Главная страница >  Цитатник 

Краффт А. Эрике «Будущее космической индустрии»

6.1 ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И КОСМОС

6 Глава ЭНЕРГИЯ ИЗ КОСМОСА

В энергосценарии будущего космическая техника может занять видное место, если она сумеет внести вклад в распределение и генерацию электроэнергии — своевременно, многофункционально и экономически конкурентоспособным образом.

Электричество — самая подвижная форма энергии. Она может преобразовываться в химическую энергию, ее можно хранить в различных формах, передавать по силовым линиям и, наконец, ее можно трансформировать в микроволновой луч и таким путем передавать через пространство. Таким путем космическая техника может использоваться для передачи электроэнергии из одной точки земной поверхности в другую, а также для генерации электроэнергии в космосе с целью ее передачи на Землю.

Чтобы доставлять порождаемую Солнцем электроэнергию от областей с наибольшей интенсивностью солнечной радиации к высоконагруженным центрам, придется передавать сотни и тысячи миллиардов киловатт-часов на большие расстояния, преодолевая океаны, горные районы, джунгли и другие труднопроходимые территории. Часто энергоисточники окажутся отделенными от потребителей многими государствами. Если использовать наземные линии передачи, придется проходить через территории этих стран, Для чего потребуются не только приобретение соответствующего права и денежные расходы, но и содержание на линии обслуживающего персонала. Физически право на прокладку силовых линий покупается ценой отчуждения огромных земельных участков, что создает нежелательные экономические, социальные, экологические и эстетические последствия. Проход через труднопроходимые территории, связанный с чрезмерно протяженными наземными распределительными сетями, приводит к значительному возрастанию эксплуатационных расходов на силовые линии (или трубопроводы жидкого водорода); в ряде случаев эти расходы значительно выше тех, что имеют место в высокоразвитых и хорошо интегрированных областях, таких как США или Западная Европа.

К началу последнего десятилетия XX века придется передавать тысячи миллиардов киловатт-часов к весьма нагруженным центрам в индустриально развитых странах и к возрастающему числу не менее нагруженных центров в развивающихся странах. Солнечная энергия обеспечивает наибольшую степень благоприятного воздействия на окружающую среду и, если организовать массовое производство компонентов энергостанций, — наиболее экономичную форму генерации вышеназванных количеств энергии. Это вполне естественно, поскольку самым мощным и по сути самым изначальным энергоисточником на нашей планете является Солнце. Особенно богаты солнечной энергией США, Мексика, Австралия, Африка и Средний Восток.

Независимо от использования вместе с солнечными электростанциями, система спутников-ретрансляторов энергии обеспечивает два явственных преимущества в связи с применением ядерных энергоисточников. Ядерные энергоустановки должны размещаться в удаленных пустынных районах, на безопасном расстоянии от плотно населенных областей. Во-вторых, электроэнергия, генерируемая ядерными установками, может быть распределена между множеством стран-потребителей без необходимости распределения между ними ядерных реакторов и плутония-239.

В этих случаях передача энергии через космические ретрансляционные станции заполняет глубокий провал в распределительной технологии. Чтобы обеспечить экономическую конкурентоспособность, космическая система ретрансляции должна обладать эффективность передачи в 60% или больше, а стоимость передачи не должна быть выше 1,4 цента на 1 кВт.ч электроэнергии, поступающей к приемной шине в конце линии электропередачи.

Если благодаря отдаленному размещению ядерного энергоисточника можно повысить показатель использования (долю времени, в течение которого фактически производится энергия), то снижение эффективности передачи (сравнительно с более короткими дальностями передачи) полностью окупается.

Можно безопасно «распределять» ядерную энергию, фактически сохраняя полный контроль над запасами плутоння-239.

Имеется много стран, чьи энергетические ресурсы (солнечные, геотермальные, гидро) превосходят их внутренние потребности. Если расширить для них рынки сбыта, куда они продавали бы избыток энергии, то для этих стран (в особенности это важно для развивающихся стран) их залитые солнцем территории и другие источники энергии стали бы драгоценным активом, укрепляющим их экономику, представляющим другим странам ценный продукт, и тем самым вносящим заметный вклад в оздоровление и целенаправленное интегрирование мировой экономики. Спутники-ретрансляторы энергии обеспечат много большую область потребления этой энергии, которая будет достаточной, для того чтобы оправдать развитие и эксплуатацию названных энергоисточннков. При наличии системы спутников-ретрансляторов энергии станет возможной новая эра планетарного энергетического хозяйства.

Для системы ретрансляции энергии необходим первичный энергоисточник. Например, может использоваться подходящей величины отдаленный геотермальный или гидродинамический энергоисточник.

Генерация мощности на орбите и микроволновая передача энергии на Землю представляет собой космическую программу значительно больших масштабов, чем ретрансляция энергии через ИСЗ от наземного источника к другому району — потребителю на поверхности земного шара. Возникающие при этом транспортные потребности превосходят возможности МТКС «Спейс Шаттл». Масса ИСЗ-генератора превосходит массу спутника—ретранслятора на один-два порядка и поэтому требует значительно больших -капиталовложений во вспомогательные устройства.

