Дадим друг другу руки А. Н. Плещеев |
Из всего комплекса основных проблемных вопросов требующих своего разрешения на предстоящем этапе работ по маломасштабной космической солнечной электростанции, можно выделить четыре основополагающие Это
— теоретическое и экспериментальное обоснование практической реализуемости предлагаемых технических решений,
— обеспечение приемлемых массовых характеристик основных элементов электростанции,
— снижение затрат на разработку, создание, развертывание, эксплуатацию энергосистемы нового типа,
— обеспечение экологических требований и совместимости действующих наземных и космических радиотехнических систем с космической солнечной электростанцией.
Практическая реализуемость предлагаемых технических решений в основном касается системы направленной передачи-приема энергии в СВЧ-диапазоне волн и связана с обеспечением высокого КПД тракта передачи при умеренных апертурах излучающей и приемной антенн. При дальностях около 1 тыс. км, диаметрах передающей и приемной антенн соответственно 30 и 300 м, длине волны около 1 см КПД тракта будет равен 30— 40% и может считаться достаточным. Увеличение дальности передачи до 40 тыс. км при тех же параметрах приводит к резкому падению КПД — до долей процентa. Требуется значительное уменьшение угла расходимости энергетического луча, что не может быть сделано традиционными методами. Рассмотрим эту проблему более подробно.
Предположим, что передающая антенна строится в виде фазированной антенной решетки — плоской антенны, составленной из отдельных точно изготовленных блоков, — по площади которой равномерно распределены излучатели, представляющие собой щелевые волноводы со встроенными СВЧ-усилителями. Направленность создается за счет синфазного (в одной фазе) сложения волн, излучаемых всеми элементами антенны в одном избранном направлении. Задаваясь строго определенным распределением амплитуды и фазы по раскрыву передающей антенны, удается сформировать узкий нучок. При фиксированной длине волны максимальный угол расходимости энергетического луча определяется размером передающей антенны. Чем больше ее диаметр, тем меньше угол расходимости. В нашем случае (дальность передачи 40 тыс. км, диаметр 30 м, длина волны 1—2 см) угол расходимости луча составит около 30", требуется же иметь угол, меньший 1".
Формирование такого узкого луча представляет собой практически неразрешимую задачу. Можно ли обойти это физическое ограничение?
В теории антенных систем известен так называемый принцип сверхнаправленности. Несинфазное сложение волн в главном луче излучателей антенной решетки, приводящее к полному подавлению излучений по всем направлениям, кроме одного, позволит, по мнению радиотехников, получить малые углы расходимости. В предельном случае должен сформироваться пучок практически без расходимости и без дифракции. Учеными проводятся теоретические и экспериментальные работы. В печати сообщалось о модельном эксперименте, проведенном в США, в котором для пучка акустических волн на малых дальностях получен якобы практически нулевой угол расходимости. Радиофизики и радиотехники вплотную подошли к проблеме, решение которой откроет фантастические возможности. Прием электромагнитных сигналов не будет зависеть от расстояния между передатчиком и приемником. Очевидно, что передающая антенна, реализующая принцип сверхнаправленности, будет строиться по сложной конструктивной схеме и требовать усложненных алгоритмов управления электрическими параметрами по раскрыву. Создание передающей антенны, реализующей принцип сверхнаправленности энергетического луча, ознаменует преодоление основной трудности на пути разработки маломасштабной космической солнечной электростанции на высокой орбите и может рассматриваться в качестве задачи № 1 в программе построения космической солнечной электростанции.
Снижение удельных массовых характеристик основных элементов космической электростанции — энергоустановки, передающей антенны и бортового накопителя — актуальная задача космической техники. К этой проблеме приковано внимание ученых и инженеров, получены обнадеживающие результаты. К сожалению, значительных успехов в отношении снижения удельных массовых характеристик передающей антенны и бортовых накопителей нет. Фазированные антенные решетки остаются материалоемкими, а лучшие серебряно-цинковые аккумуляторы характеризуются удельной емкостью всего 150—200 Вт·ч/кг. С учетом требований по массовому балансу всех трех основных систем низкоорбитальной солнечной электростанции удельная емкость бортового накопителя должна быть доведена до значений 800—1000 Вт·ч/кг. Решение этой проблемы следует считать задачей № 2 программы. В настоящее время во многих странах мира ведется поиск эффективных, легких и дешевых накопителей электроэнергии для автомобиля, превращение его в экологически чистое транспортное средство. Создание накопителя — ключ к решению этой насущной проблемы. В печати сообщалось о разработке в Японии накопителя, построенного на новых принципах, удельная массовая емкость которого в 30 раз превышает параметры известных типов аккумуляторов. Совершенствуются также накопители маховичного типа. Это означает, что перспектива достижения требуемых параметров существует.
