниковому эффекту и потеплению климата на планете. Не находит  решения проблема утилизации ядерных отходов. Чернобыльская авария остановила реализацию ряда проектов создания атомных электростанций в густонаселенных районах. Авария на Японской атомной электростанции в конце 2005г. вновь напомнила Хиросиму. В проблему управляемого термоядерного синтеза с начала 50-х годов прошлого века развитые страны внесли огромный интеллектуальный и финансовый вклад. Разработкой направления занимаются крупнейшие и влиятельнейшие ведомства. Несколько раз в средствах массовой информации проводились кампании, когда активно говорилось, что решение проблемы совсем близко, однако затем на десятилетия все замирало. Новые усилия оказывались безрезультатными. Не исключено, что термоядерная реакция, так хорошо идущая на Солнце, может оказаться в управляемом виде не реализуемой на Земле.  Если все же проблема найдет решение, следует помнить, что в конечном счете термоядерный реактор, как и атомный реактор,  работает по обычному тепловому циклу, как широко распространенные тепловые станции, сжигающие продукты переработки нефти, и из-за низкого КПД интенсивно нагревающие окружающую среду.

Техногенные воздействия на окружающую среду.

Проблема управления погодой и климатом теснейшим образом связана с проблемой техногенных воздействий на  экологию среды обитания наземными энергетическими системами и возможностью решения проблемы энергетического кризиса. Становится особенно ясно значение развития космической техники, способной если не решить полностью, то внести значительный вклад в решение указанных проблем, носящих глобальный характер. Перевод наземной энергетики с углеродосодержащих и ядерных топлив на космические солнечные батареи исключает первопричину техногенных воздействий на среду обитания:

-последствия использования органического топлива, сжигание которого способствует парниковому эффекту, оказывает вредное воздействие на биосферу (выбрасываются в атмосферу СО, СО₂ ,окислы азота, серы, свинец,  мышьяк, радиоактивные элементы, забирается из атмосферы огромное количество кислорода воздуха в процессе сжигания);

-последствия  использования ядерного топлива, способствующего парниковому эффекту, ставящего проблему утилизации ядерных отходов, а также проблему аварий,  при которых катастрофические последствия наносят ущерб, многократно превышающий выгоды от эксплуатации  АЭС, и проблему неконтролируемой выработки плутония  как стратегического  материала для ядерного оружия;

 -последствия использования гидроэлектростанций, связанных  с затоплением больших сельскохозяйственных площадей, городов и поселков, уроном рыбного хозяйства.

Использование  солнечных батарей в энергосистемах на Земле в 6-15 раз менее эффективно, чем их использование в космосе из-за режимов освещения 'день-ночь' и 'зима-лето', поглощения в атмосфере из-за дождей, снега, пылевых бурь, широты местности, загрязнения и эрозии поверхности батареи от воздействия внешней среды.  В космосе все эти факторы отсутствуют.

Сочетание 'водородных технологий' с наземными солнечными батареями [10] при крупномасштабном производстве электроэнергии не эффективно, как по выше названным причинам, так и  из-за больших затрат энергии для получения водорода, сложности его хранения и опасности образования 'гремучего газа', как сильного взрывчатого вещества, при утечках водорода.

За счет выноса в космос первичных преобразователей солнечной энергии в электрическую  появляется возможность  повысить пороговую величину энергопотребления, обусловленную опасностью теплового загрязнения планеты.  Передача энергии с орбиты непосредственно в районы потребления исключает наземные линии электропередач большой протяженности  и связанный с их постройкой экологический ущерб (вырубка лесов,  не использование земель).  Вынесение на орбиты энергоемких и экологически вредных производств  в большой мере  снизит нагрузку на биосферу.