Для создания мощности на спутниках-генераторах энергии в космосе можно использовать два очевидных энергоисточника: Солнце и ядерные реакторы. Солнце в космосе является даровым местным источником, а ядерная энергия настолько концентрирована, что может оказаться вполне экономичным снабжать ядерным горючим ИСЗ-генераторы энергии. Ядерный вариант включает как деление, так и синтез. Поскольку термоядерные реакторы тоже производят радиоактивные материалы (хотя и в меньших количествах, чем атомные реакторы) и дают отброс тепла, оба этих принципа связаны с засорением окружающей среды, а потому и желателен их вынос в космос, чтобы не загрязнять наземную среду обитания.

Использование космоса для передачи или для генерации и передачи энергии потребителям может быть более экономичным и более благоприятно в экологическом отношении, чем большинство чисто наземных энергетических систем. Кроме того, при таком подходе обеспечивается непрерывный рост энергоснабжения внеземных потребителей, что способствует развитию всех линий экзоиндустрии.

Общеродовая программа «Энергия из космоса» имеет главной целью широкомасштабную трансляцию энергии микроволновым лучом (или иначе — СВЧ: сверхвысокой частоты). Она может включать три альтернативы (субродовые программы): 1) передача энергии с большой центральной силовой станции на поверхности Земли удаленным потребителям путем космической ретрансляции; 2) генерация мощности устройством на ГСО и передача ее к приемным устройствам на Земле или к экзоиндустриальным потребителям; 3) генерация мощности устройством на ССО и передача ее к потребителям на поверхности Земли через активные ретрансляторы на геостационарной орбите.

Принципиальные технические задачи, которые нужно решить при создании космических энергосистем, следующие: обработка (превращение из вида в вид) энергии в космосе; генерация микроволнового СВЧ — излучения; фокусирование силового СВЧ — луча; обратное преобразование микроволновой энергии в электрический ток; антенное усиление и управление силовым лучом; транспортировка и сборка больших и тяжелых конструкций в космосе; создание принципиально новых систем выведения (исключая ИСЗ-ретранслятор, для которого они не необходимы).

Вероятные сроки начала эксплуатации систем: 1-я программа 90—95 гг.; 2-я программа 95—2000 гг., 3-я программа 93—97 гг.

Возможно, в более поздний период (после 2000 г.) будут использоваться передающие фазированные решетки (размещаемые как на Земле, так и в космосе) для частот, не проходящих сквозь всю толщу атмосферы с минимумом потерь, а напротив, поглощаемых на заранее определенных высотах (соответственно характеристикам молекул и атомов); это может использоваться для контролируемого локального управления климатом. Таким образом, между рассматриваемыми ниже космическими энергосистемами и Солеттой оказывается широкий диапазон частот, доступный в целях локальных модификаций климата: воздействия на ветры, количество атмосферных осадков, а следовательно, и на производство пищи. Такая техника могла бы обеспечить локальную компенсацию изменений климата из-за перемен в цикле солнечной активности. Но прежде необходимо более глубоко, чем это сделано до сих пор, изучить анатомию земного климата и воздействие Солнца на климат.

В основном, как уже было отмечено, космические энергосистемы благоприятны для наземной окружающей среды. Но их ахиллесовой пятой может оказаться микроволновая радиация. Сегодня необходимо провести обширные эксперименты, чтобы достаточно надежно и глубоко изучить возможные воздействия СВЧ — излучения на атмосферу, биосферу и на долговременные характеристики общественного здоровья.

Электроэнергия наземной силовой станции, питаемой солнцем, геотермическим или иным источником, будет преобразовываться в микроволновое излучение, с частотой порядка 3 ГГц (длина волны - 10 см), и по фидеру будет подаваться на передающую антенну — фазированную решетку. Передающая система формирует энергию в управляемый силовой луч и фокусирует его на ИСЗ-ретрансляторе энергии, находящемся в заданной точке ГСО; ИСЗ—РЭ будет действовать как пассивный отражатель, перенаправляющий силовой луч к приемной установке на Земле, расположенной на весьма большом удалении от первоисточника энергии. Наземная электромагнитная силовая станция преобразует СВЧ-излучение в электричество. Такая станция состоит из приемного устройства, выпрямителя (преобразующего электромагнитную энергию в постоянный ток) и обычного коллектора. (Вообще говоря, преобразователь может стоять и у потребителя, а на приемной станции отсутствовать.)

6.2 ТРАНСЛЯЦИЯ ЭНЕРГИИ ЧЕРЕЗ КОСМОС

Наземные элементы системы (передающее и приемное устройства) потребуют около 36 км площади из расчета на 1000 МВт транслируемой мощности. В табл. 8 показаны характеристики системы, рассчитанной на подводимую к передатчику мощность около 12 ГВт. Таблица 8 Характеристики ретрансляционной энергосистемы

Транспортировка элементов ретранслятора на ГСО может выполняться с помощью МТКС «Шаттл», работающей совместно с пилотируемым межорбитальным буксиром или связкой ступеней с солчечно-электроракетной тяговой системой. Сборка будет выполняться на опорной околоземной орбите, но возможна и окончательная сборка на самой ГСО. Для обслуживания системы будут использоваться две космические станции: с экипажем в 12—24 чел. на околоземной и в 6—12 чел.— на геостационарной орбитах.

