| Реактивные приборы завоюют людям бес- предельные пространства и дадут солнеч- ную энергию, в два миллиарда раз боль- шую, чем та, которую человечество имеет на Земле. К. Э. Циолковский |
Основоположник теоретической космонавтики К. Э. Циолковский первым обратил внимание на общеизвестный факт — безвозвратную потерю для человечества почти всей лучистой энергии Солнца — и стал искать способы овладения этой энергией. Ракета на жидком топливе, изобретенная Константином Эдуардовичем, должна будет стать, по мнению автора, реальным средством осуществления космического полета, позволит вывести в космос и развернуть там специальные устройства для утилизации солнечной энергии. Когда началась предсказанная космическая эра, то уже третий советский спутник (май 1958 г.) и первый американский (январь 1958 г) были снабжены солнечными энергоустановками с фотоэлектрическими преобразователями энергии.
После запуска первых ИСЗ известный популяризатор авиационной и космической техники летчик-инженер Н. А. Варваров, возглавлявший во второй половине 50-х годов секцию астронавтики ДОСААФ CCCР, выдвинул идею снабжения Земли электроэнергией в неограниченном количестве с помощью специализированных космических аппаратов — космических солнечных электростанций. Эту новую концепцию Николай Александрович настойчиво пропагандировал в печати и по радио, на конференциях и симпозиумах. Отмечая потенциальные возможности и значение энергосистем нового типа, он в 1960 г. писал: «...творческая мысль человека направит свои усилия на создание космических гелиоэлектростанций, снабжающих жителей Земли электроэнергией в неограниченных количествах. Это будет способствовать значительной экономии всех видов топлива и наиболее полному удовлетворению потребностей в энергии». Беспроводная линия передачи энергии в СВЧ-диапазоне волн с Земли на борт летательного аппарата разрабатывалась с конца 40-х годов советским электротехником профессором Г. И. Бабатом.
В своей книге «Черты будущего», изданной в начале 60-х годов в Нью-Йорке, известный футуролог и писатель-фантаст Артур Кларк подробно рассмотрел перспективы утилизации лучистой энергии Солнца в космосе. Учитывая малую плотность потока энергии у Земли, А. Кларк отметил целесообразность размещения «ловушек» солнечных лучей в непосредственной близости от Солнца с последующей передачей энергии по направленному лучу на Землю. Отметим, что при приближении к Солнцу плотность потока лучистой энергии возрастает с 1,4 кВт/м2 до предельного значения, равного 65 тыс. кВт/м2.
Дальнейшее принципиальное развитие идеи электроснабжения Земли из космоса связано с именем американского ученого П. Э. Глазера, ошибочно считающегося на Западе автором концепции космических солнечных электростанций. В своих статьях, опубликованных в 1968—1973 гг., П. Э. Глазер конкретизировал проектный облик солнечной электростанции, описал на основе реально существующих прототипов два основных элемента электростанции: солнечную энергоустановку, предназначенную для улавливания лучистой энергии Солнца и преобразования ее в электрическую, и систему направленной передачи (приема) энергии из космоса на Землю в СВЧ-диапазоне волн.
Интерес к идее энергоснабжения Земли из космоса значительно возрос в США в начале 70-х годов вследствие охватившего страну энергетического кризиса. Министерство энергетики США и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) развернули в эти годы широкую программу научно-исследовательских и проектно-поисковых работ, привлекая к разработкам ведущие ракетно-косми-ческие фирмы.
В СССР исследования по крупномасштабным космическим энергосистемам для снабжения наземных потребителей проводились научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими предприятиями. Результаты этих работ широко публиковались в трудах конференций, в специальных и научно-популярных журналах. В результате выполненных в СССР и за рубежом научно-исследовательских, проектно-поисковых и экспериментальных работ был получен большой и интересный материал, позволяющий оценить технические и технико-экономические характеристики энергосистемы нового типа, выявить проблемы, стоящие на пути создания солнечных электростанций и сопутствующих комплексов, оценить способы и средства выведения, развертывания и обслуживания системы.
