Энергия космоса наше будущее?

Лидеры стран Евросоюза на брюссельском саммите по проблеме глобального потепления согласились сократить выбросы углекислого газа к 2020 г. на 20% по сравнению с 1990 г.

Между тем, существуют гипотезы о том, что глобальное потепление близится к завершению и на Земле в скором времени может наступить глобальное похолодание.

Разумеется, это ни в коей мере не означает, что нужно отказываться от программы сокращения промышленных выбросов в атмосферу. Если тенденция роста уровня вредных веществ сохранится, человечеству уже в ближайшем будущем грозит экологическая катастрофа. Панацеей от нее могут стать альтернативные источники энергии. Но реальность такова, что переходить на новые технологии не спешат даже развитые страны – общая доля использования альтернативных источников энергии не превышает сегодня 1-2%.

Причин можно назвать много – от дороговизны предлагаемых проектов до давления со стороны традиционных энергетических гигантов, не желающих потерять свои сверхприбыли. Считается также, что нашему консервативному обществу будет трудно быстро перестроиться на новый уклад жизни. Тем не менее, без альтернативных источников энергии не обойтись. В частности, использование всего лишь 0,0125% энергии солнечного излучения могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% - полностью покрыть потребности в перспективе.

Наиболее простой способ преобразования энергии солнечного излучения в электрический ток - использование так называемого внешнего фотоэффекта, когда кванты света «вышибают» из поставленного перед ним материала электроны. Впервые получить электрический ток таким образом удалось в 1930 годы советским физикам из ленинградского Физико-технического института. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-гелиевых элементов еле дотягивал до 1 %. К середине 70-х годов он приблизился к 10-процентной отметке и почти два десятилетия оставался на этом рубеже. И лишь к середине 90-х КПД удалось поднять до 15%, а к началу нового века - до 20%. В основном этого удалось добиться за счет совершенствования технологий получения из кварцитов чистого кремния - основного материала для производства солнечных элементов. Кстати, самые крупные залежи «особо чистых кварцитов» находятся в России и запасы их огромны.

Пару лет тому назад Объединенный институт ядерных исследований (ОИ-ЯИ) в Дубне продемонстрировал фотоэлемент с почти 50% КПД. Ученые назвали свое творение «звездной батареей». Она стала примером того, как при помощи нанотехнологии можно улучшить эффективность давно известных процессов. В кремниевую пленку толщиной всего 0,5 мм научились внедрять мельчайшие частицы золота. При этом свойства материала изменились настолько сильно, что если в обычных фотоэлементах для получения одного электрона требуется 5-6 фотонов света, то здесь можно обойтись всего двумя, а в перспективе и одним. На практике это означает, что с 1 кв. м солнечной батареи можно получить около 600 вт, а в дальнейшем и 1 кВт электроэнергии.

Из того же вещества дубнинские ученые сделали и суперконденсатор. Цилиндрик диаметром 3 см может хранить в 900 раз больше энергии, чем автомобильный аккумулятор. И это тоже очень важно, поскольку солнечные электростанции работают только днем, а энергия нужна круглосуточно. Поэтому на ночь ее нужно запасать в достаточно емких «энергохранилищах».

Первая промышленная солнечная электростанция (СЭС) была построена в 1985 г. в СССР в Крыму, недалеко от г. Щелкино. Она имела пиковую мощность в 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора. Однако в середине 1990-х годов станция был закрыта, поскольку стоимость вырабатываемой ею электроэнергии оказалась довольно высокой. Одна из причин - недостаточная эффективность работы СЭС в земных условиях. Отсюда решение - строить такие электростанции в космосе.