Линия электропередачи на 600—800 кВ напряжения при входной мощности в 2200 МВт (выходная мощность в этом случае зависит от длины линии) требует около 50 км на каждые 1000 км Дистанции. Таким образом, космическая система оказывается лучшей уже при дистанции передачи энергии около 2000 км, если исходить из потребности в отчуждении земель. Если же исходить из эффективности передачи, «точка пересечения» наземной и космической систем соответствует дальности передачи где-нибудь около 4000—6000 км для высокоразвитой, плоской территории; и при гораздо меньших расстояниях — для неосвоенных, «диких» территорий (джунгли, горы и т.п.). Но космическая система электропередачи совершенно незаменима, если требуется «перепрыгнуть» через океан. Если исходить из потребления электропроводящих материалов (имея в виду алюминий), точка пересечения лежит при Дальности передачи около 2500—3500 км. Стоимость разработки и Установки космической системы энергопередачи должна быть около 450 долл. на 1 кВт (в ценах 1975 г.). Учитывая первоначальные капиталовложения и эксплуатационные расходы, отнесенные энергии, переданной в течение 30 лет, получим стоимость трансляции энергии при коэффициенте загрузки 90%, около 1 цента на 1 кВт.ч.

Характеристика Значение характеристики Суммарный коэффициент эффективности трансляции 0,63—0,67 Общая площадь излучающей поверхности на передающей 66 станции, км 66 Площадь ИСЗ-ретранслятора, км 1,5 Масса ИСЗ-ретранслятора, т 300 Общая площадь приемного наземного устройства, км 66 Мощность постоянного тока на передающей станции, ГВт 11,6 Мощность СВЧ-луча при апертуре передающего устройства, ГВт 9,2 Мощность СВЧ-луча в апертуре приемного устройства, ГВт 8,6 Выходная мощность постоянного тока на приемной станции, ГВт 7,3 Энергия , переданная за 30 лет функционирования системы, ПВт.ч 1,73

Развитие термоядерных реакторов как источников первичной энергии является, по-видимому, особенно важной предпосылкой для серьезных успехов человека в космосе, и, в первую очередь, для индустриального освоения внеземной окружающей среды. Наиболее привлекательные черты и огромные потенциальные возможности управляемой термоядерной реакции показаны суммарно на рис. 54, на котором видно, что термоядерная энергия занимает - весьма высокое место среди ключевых технологических принципов, связанных с индустриализацией космоса. Рис. 5 Схема достоинства использования управляемой термоядерной анергии в космической индустрии

6.3 ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ В КОСМОСЕ

Вряд ли окажется ошибочным предположение, что индустриальная утилизация космоса будет вести к развитию управляемой термоядерной энергетики. Космос предоставляет наиболее адекватную среду для генерации и применения термоядерной энергии; при этом наиболее существенны два фактора: неограниченный вакуум и биологически нечувствительное окружение. Фактически, космическая природная среда изначально определяется всевозможными излучениями термоядерного «реактора», имеющего громадные утечки и расположенного в центре нашей планетной системы (так же, впрочем, как и других удаленных «реакторов», расположенных в центрах своих планетных систем или же лишенных каких-либо заметных для нас планет).

Управляемая термоядерная реакция, когда она будет технически реализована, по ряду причин станет более дешевым и универсальным источником энергии, чем солнечный свет. Во-первых, термоядерная энергоустановка более компактна по сравнению с энергоустановкой, так или иначе использующей в качестве первичного энергоисточника солнечную радиацию. Высокая плотность энергии в термоядерной установке, ее большая компактность делают ее наиболее транспортабельным энергоисточником, особенно при больших потребных мощностях. Термоядерный энергоисточник не зависит от затмений, от чередования ночных периодов (в том числе и на поверхности иных космических тел, кроме Земли); он не зависим и от расстояния до Солнца. Термоядерный реактор —единственный энергоисточник, способный обеспечить вынос с поверхности Земли в космос значительной части индустрии, особенно тех ее отраслей, которые по тем или иным соображениям нежелательно развивать на земной поверхности, или тех, которые представляют прямую опасность для наземной окружающей среды. Термоядерная реакция — самый эффективный энергоисточник для крупномасштабной и весьма экономичной добычи руд и других ресурсов на Луне и вообще где бы то ни было в Солнечной системе. Термоядерная энергия легко превращается в другие виды энергии: тепло, электричество, различные формы сфокусированной и направленной энергии для силового применения в тяговых системах (в виде плазмы или силового луча), для добычи и обработки материалов в вакууме. Термоядерная реакция — единственный энергоисточник, способный обеспечить экономичное создание сильных магнитных полей, которые в тот период станут необходимыми для защиты внеземных человеческих поселений и космических кораблей, длительное время подвергающихся действию солнечных вспышек и космических лучей.