Первые годы текущего столетия ознаменовались чрезвычайно масштабными погодными катастрофами на всех континентах, суммарный ущерб от которых в  десятки раз превышает стоимость самых крупных космических программ. Во многом это произошло по причине превышения допустимой нормы техногенных воздействий на окружающую среду. Вынесение на космические орбиты энергоемких и экологически вредных производств, создание орбитальных солнечных электростанций большой мощности и трансляция электроэнергии на Землю - вот путь развития большой космической энергетики и космонавтики в перспективе и одно из эффективных направлений в решении проблемы энергетического кризиса и стабилизации погоды.

Следует особо подчеркнуть взаимосвязь этих проблем: решая проблему энергетического кризиса космическими средствами, мы устраняем одновременно техногенные воздействия на экологию окружающей среды, как причину дестабилизации погоды. 

Эволюция проектных концепций создания космических солнечных электростанций.

Вновь создаваемые проекты космических солнечных электростанций (КСЭС), начало осуществления которых возможно будет через десятилетие, а эксплуатация будет продолжаться до конца века, должны базироваться на новейших достижениях и технических решениях в области физики и технологии полупроводников, техники СВЧ и создании крупногабаритных космических конструкций.

Проследим исторические этапы предложений по разработке КСЭС и изменение основных проектных концепций, связанных со стремлением повысить эффективность, снизить стоимость и повысить надежность системы. При комплексном анализе проблемы необходимо рассмотрение взаимосвязи всех основных этапов создания системы, таких как:

- проектная увязка и определение конструктивного облика;

- наземное изготовление и отработка;

- компоновка в транспортном состоянии и  вывод ракетой-носителем на орбиту;

- орбитальная сборка системы и ее эксплуатация.

Крупномасштабность системы в значительной мере осложняет ее создание и требует поиска нетрадиционных подходов.

Разработка КСЭС была начата практически сразу с началом космической эры. Запуск первого спутника и первого человека в космос пробудили интерес к большим космическим энергосистемам, первый инженерный проект которых был разработан Глейзером в 1968г. в США [7,8].  В проекте   была показана целесообразность создания энергетического объекта в космосе на чрезвычайно большую мощность, превышающую мощность самых крупных электростанций на Земле ( порядка 10 ГВт ), и передачи электроэнергии  на Землю в СВЧ диапазоне.  

Солнечная батарея Глейзера представляла собой ферменную конструкцию размером 13,1 Χ 4,93 км и массой 12,3 тысяч тонн, выходной мощностью 5 ГВт на кремниевых солнечных элементах с КПД =13,7%. Создание такой конструкции даже по сегодняшним меркам представляется нереальным. Техника не была готова в то время к реализации подобных проектов даже тогда, когда человек ступил на поверхность Луны (1969г. программа  ' Аполлон' США). Не созрело острой потребности общества. Сейчас положение сильно изменилось. Энергетический кризис и природные катаклизмы заставляют искать средства противодействия. Техника не стояла все это время на месте и с различной степенью детализации проработки КСЭС проводились все последующие годы [8,9]. На рис.2 приведен пример разработки КСЭС 1978г. [8]. В целом конструктивная схема подобна схеме Глейзера 1968г. Имеется жесткая каркасная конструкция солнечной батареи, электрический ток постоянного напряжения с большой поверхности солнечной батареи по тоководам собирается  в расположенный в центре преобразующий  СВЧ блок и сбрасывается СВЧ передающей антенной. Отличием от схемы Глейзера являются использование для солнечной батареи арсенида галлия, обладающего по сравнению с кремнием более высоким КПД, и введение в схему плоского отражателя, обеспечивающего двукратную концентрацию излучения. Дальнейшее совершенствование схемы КСЭС шло по пути увеличения концентрации излучения и значительного уменьшения каркасной рамы солнечной батареи, а также изменения компоновки с целью исключения из конструкции громоздких тоководов. 