Эта идея серьезно обсуждалась на Президиуме АН СССР уже вскоре после полета Ю.Гагарина и была признана заслуживающей внимания. В последующие годы проекты космических солнечных электростанций (КСЭС) стали рождаться как грибы после дождя, особенно в годы энергетического кризиса середины 1970-х годов. Но все они были «привязаны» к геостационарной орбите, наиболее удобной для последующей передачи электрической энергии на Землю. Однако эта орбита почти до разумного предела заполнена информационными спутниками многих стран. Наличие там еще и электростанций может стать серьезной помехой для их работы. Кроме того, стоимость доставки 1 кг груза на эту орбиту достигает 35-50 тыс.долл. Станция же будет самоокупаемой лишь при стоимости доставки 100-200 долл. за 1 кг.

Для России, в принципе, более предпочтительна для размещения КСЭС солнечно-синхронная орбита. В этом случае электростанция станет «восходить» над горизонтом дважды в сутки на 12 часов. Апогей ее орбиты будет находиться над Северным полюсом на высоте 40000 км, а перигей – в районе Южного полюса на расстоянии 500 км от земной поверхности. Энергия от такой станции будет передаваться в течение 8 часов, причем в наиболее нуждающиеся в ней северные районы страны. В остальные 4 часа происходит накопление энергии аккумуляторами станции.

Концепция энергоснабжения Земли из космоса с использованием низких околоземных орбит была разработана Исследовательским центром им.М.В.Келдыша. По расчетам специалистов Центра уже к 2020-2030 гг. можно создать 10-30 КСЭС, каждая из которых будет состоять из десяти энергомодулей мощностью 15 МВт. В оптимистических планах к 2050-2100 годам количество станций можно будет довести до 800 единиц.

Помимо использования фотоэффекта есть и другие способы преобразования солнечной радиации в электричество, например, турбомашинный, или, как его еще называют термодинамический. В его основе предварительное преобразование лучистой энергии в тепловую. Концентратор солнечного излучения фокусирует его на емкости с теплоприемником, который нагревается, находящееся в нем «рабочее тело» закипает, превращается в пар и начинает крутить турбину. Турбина передает вращение на ротор генератора, и тот вырабатывает электричество. КПД турбомашинного способа может быть доведен до 40% и более. Однако использование металлоемких систем - турбины, радиаторов, электрогенератора - приводит к большой массе электростанции, хотя и при умеренных ее габаритах.

Передача энергии на Землю может быть осуществлена с помощью СВЧ-луча - электромагнитного излучения с длиной волны от одного миллиметра до метра. В этом случае при прохождении атмосферы потери энергии не превысят 2%. Возможна передача энергии и лазерным лучом. Его преимущество заключается в формировании узкого луча и малых размерах передающих и приемных устройств. Однако поглощение лазерного излучения земной атмосферой может резко снизить КПД передачи.

Для доставки на рабочие орбиты элементов КСЭС и их сборки, а в дальнейшем и обслуживания станции потребуется разработка монтажных, воздушно-космических и межорбитальных транспортных космических комплексов, что в целом представляет не менее сложную задачу, чем создание самих КСЭС.

Российские ученые предлагают и иные варианты решения проблемы энергоснабжения с использованием достижений современной космонавтики. Речь идет о технологии создания космических платформ с солнечными отражателями. Такое «космическое» освещение может быть очень эффективным для Заполярья в условиях полярной ночи; для открытых разработок полезных ископаемых, для повышения продуктивности в сельскохозяйственном производстве и т.п. Размер пятна подсветки составит около 30 км, а длительность освещения – несколько часов до и после захода Солнца в любом месте Земли.

Помимо России над проектами космических электростанций работают в Японии и Америке. Страна восходящего Солнца планирует обзавестись орбитальной электростанцией к 2020 г. Американцы надеются добиться первых реальных результатов еще раньше.

По прогнозам в ближайшие десятилетия космическая энергетика станет одним из самых быстроразвивающихся секторов мировой экономики и, в конечном счете, сравнится по стоимости с обычной земной энергетикой.

Юрий Зайцев, Действительный академический советник Академии инженерных наук РФ для РИА Новости