Ниже представлен краткий обзор ключевых проблемных областей в развитии реакторов. (Сразу же отметим, что в космических Условиях сложность решения большинства проблем уменьшается по сравнению с наземными условиями.) Специфических, глубоких вопросов мы касаться не будем; единственное исключение — краткое рассмотрение вопроса об удержании плазмы в реакторе типа «Токамак», поскольку во многих странах делаются усилия для решения данной проблемы подобным путем.

Возможны два принципиальных подхода к реализации контролируемой генерации термоядерной энергии: нестационарный (взрывной) или с применением различных способов магнитного удержания плазмы. Оба подхода применимы как на Луне, так и на орбите, где достаточно возможностей по постройке больших удерживающих конструкций, внутри которых могут происходить небольшие термоядерные взрывы, инициируемые лазером или ионным силовым лучом.

Решение названных проблем тем сложнее, чем меньше размеры реактора.

Принцип «Токамака» первоначально найден и развит в СССР, а впоследствии он применялся во многих странах. Этот принцип позволяет достичь числа Лоусона nty » 1014 (где n — число частиц в 1 см плазмы, ty — продолжительность периода удержания плазмы). Число Лоусона характеризует возможность получения «чистой» положительной мощности от термоядерной реакции дейтерий — тритий. Но даже при достижении нужного значения критерия Лоусона (чего следует, по-видимому, ожидать в начале 80-х годов) останутся многие чисто инженерные проблемы, которые потребуют серьезных усилий для своего решения. Они сконцентрированы в трех широких областях: — достаточно долгое стабильное удержание плазмы; — поддержание высокого, чистого вакуума; — создание материалов с необходимыми физическими свойствами, развитие методов обслуживания и ремонта реакторов, работка больших сверхпроводящих катушек.

Особое значение имеет высокий и чистый вакуум. Его потребное значение имеет порядок 10-6 торр . При более высоких цифрах (менее глубоком вакууме) давление плазмы становится неуправляемо большим. Когда идет реакция дейтерий — тритий, 80% энергии приходится на нейтроны, а 20% — на ионы, которые улетают из реактора. При ударе о стенки вакуумной камеры они выбивают из них загрязняющие плазму частицы. Присутствие в плазме загрязнений вызывает возрастание потока радиационной энергии от плазмы к стенкам камеры реактора, что охлаждает плазму и может вызвать ее дестабилизацию или даже вовсе нарушить термоядерную реакцию.

При сегодняшнем уровне проблема устойчивого стационарного удержания плазмы может быть успешно решена с помощью комбинации спирально-тороидального и полоидного магнитных полей в реакторе типа «Токамак». Однако такому реактору свойственно низкое значение величины (отношение плотности плазмы к средней плотности энергии в магнитном поле), а следовательно, для него необходимо высокое давление магнитного поля, что, в свою очередь, предъявляет высокие требования к сохранению чистоты вакуума (то есть самой плазмы), к размерам и форме камеры реактора и к поддержанию сверхпроводимости.

Космос обеспечивает два важных фактора, которые, в конечном счете, облегчают решение многих из упомянутых выше проблем. Это наличие высокого вакуума и возможность применения очень больших по размерам конструкций. Космический вакуум (порядка 10-8 торр) значительно снижает давление плазмы, а следовательно и потребное давление магнитного поля, поэтому уменьшается -жесткость всех конструктивных требований — образно говоря, «обеспеченная высоким вакуумом» камера не преподносит никаких неожиданных принципиально неразрешимых проблем. Хотя размеры камеры — не единственный важный фактор (не менее важна конфигурация плазменного поля), но при больших размерах проблема удержания стабильной плазмы значительно облегчается. Увеличение размеров снижает и плотность теплопотока, а следовательно, термические напряжения в конструкционных материалах, что продлевает их ресурс и облегчает обслуживание. Уменьшаются потери рабочего объема, снижается число пузырьков, появляющихся в толще материала и вызывающих его хрупкость. Меньшая радиационная опасность также будет уменьшать сложность проблем, связанных с возрастанием сопротивления стабилизирующих материалов (меди или алюминия) в сверхпроводящих магнитных системах.

Вследствие того, что термоядерный дейтериево-тритиевый реактор является мощным источником нейтронов с энергией порядка 14 мегаватт, а также других частиц и радиации, возникает сложная проблема создания соответствующих конструкционных материалов, поскольку потоки частиц и радиация создают серьезную опасность для конструкции оболочки, окружающей плазму. Размерные ограничения требуют от материалов конструкции вакуумной камеры способности выдерживать потоки при уровне в 1022 нейтронов/см в течение 20 лет функциональной жизни реактора. Это значение намного превышает допустимый уровень потоков для топливного плакирующего слоя в атомном реакторе деления.