Хорошо известно, что космическая техника весьма дорога. Больших затрат также требует вывод полезных грузов в космос с Земли. Удельная стоимость американских аппаратов лежит в диапазоне от 50 до 200 тыс. долл/кг. В связи с усложнением бортовых систем для новых типов аппаратов, повышением их надежности и ресурса удельная стоимость имеет тенденцию к повышению. Удельная стоимость выведения с Земли на низкую опорную орбиту по международному коммерческому тарифу составляет 10 тыс. долл/кг, на геостационарную орбиту — 50 тыс. долл/кг. Учитывая, что относительная масса маломасштабной космической электростанции с уровнем мощности 100 кВт — 1 МВт равна 150-—250 кг/кВт, можно оценить удельные затраты на создание и выведение. Они составят 9—15 млн. долл/кВт. Эти цифры совершенно неприемлемы. Необходимо существенно снизить затраты на создание электростанции и на ее выведение в космос. Эти проблемы имеют общеотраслевое значение в связи с планами широкой индустриализации космоса и осуществления пилотируемых полетов на Луну и Марс. Поиск способов и методов сокращения затрат, связанных с созданием космических аппаратов и их выведением с Земли в космос, можно обозначить как задачи № 3 и 4. Пути снижения затрат очевидны — снижение материалоемкости космических аппаратов, использование доступных и дешевых материалов и технологий, переход на высокоэффективные многоразовые грузовые транспортные системы и т. п.
Другой важной задачей следует считать разрешение экологических ограничений, связанных с неблагоприятным воздействием излучаемого с борта маломасштабной космической электростанции СВЧ-пучка на биосферу Земли, животных и человека. В режиме непрерывной передачи энергии при полезной мощности энергосистема 1 МВт средняя плотность потока мощности на поверхности Земли будет равна 10 мВт/см2, что соответствует принятому в США медицинскому стандарту на безопасный уровень длительного СВЧ-излучения. Советский медицинский стандарт на безопасный уровень СВЧ-излучения существенно (в 1000 раз) меньше американского и является наиболее жестким. С учетом требований советского стандарта район приемной станции необходимо изолировать, включив его в охранную зону.
При циклическом режиме работы электростанции средняя плотность потока мощности в момент передачи возрастет в 300 раз и составит около 3 Вт/см2. При кратковременном воздействии СВЧ-излучения (2,5 мин) советский медицинский стандарт на безопасный уровень облучения принят равным 5 мВт/см2, при часовой экспозиции 0,2 мВт/см2. Введение охранной зоны позволит удовлетворить требования по безопасности персонала, находящегося в зоне приемной станции. Вне зоны уровень излучений является безопасным.
Описанные выше научно-технические проблемы, стоящие на пути создания маломасштабной космической солнечной электростанции, не являются единственными. Сложные вопросы возникнут также при сборке электростанции на орбите, ее развертывании, ремонте. Весь комплекс новых сложных вопросов может быть разбит на три основные группы — это научно-технические, -технико-экономические и эколого-биологические проблемы. Наиболее эффективно эти вопросы могут быть решены в рамках международной программы. Такая программа научно-исследовательских, проектно-поисковых и экспериментальных работ позволит привлечь небывалые по мощи интеллектуальные ресурсы, использовать самый передовой опыт в разработке новой техники.
Во всем мире проявляется в настоящее время интерес к космическим энергосистемам, предназначенным для энергоснабжения Земли из космоса. В США образован Энергетический совет «Сансат», цель которого заключается в координации ведущихся исследований по теме космических солнечных электростанций. В СССР при Научном совете АН СССР по комплексной проблеме «Изыскание новых путей использования солнечной энергии» создана секция «Солнечные орбитальные энергетические станции». Во Франции работы по космической энергетике курируются Комитетом по электроэнергии и космосу, созданным при Обществе инженеров-электротехников и электронщиков (СЕЕ), в Японии научные разработки проводятся Токийским институтом космологии.
Кооперация усилий ученых и инженеров в области космической энергетики — насущная задача текущего момента. Сегодня может быть разработана комплексная международная программа НИР и проектно-поисковых работ на период 1992—1995 гг. по теме маломасштабных солнечных электростанций. Финансирование таких исследований целесообразно проводить из фондов ООН, учитывая заинтересованность всего человечества в освоении солнечной энергии в космосе для нужд Земли. Такая международная программа будет отвечать глубинным интересам народов мира, способствовать развитию доверия и взаимопонимания между государствами. На планируемой в 1991 г. Международной конференции по космическим исследованиям вниманию научной общественности представителем СССР будет предложена программа такой работы, показана последовательность выполнения основных этапов, высказаны предложения по формам обмена информацией, а также структуре управления разработками. Для использования в рамках программы СССР может предложить целый арсенал высокоэффективных ракетно-космическнх средств ракету-носитель «Энергия», базовый блок станции «Мир», корабли снабжения, а главное — уникальный многолетний опыт эксплуатации пилотируемой станции и разнообразного оборудования на низкой околоземной орбите. Несомненно, что и другие страны мира сумеют предложить интересные разработки, перспективные технические решения по важнейшим агрегатам и узлам электростанции.