Следует отметить, что большое внимание, уделяемое проблемам энергоснабжения наземных потребителей из космоса со стороны научных кругов промышленно развитых стран мира, явилось результатом объективных причин. Дело в том, что сбор лучистой энергии, преобразование ее в электрическую и передача на Землю для использования в народном хозяйстве имеют по сравнению с наземным способом утилизации солнечной энергии принципиальные преимущества. Среди них повышенный уровень потока солнечной радиации (на единицу площади в космосе поступает в среднем в десять раз больше солнечной энергии, чем на такую же площадь на поверхности Земли), непрерывность процесса производства энергии, возможность развертывания сооружений грандиозных размеров, малые возмущающие нагрузки, минимальное влияние на окружающую среду в процессе эксплуатации системы. Поэтому потоки солнечных лучей гораздо выгоднее «перехватывать» в космосе, чем «собирать» на Земле
Чтобы воспользоваться этими преимуществами, необходимо решить сложные задачи, в их числе главная — выведение в космос элементов электростанции, сборка этих элементов на орбите и обслуживание электростанции в процессе эксплуатации. Хорошо известно, какие это энергоемкие и дорогостоящие процедуры. Коммерческая стоимость выведения одного килограмма полезного груза с Земли в космос ракетами-носителями США составляет около 10 тыс. долл, ракетами-носителями СССР — 2—3 тыс. долл. Это очень большие цифры. Ключом к решению задачи создания космических солнечных электростанций следует считать ввод в эксплуатацию новых высокоэффективных грузовых и пассажирских сверхмощных ракет-носителей, характеризующихся низкой удельной стоимостью выведения и минимальным воздействием на окружающую среду.
Учитывая большую стоимость транспортных операций, большие грузопотоки с Земли на геостационарную орбиту, а также экологические ограничения, разработчики космической энергетической системы предложили строить электростанцию из внеземных материалов, в частности, из лунного грунта. Состав поверхностных пород Луны достаточно изучен. Они богаты кремнием, кислородом, кальцием, алюминием, титаном, магнием и другими элементами периодической системы. Организовав разработку полезных ископаемых на Луне, их переработку и обогащение, можно перейти к производству отдельных элементов электростанций — кремниевых фотоэлектрических преобразователей, ферменных конструкций, кабелей, СВЧ-устройств и др. Созданные на лунном заводе элементы предполагается затем доставлять на сборочный орбитальный центр, размещающийся на окололунной орбите, например, в точке либрации на расстоянии 58 тыс. км от центра естественного спутника Земли. После постройки электростанции ее необходимо перевести на геостационарную орбиту. Следует ожидать, что экономический выигрыш от такого экзотического способа построения электростанции будет значительным. При одной начальной массе ракетно-космическая транспортная система, стартующая с Луны, выведет на геостационарную орбиту в 20 раз больший груз, чем система, запускаемая с Земли. Но для этого нужно иметь на Луне действующие рудники, перерабатывающие фабрики, заводы по производству разнообразных элементов электростанции, а также по производству ракетного топлива, парк ракет-носителей, системы запуска и обслуживания транспортных средств и, конечно, многочисленный обслуживающий персонал. Создание такой разветвленной инфраструктуры на поверхности Луны — задача далекого будущего. Возможный срок — вторая половина XXI века.
Другое перспективное направление исследований по космическим солнечным электростанциям связано с вынесением приемников солнечной энергии в области повышенной солнечной радиации. При выведении космической электростанции на круговую околосолнечную орбиту радиусом 0,1 а. е. (14,96 млн. км) мощность потока лучистой энергии составит 140 кВт/м2, т. е. будет больше солнечной постоянной на два порядка. Концептуальные проекты такой околосолнечной электростанции были разработаны советскими и американскими специалистами независимо друг от друга. Основные результаты разработок были доложены на XIV Чтениях К. Э. Циолковского в г. Калуге (1979 г.) и на 5-й Конференции по космическому производству в г. Принстоне (1985 г.) Отличие в подходах заключалось в различных способах построения электростанции. Советские специалисты предлагали сооружать станцию из земных материалов и осуществлять межорбитальную транспортировку с помощью собственной энергоустановки и блоков электрореактивных двигателей. Американские инженеры рассмотрели способ сооружения околосолнечной электростанции из материалов Меркурия на околопланетной орбите с последующей транспортировкой с помощью солнечного паруса.
Габариты солнечного коллектора околосолнечной электростанции будут примерно в 100 раз меньше, чем у электростанции той же мощности на геостационарной орбите. Соответственно снизятся и массовые характеристики энергоустановки — главного элемента электростанции. Основной проблемой такого проекта следует считать разработку системы передачи-приема энергии на астрономические расстояния. Успехи в разработке сверхмощных квантовых генераторов непрерывного действия позволяют рассчитывать на создание в будущем эффективной системы направленной передачи энергии. Если предположить, что угол полураствора луча у квантового генератора будет доведен до значений порядка 10-9 радиана, то размеры передающего и приемного устройств не будут очень уж большими. Однако возможные сроки создания такой системы передачи энергии в настоящее время не могут быть определены даже приблизительно. Проекты околосолнечных электростанций носят фактически футуристический характер.