Термоядерный реактор — сложная система, связанная с комплексом вспомогательных систем: нагрева плазмы, подачи топлива, управления, аккумуляции энергии, восстановления трития (путем взаимодействия литиевого покрытия с нейтронами) и прочих устройств, окутанных изоляционными и защитными конструкциями. Тем . не менее, сложность, многих наиболее трудных инженерных задач при функционировании реактора в космосе уменьшается. Вероятно, еще большего облегчения в решении большинства узловых проблем можно ожидать на поверхности Луны. Дополнительная поддержка может быть получена с помощью космического производства— за счет выпуска более гомогенных металлических материалов для отражателей (пользу от этого получат и наземные термоядерные силовые установки).

Большие размеры камеры означают увеличенные расстояния от зоны плазмы, где идет термоядерная реакция, до первой стенки (внутренней стенки камеры), что обеспечивает больший буферный объем. При большем доступном внутреннем объеме и при наличии высокого внешнего вакуума облегчается задача эффективного предотвращения загрязнения плазмы.

Реализация космического термоядерного реактора, приспособленного к функционированию в орбитальном полете и на поверхности Луны, среди прочих полезных применений обеспечит возможность создания маленького и легкого энергопроизводящего спутника.

Такие материалы в первую очередь нужны для внутренних стенок, где потребуется низкий атомный номер, чтобы обеспечить минимально возможное загрязнение плазмы, а также высокое значение температуры плавления.

Энергопроиэводящий ИСЗ, в отличие от Энергасолетты, первичную солнечную энергию непосредственно в космосе преобразует в электричество, чтобы затем передавать ее на поверхность Земли в микроволновом режиме и снова переводить в электроэнергию наземными установками. Передача СВЧ-лучом удобнее, чем световым. Принята частота микроволнового излучения 2,45 ГГц, что соответствует длине волны 12,24 см.

6.4 ЭНЕРГОПРОИЗВОДЯЩИЙ СПУТНИК

Использование микроволнового излучения имеет множество преимуществ и не меньше недостатков.

На рис. 55 показаны две принципиальные схемы энергопроизводящего спутника — солнечная и ядерная. Здесь же приведено распределение плотности энергии в микроволновом силовом луче у выпрямительно-приемной антенны (ректенны) на поверхности Земли. Рис. 5 Схемы фотогальванической энергостанции (а) на орбите, термоядерной энергостанции (б) на орбите, график распределения плотности энергии в микроволновом силовом луче у ректеины (в): 1 - энегостанция (простейшая система); 2 - элемент солнечной панели; 3 - рефлектор; 4 - солнечные батареи; 5 - модульный радиатор; 6 - реактор; 7 - защитный экран (щит); 8 - отсек силовой аппаратуры; 9 -отсек вспомогательного оборудования; 10 - оборудование преобразователя электроэнергии; 11 - передающая антенна; 12 - линия ограничения по нормам СССР; 13 - линия ограничения по нормам США.

Все недостатки микроволнового излучения коренятся в его «искусственности» относительно изначального излучения Солнца: вклад микроволновой радиации в наземную окружающую среду по природе своей является чужеродным. Одно из возможных следствий — нагрев ионосферы из-за электронной интерференции этого диапазона радиочастот (Драммонд И.Е. Термическая стабильность земной ионосферы при функционировании ИСЗ — ретрансляторов энергии; Перкинс Ф.В. Термическая автофокусировка электромагнитных волн в плазме). Свободные электроны, образующиеся в ионосфере из-за солнечной фотоионизации, отнимают энергию у микроволнового поля, вызывая тем самым перекачку мощности из электромагнитного силового луча в тепловую энергию ионосферной плазмы. Путем ограничения максимальной плотности энергии в силовом луче величиной около 230 Вт на 1 м «отсос» энергии может быть удержан в приемлемых пределах (порядка 0,06 Вт/м ). Другое следствие связано с опасностью биологического воздействия микроволнового луча на людей, земную фауну, а быть может, и флору. Это потребует введения определенного стандарта безопасности в отношении допустимого, верхнего ограничения плотности энергии в силовом луче. В США принят стандарт: 100 Вт/м в течение всего рабочего дня. В СССР считается допустимым уровень не более 0,1 Вт/м . Если мы хотим добиться максимальной эффективности передачи энергии, форма поперечного сечения силового энерголуча должна соответствовать такому профилю диаграммы распределения плотности энергии по сечению, при котором плотность максимальна в центре сечения и падает до минимума на его периферии. Явление ионосферной интерференции ограничивает рациональную плотность энергии в центре поперечного сечения силового луча величиной не более 230 Вт/м (что, грубо говоря, соответствует 0,23 солнечной постоянной на поверхности Земли, S). Тем самым ограничивается общий экономический потенциал системы, который можно было бы значительно повысить, если бы можно было поднять плотность энергии в центре силового луча до 300 или даже до 400 Вт/м . При соблюдении названного ограничения около 99% энергии, которую несет силовой луч мощностью в 5 ГВт (имеется в виду получаемая на поверхности Земли мощность на приемной шине наземной электростанции), передается в пределах площади радиусом в 6 км (что соответствует площади пятна на поверхности Земли в 113 км ). Если принять стандарт безопасности, действующий сегодня в США, площадь отчуждаемой на поверхности Земли территории должна увеличиться до 154 км (это соответствует радиусу пятна в 7 км). Принятие стандарта безопасности, действующего в СССР, вынудит пойти на дальнейшее увеличение радиуса отчуждаемого круга, по крайней мере, до 15 км (что соответствует площади пятна 707 км ), поскольку максимум второго бокового лепестка диаграммы распределения плотности энергии (см. рис. 55) достигает уровня 0,1 Вт/м на удалении от центра силового луча, равном примерно 17 км. Таким образом, даже при соблюдении уровня безопасности, принятого в США, средний уровень плотности передаваемой энергии составит около 103 Вт/м (что соответствует 0,1 солнечной постоянной).