 В октябре 2007 г. Министерство обороны США выдвинуло проект долгосрочной программы создания КСЭС, транслирующих энергию на Землю    в СВЧ диапазоне, для того, чтобы в перспективе   избавить страну от импорта нефти, что является целью администрации Президента Буша [6]. Рассматривается перспектива создания большого количества космических солнечных электростанций на мощность, покрывающую энергопотребление всего человечества к 2100г. На рис.3 показана приведенная в [6] cхема  КСЭС, которая сформировалась к 2003г., и  где симметрично расположенные относительно центральной оси шестигранные параболические внешние  зеркала концентрируют солнечную энергию на внутренних вторичных зеркалах, разворачивающих поток света на 90^о и направляющих его на центральную круговую конструкцию, где находятся совмещенные конструктивно солнечная батарея, преобразующие в СВЧ элементы и передающая антенна. В новой схеме отсутствуют громоздкие тоководы, однако введены новые элементы - поворотные зеркала и параболический солнечный концентратор, размерность которого определяется КПД  солнечной батареи, а конструкция представляет собой два связанных жесткими элементами шестигранника 2×3км с расстоянием между дальними краями 5км. Концентратор с поворотными зеркалами должны изготавливаться и наводиться в процессе работы на Солнце с большой точностью (порядка градуса), что сильно усложняет проблему создания КСЭС по данной схеме в целом. Управление, заключающееся в постоянном изменении положения концентратора в пространстве для наведения его на Солнце при движении по геостационарной орбите в течение года, может осуществляться  в данной схеме только химическими или плазменными двигателями, требующими периодического подвоза рабочего тела.

Разработчики данной схемы перенесли центр тяжести разработки КСЭС с солнечной батареи с системой преобразования и излучения, которые выглядят достаточно реальными, на систему концентратора с поворотными зеркалами, создание и отработка которого при представленных масштабах, точности и опыте предыдущих разработок крупногабаритных конструкций представляются весьма проблематичными. 

Новые концепции решения проблемы.

За последние годы появились новые концепции и подходы к созданию космических энергосистем, отсутствовавшие еще 8-10 лет назад, базирующиеся на новейших научно-технических достижениях в физике и технологии полупроводников и создании бескаркасных космических конструкций, которые могут гарантировать при создании космических солнечных энергосистем  значительное снижение  финансовых затрат и времени на их реализацию  по сравнению с альтернативными проектами. Большой интерес представляет возможность создания на базе нанотехнологий полупроводниковой структуры, объединяющей генерирующие в СВЧ диапазоне и излучающие свойства.. Использование таких полупроводниковых структур позволит чрезвычайно эффективно осуществлять генерирование и трансляцию энергии в СВЧ диапазоне в космических энергоустановках, исключив громоздкие традиционные СВЧ преобразующие приборы и токоподводы. В космической солнечной электростанции генерируемая по площади солнечной батареи СВЧ энергия может фокусироваться путем фазировки [11]  на наземную ректенну, в Марсианской миссии генерируемая по площади солнечной батареи   СВЧ энергия может фокусироваться на расположенный в центре батареи плазменный двигатель с СВЧ накачкой на циклотронном резонансе [4,5].

Предложена технология развертывания центробежными силами крупномасштабной космической электростанции практически любой размерности путем объединения агрегатом раскрытия с 'тянущими роликами' непосредственно на орбите  индивидуально доставленных туда на катушках секторов полотнища солнечной батареи [5]. Эта технология является  технической находкой, которая по своей простоте и возможностям реализации превзойдет все практически возможные альтернативы.

В авиации создание вертолетов было начато практически одновременно с началом создания крылатых аппаратов. Эффективность вертолетостроения бесспорна. В космической технике создание вращающихся конструкций только начинается и, как в вертолетостроении, может в значительной мере удешевить и повысить эффективность решения многих задач.