К преимуществам относятся: малое влияние на земную атмосферу, возможность формировать силовой луч независимо от углового диаметра Солнца, что определяет процесс фокусировки при организации трансляции энергии в видимом свете.

Преимущества передачи энергии микроволновым лучом по сравнению с передачей путем прямого отражения солнечного света даются не даром: плата за эти преимущества состоит в большей сложности и большей массе микроволновой системы. Такая система должна: принимать первичную энергию; преобразовывать ее в электричество; превращать электроэнергию в микроволновое излучение; формировать микроволновую энергию в силовой луч с необходимыми характеристиками.

Очевидно, что для экономичности системы, передающей энергию с помощью силового луча, далеко не безразлично, какое ограничение по плотности энергии в конце концов будет признано допустимым и какую соответственно площадь на поверхности Земли придется отчуждать. Также очевидно, что даже рассмотрение лишь одного этого аспекта — целесообразного ограничения по максимальной плотности энергии в силовом луче — указывает на сложность этой проблемы. Приемлема ли для общества система, включающая большое количество подобных силовых лучей мощностью порядка шести миллионов киловатт каждый, — это сегодня следует, по-видимому, считать открытым вопросом.

Могут использоваться различные варианты преобразующих систем. Только фотогальванический метод преобразования неразрывно связан с солнечно-силовым спутником. (Подобная система впервые предложена П. Глейзером). Альтернативными методами преобразования являются: цикл Брайтона (реализуемый в газовой турбине, связанной с электрогенератором); магнитогидродинами-ческий (МГД) преобразователь; термоионный преобразователь; комбинация термоионного и МГД-методов; комбинация каскадной термоионной и Брайтоновской систем преобразования.

Самым «естественным» и первоначальным источником первичной энергии является Солнце (этот источник используется солнечно-силовым энергопроизводящим спутником). Другим первоисточником энергии может быть атомный или термоядерный реактор. В случае солнечно-силового энергоспутника его размеры и масса конструкции почти полностью определяются низкой плотностью энергии в солнечной радиации и почти не зависят от системы преобразования энергии. В других системах размеры и масса конструкции определяются радиатором, служащим для сброса избыточного тепла.

Характеристика Значение характеристики 1 2 3 4 Масса системы, Мт 80 151 60 52 Площадь системы, км 120 70 30 17 Коэффициент преобразования первичной энергии, средний за 30 лет 0,11 0,20 0,22 0,40 Произведение всех других коэффициентов 0,60 0,60 0,60 0,60 Полный КПД 0,066 0,128 0,132 0,240 Потребление первичной энергии, ГВт 152 78 76 42 Стоимость НИОКР, млрд. долл. 50 70 80 100 Стоимость строительства одного экземпляра, млрд. долл. 30 28 25 20 Ежегодные эксплуатационные расходы, млрд. долл. 0,27 0,36 0,40 0,30 Доходы на капиталовложения 0,15 0,15 0,15 0,15 Коэффициент использования 0,95 0,90 0,85 0,85 Стоимость 1 кВт ч электроэнергии, центов: доля НИОКР 0,203 0,299 0,343 0,429 доля капитальных затрат 5,546 5,464 5,165 4,132 доля эксплуатационных расходов 0,328 0,461 0,436 0,349 полная стоимость 6,080 6,222 5,940 4,910 Начальные затраты на 1 кВт, долл. 3000 2800 2500 2000 1 - Солнце, фотогальваническая система преобразования энергии; 2 - Солнце, цикл Брайтона; 3 - Атомный реактор, цикл Брайтона; 4 - Термоядерный реактор, комбинация термогенной системы преобразования энергии и МГД.

Все эти методы применимы при использовании различных источников первичной энергии. Но существуют и предпочтительные сочетания. Так, для солнечной энергии наиболее подходят преобразователи фотогальванического или Брайтоновского типа. Для атомных реакторов с твердыми тепловыделяющими элементами, с жидкой или газофазной активной зоной лучше других МГД-преобразователь или комбинированные системы на базе термоионного каскада и цикла Брайтона. В случае термоядерного реактора сегодня наиболее привлекательной представляется комбинация термоионного и магнитогидродинамического преобразователей. Основные характеристики различных систем приведены в табл. Таблица 9 Характеристики энергопроизводящего спутника

Общая масса такой системы, рассчитанной на 10 ГВт, лежит в пределах 65—85 Мт. При типовой общей эффективности порядка от 6,5 до 7,5% (подразумевается отношение мощности, вырабатываемой на выходной шине наземного преобразователя энергии, к мощности входного потока солнечной энергии, потребляемой на орбите энергоспутником) площадь приемника солнечной энергии должна быть от 154 до 133 км . Таким образом, при площади в 140 км и массе системы в 75 Мт средняя масса единицы площади составит 536 т/км . Наиболее тяжелая подсистема — передатчик энергии, для которого удельная масса единицы поверхности составляет 10 000 т/км (при площади 0,79 км для расчетной выходной мощности на поверхности Земли в 5 ГВт). Как правило, солнечные батареи комбинируются с отражателями, повышающими плотность светового потока примерно вдвое (таким образом солнечные батареи облучаются с интенсивностью, соответствующей удвоенной солнечной постоянной). Если применяются кремниевые батареи, то это обстоятельство имеет меньшее значение, но при использовании вместо кремния арсенида галлия (или алюминия) повышение степени концентрации светового потока приобретает особое значение, так как позволяет изменить конструктивные соотношения и пропорции в системе: путем добавления сравнительно дешевых рефлекторов значительно уменьшается потребная масса существенно более дорогих солнечных батарей.

Из всех названных систем наиболее изучен фотогальванический энергоспутник, облик и характер которого неоднократно описывались и в специальной литературе и в широкой прессе. Поэтому чиже приведены только самые ключевые характеристики фотогальванического ИСЗ-генератора энергии. Характеристики фотогальванического ИСЗ — генератора энергии Выходная мощность на поверхности Земли, ГВт 10 Общая масса системы, Мт 65 - 85 Площадь системы, км 120 Солнечные батареи: материал кремний (альтернативный вариант — арсенид галлия) толщина, мкм 50 — 100 стоимость 1 кВт. долл. 200 Передающее устройство: диаметр, км 1 допустимые отклонения от плоскости (1/4 длины волны), см 3 частота, ГГц 2,45 точность ориентации силового луча, угловых минут 1 генератор микроволновой радиации Фазир. решетка из 2,78·106 амплитронов площадь приемной ректениы на наземной станции, км 200 максимальная плотность энергии в силовом луче, Вт/м 230

6.5 СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГОСОЛЕТТЫ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДЯЩЕГО СПУТНИКА

Чтобы обеспечить системе большую надежность и экономическую эффективность, следует распространить ее воздействие на большее количество обслуживаемых наземных районов. Кроме того, на 1—2% может быть снижена стоимость солнечных батарей по сравнению с их сегодняшней стоимостью. Правда, экономическая жизнеспособность системы определяется не столько стоимостью солнечных батарей, сколько, главным образом, транспортными и эксплуатационными расходами, от которых зависят гарантии в обеспечении потребного по экономическим соображениям основного периода функционирования (жизненного цикла) системы рядка 30 лет.

В случае Энергосолетты передача энергии на земную поверхность происходит более благоприятным для наземной окружающей среды образом, чем в случае энергопроизводящего спутника, транслирующего энергию Солнца (к которой земная природа приспособлена миллиарднолетней эволюцией) в виде микроволнового излучения (которое для наземной среды не является привычным). Однако в обоих случаях энергетический луч должен ориентироваться относительно приемной наземной энергостанции достаточно точно. Преимущество Энергосолетты здесь сводится к тому, что световой луч может превосходить силовой луч микроволнового диапазона по допустимой плотности энергии, по меньшей мере, в пять раз.

Энергосолетта и энергопроизводящий ИСЗ — два различных решения одной задачи: обеспечить практически непрерывное производство электроэнергии, используя Солнце в качестве первичного энергоисточника. По способности обеспечения полной расчетной нагрузки ИСЗ-генератор энергии превосходит Энергосолетту, которой изменение мощности облачного покрова мешает сохранять заданную выходную мощность наземных электростанций, взаимодействующих с Энергосолеттой. Однако Энергосолетта представляет собой решительный шаг по пути установления высоких значений полной расчетной нагрузки наземных солнечно-силовых электростанций, что значительно уменьшает преимущества энергопроизводящего ИСЗ по сохранению уровня расчетной нагрузки. А по сложности и потребной массе энергопроизводящий спутник уступает Энергосолетте.

В случае десятигигаваттного энергоспутника с двумя приемными ректеннами площадью по 200 км каждая, потребуется на поверхности Земли отчуждать (т.е. освобождать от присутствия людей и животных), по самой скромной оценке, до 18 000 км .

Как было показано раньше, Энергосолетта с рабочей поверхностью в 1000 км с учетом всех потерь может обеспечить среднегодовой выход электроэнергии порядка 47—64 ГВт·год.