Если 40-50 лет назад усилия в космической технике  в основном  были направлены на увеличение массы выводимого на орбиту полезного груза, то в  настоящее время к изделиям космической техники предъявляются требования минимальных затратах на создание образцов новой техники при максимальной эффективности для решения важнейших народнохозяйственных и научных задач. Этим требованиям в наибольшей мере  отвечают бескаркасные формируемые центробежными силами крупногабаритные  космические конструкции, которые имеют ряд существенных преимуществ над каркасными аналогами, таких как:  отсутствие затрат на создание и отработку жесткого каркаса; малая удельная масса, возможность укладки в малый объем при транспортировке и  автоматическое развертывание на орбите при малых энергозатратах, высокая точность поверхности, возможность переориентации на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела, возможность эффективной наземной отработки и проч.  В рамках темы 'Знамя' (1988-1994г.г.) в НПО 'Энергия'  были осуществлены подготовка и проведение космического эксперимента для подтверждения проектно-конструкторских решений, закладываемых в проекты перспективных систем, а также по отработке формируемых центробежными силами конструкций и набору опыта их создания.  Впервые в мире 04.02.93 на транспортно-грузовом корабле "Прогресс" рядом с орбитальной станцией 'Мир' был развернут в космосе макет пленочной конструкции солнечного паруса диаметром 20м (космический эксперимент "Знамя 2") и проведен маневр по переориентации конструкции в пространстве [5]. Конструкция площадью 300м² имела массу всего 4 кг.

На сегодняшний день разработки по этим конструкциям  являются только Российскими достижениями и позволят значительно превзойти зарубежные проекты [5].

В приложении к КСЭС по сравнению  с каркасной схемой КСЭС с концентратором формируемая центробежными силами схема обладает следующими преимуществами:

-   в схеме полностью отсутствуют крупногабаритный каркас и затраты на его создание и отработку, а также сложности  вывода  каркаса на орбиту и его развертывания;

- переориентация КСЭС в пространстве осуществляется за счет прецессии самой конструкции, которая является тяжелым гироскопом, при этом не требуется расход рабочего тела;

-   точность ориентации на Солнце в безконцентраторной схеме составляет +12^о ( по сравнению с +1^о по схеме [6]) ;

- центр тяжести разработки сосредоточен на солнечной батарее, генерирующей и излучающей в СВЧ диапазоне, которая может быть отработана на Земле на маломасштабных образцах в рамках развивающихся нанотехнологий, что практически выгоднее создания  в космосе крупногабаритного каркаса  концентратора размерностью 5км и точностью ориентации +1^о.

Генерирующие в радиодиапазоне солнечные батареи окупятся раньше при использовании на спутниках связи и других ЛА.

В перспективе создания многих КСЭС в течении 30-50 лет для выведения КСЭС   в космос перспективным является использование электромагнитного ускорителя с полосой разгона порядка 10 км, геометрически подобной лыжному трамплину. Ускоритель должен строится рядом с крупной электростанцией и использовать горный рельеф местности (например около Саяно-Шушенской ГЭС).

Необходимо начать проектно-конструкторские и технологические работы в этом направлении, которые с одной стороны позволят России идти без отставания по сравнению с другими странами в решении проблемы энергетического кризиса, а с другой стороны получить возможность экспортировать энергию в любые нуждающиеся в ней государства. 

Заключение.

Развитие ракетно-космической техники должно быть направлено на решение крупномасштабной  актуальной общечеловеческой проблемы, требующей консолидации возможностей космической отрасли со смежными отраслями, академической наукой и высшей школой. Такой проблемой является в настоящее время противодействие энергетическому кризису и стабилизация погоды, которые могут быть решены путем создания космических солнечных электростанций и трансляции энергии на Землю. Для этого потребуется развитие направлений разработки бескаркасных солнечных батарей нового поколения, многократно превышающих каркасные аналоги по эффективности и основанных на использовании формируемых центробежными силами крупногабаритных космических конструкций, и полупроводниковых  пленочных структур, генерирующих и одновременно излучающих в СВЧ диапазоне. Необходимо объединение усилий предприятий ракетно-космической отрасли, институтов академии наук, и многих других отраслей. Будет востребована разработка тяжелых носителей для обеспечения большого грузопотока, связанного с созданием и эксплуатацией электростанций на орбите. Станет необходим бесценный опыт, накопленный космонавтами. Возрастет престиж инженерных профессий. Потребуются высококвалифицированные кадры, владеющие наукоемкими технологиями и соответствующая их подготовка в ВУЗах.