Процесс генерации энергии энергоспутником включает три ступени преобразования энергии (электричество — микроволновое излучение — электричество), в то время как система Энергосолетты функционирует при единственном преобразовании (солнечного света в электроэнергию на наземной силовой энергостанции). При этом наименее эффективная операция в многоступенчатом преобразовании энергии — перевод первичной солнечной энергии в электричество— на энергопроизводящем ИСЗ выполняется в космосе. Обе эти его особенности делают энергоспутник значительно более сложным и тяжелым по сравнению с элементарным отражателем, каковым, по сути, является Энергосолетта. Правда, с другой стороны, выброс тепла в наземную окружающую среду в случае энерогоспутника составляет всего 1/6 от выброса тепла при функционировании системы Энергосолетты.

Очевидно, что обе рассматриваемые системы обладают сравнительно невысокой эффективностью, если их сравнивать, например, с наземной атомной энергостанцией, не говоря уже об ожидаемой эффективности термоядерной энергоустановки. Но при этом не следует забывать, что тепловое засорение атмосферы, а также экологическая несовместимость, свойственные ядерным энергоустановкам, затрудняют их широкое развитие на поверхности Земля, что и вынуждает рассматривать более приемлемую альтернативу: вынос первичных ядерных энергоисточников с поверхности Земли в космическое пространство.

Энергосолетта обладает явными преимуществами перед спутниковым генератором энергии в отношении капитальных затрат и начала поступления доходов (возврата капиталовложений). Технологический риск, связанный с развитием рефлекторов, много меньше того, который связывается даже с простейшим энергоспутником. Рефлектор можно сравнительно легко разделить на отдельные части, оптимальные по размерам (как в транспортном, так и в конструктивном отношении). Подобная операция в нужной степени с энергоспутником практически невыполнима. В лице Лунетты Энергосолетта имеет весьма полезного предшественника, который обеспечит заблаговременное решение многих проблем и приблизит момент начала экономической отдачи Энергосолетты. Сравнительно с энергоспутником стоимость эксплуатации Энергосолетты будет относительно невысокой, не говоря уже о том, что сам процесс обслуживания рефлекторов будет сравнительно несложной задачей. Рефлекторы окажутся более приспособленными к транспортировке на окололунную опорную орбиту (как показано выше, транспортировка может организовываться как «плавание» под солнечным парусом — роль паруса играет сам рефлектор).

Масса, приходящаяся на единицу мощности энергоспутника, очень велика: от 6 500 т до 8 500 т на 1 ГВт выходной мощности на поверхности Земли. Если принять для Энергосолетты коэффициент использования рефлекторов 0,087 (значение этого коэффициента поясняется в табл. 6), эффективность передачи энергии через атмосферу 0,71, средний показатель облачности 0,7, эффективность преобразования энергии солнечного света на земной поверхности в электроэнергию 0,15, удельную массу зеркала рефлектора 50 т/км , то при плотности солнечной энергии в космосе 1,35 ГВт на квадратный километр, суммарная удельная масса рефлектора Энергосолетты на 1 ГВт мощности будет порядка 5 700 т. Разумеется, эта цифра справедлива лишь для случая, когда Энергосолетта обслуживает единственную наземную солнечно-силовую электростанцию. Если их будет две и более, то масса Энергосолетты на единицу «наземной мощности» упадет до 2850 т/ГВт и ниже. Поскольку Энергосолетта может функционировать на орбитах ниже геостационарной, она может одними и теми же рефлекторами обслуживать различные наземные энергостанции. Поэтому в экологическом отношении система Энергосолетты будет значительно превосходить ИСЗ-генератор энергии. Несмотря на это, повышение степени использования рефлекторов — особенно в случае обслуживания единственной наземной энергостанции — должно оставаться одной из важных целей. В этом смысле весьма многообещающей можно считать новую концепцию ретрофлексии (с целью повысить уровень солнечного светового потока в дневное время).

Открытый мир Земли и космоса уже стал реальностью. Благодаря творческому гению человечества он может принимать все новые формы. Весь вопрос в том, окажется ли человечество способным воспользоваться открывающимися перед ним новыми возможностями.

В заключение следует отметить, что обе рассмотренные концепции - светового, и микроволнового силового луча для передачи энергии из космоса на поверхность Земли — заслуживают интенсивных дальнейших исследований. Энергосолетта сегодня представляется особенно многообещающей, но не исключено, что в конце коннцов наиболее рациональной окажется смесь обеих рассмотренных систем. Если учесть к тому же многообещающие возможности, вязанные с развитием управляемых термоядерных реакторов, как и разных других методов генерации (и аккумуляции) энергии, рассмотренных выше, можно сделать вывод, что космос и энергия в самом деле образуют мощную и работоспособную комбинацию. Можно ожидать, что это сочетание принесет человечеству новую эру - эру изобильной и дешевой энергии.





Далее:
Гольдовский Д.Ю., Назаров Г.А. «Первые полеты в космос».
ГДЛ - ОКБ.
На пороге XXI века.
Психосенсорные реакции в состоянии невесомости.
Приложение.
ХРОНИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ВЕНЕРЫ C ПОМОЩЬЮ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.
Предыстория опытно-конструкторской доводки двигателя РД-45ФА - главная причина катастрофы.
Первая встреча с Ураном.
6. НА БАЛКОНЕ.


Главная страница >  Цитатник