Экспоненциальный рост населения и истощение природных ресурсов заставляют учёных придумывать самые невероятные проекты по спасению планеты. Один из них – космические электростанции, передающие на Землю энергию Солнца посредством микроволнового излучения. Технология эта не столь фантастична, как может показаться на первый взгляд.
Вполне возможно, что лет через тридцать на геостационарной орбите обоснуется группировка объектов, каждый из которых будет подозрительно напоминать «Звезду смерти». Необъятные зеркальные крылья, нечто вроде электромагнитной пушки и наземная приёмная антенна километров десять в диаметре – так будет выглядеть система глобального энергоснабжения.
Вернее, такой её представляли конструкторы ещё в 1970-х. И уже тогда это не было научной фантастикой! В связи с энергетическим кризисом американское правительство выделило $20 миллионов агентству
NASA и компании
Boeing на проработку проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).
Километровая полоса условной поверхности на высоте геостационарной орбиты получает в год около 212 тераватт энергии, что сопоставимо с суммарной энергетической ценностью всех разведанных запасов нефти, составляющей около 250 тераватт-лет (иллюстрация NSS).
По расчётам учёных, один аппарат SPS обладал бы базовой «орбитальной» мощностью (baseload power) около пяти тысяч мегаватт, из которых, после всех потерь, две попадало конечным потребителям. Для сравнения: мощность крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС составляет 6400 мегаватт. Цифры сопоставимые.
Правда, оценочная стоимость проекта, по слухам, составила около триллиона долларов… Вердикт – «экономически нецелесообразен». Но с тех пор производительность одних только фотоэлементов выросла в несколько раз – с 10% до 40% (точнее, до
42,8%), не говоря уже о прогрессе в микроэлектронике.
И это не осталось незамеченным: Национальное космическое общество (
NSS)
представило на рассмотрение Министерства обороны США (
DoD) доклад, в котором проведён анализ перспектив развития космической энергетики и обрисован концептуальный прообраз будущей орбитальной электростанции.
Попробуем разобраться, что же мешает запустить её прямо сейчас.
Предполагаемый спутник будет оснащён лёгкими зеркалами на основе тонкоплёночной оптики. Эти зеркала фокусируют солнечный свет на панели солнечных батарей для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, преобразуется микроволновое сверхвысокочастотное излучение. Увы, это не реальный проект, а всего лишь концепт, разработанный совместно специалистами NSS и дизайнерами из
Mafic Studios. Кстати,
здесь можно найти анимированную версию презентации проекта (иллюстрация NSS/Mafic Studios).
Основное преимущество энергосистемы в открытом космосе – высокая эффективность. Рассеивание света и поглощение его энергии атмосферной водой и молекулами газов, входящих в состав воздуха, отнимают около 35% энергии фотонов. Но самое главное – непостоянство источника излучения: речь идёт о зависимости от времени суток, сезона и погоды.
Все эти факторы снижают суммарный потенциал наземной солнечной батареи на 75-90%, то есть на порядок. В то же время на геостационарной орбите спутник будет находиться в рабочем режиме практически круглый год, с незначительными перерывами в энергоснабжении во время равноденствия – и то на 75 минут.
Для обеспечения «собирательной» функции нового аппарата под кодовым именем SBPS (Space–Based Solar Power) предлагаются два источника: уже не раз испытанные на обычных спутниках фотоэлементы, а также тепловые двигатели. Вариант с солнечными батареями как раз и продвигает NSS.
Другой, более неприхотливой технологией является обычный тепловой агрегат, преобразующий свет в энергию посредством его фокусировки – оптической линзой, к примеру. Однако у него есть существенный недостаток: небольшое отклонение спутника, даже на несколько градусов, вызовет резкое падение мощности, вплоть до нуля.
Да и удельная эффективность фотовольтаики несопоставимо выше – от 10 до 0,5 кг/кВ. Фактор массы доставляемого на орбиту груза играет не последнюю роль в осуществимости проекта.
Микроволны могут передаваться через атмосферу Земли на частоте от 2,45 до 5,8 гигагерца. Оптимальным считается нижний диапазон – дальнейшее увеличение частоты (и пропорциональное уменьшение размеров передатчика) невыгодно, поскольку сверхвысокочастотное излучение имеет более высокий уровень атмосферной адсорбции (иллюстрация NSS/Mafic Studios).
Второй важнейшей функцией SBPS – по порядку, но не по значению, – является беспроводная передача энергии. У многих эта технология ассоциируется с загадочными лучами Теслы и прочими чуть ли не мистическими явлениями.
На самом деле исследования в этом направлении действительно были впервые предприняты великим сербским изобретателем. Но с тех пор много воды утекло, и ныне передача импульса микроволновым лучом не является чем-то сверхъестественным.
Ещё в ходе проработки насовского проекта в Лаборатории реактивного движения (
JPL) удалось достичь эффективности 82% — именно такой КПД зарегистрировали приборы при передаче 30 киловатт на расстояние в одну милю ещё в 1975 году.
Вроде бы проблем нет. И всё же у использования микроволновой передачи, в отличие от солнечных батарей, есть ряд ограничений.
Лучи из космоса захватываются
ректенной и преобразуются обратно в электричество. Что касается последнего, наземного компонента орбитальной электростанции, то здесь особых технологических затруднений учёные не видят. Тем более что КПД антенных решёток по сравнению с первыми экспериментами вырос в 4-5 раз – до 50% и более (иллюстрация NSS/Mafic Studios).
Во-первых, это требования к размеру антенны. Расчёты показали, что наиболее эффективной будет передача на частоте 2,45 гигагерца – это позволяет поддерживать оптимальное соотношение размеров передатчика и приёмника. Но даже в этом случае диаметр спутникового трансмиттера составит один километр, а наземного приёмника – десять километров.
Во-вторых, электроники, способной работать при сверхвысоких температурах (под воздействием прямых солнечных лучей) и выполнять преобразование электричества в микроволновое излучение, пока просто не существует. По мнению специалистов из NSS, проблема не выглядит нерешаемой, однако, как говорится, не узнаешь, пока не попробуешь.
Ну и, в-третьих, сама возможность эффективной передачи сигнала с орбиты, несмотря на оптимизм различных групп разработчиков, не вполне очевидна. Хотя недавно на Гавайях удалось
осуществить трансмиссию импульса на расстояние 148 километров – выше официальной границы между земной атмосферой и космосом.
Поскольку излучение неионизирующее, проблем при «прохождении» ионосферы теоретически возникнуть не должно. Но вот удастся ли, с учётом рассеивания и адсорбции, удержать КПД трансляции на приемлемом уровне – пока вопрос открытый.
Наиболее противоречивыми вопросами являются, естественно, экология и угроза безопасности людей. На иллюстрации антенная решётка выглядит просто-таки идиллически. К сожалению, авторы проекта ничего не говорят о том, что произойдёт, если «прицел собьётся». Наоборот, предусмотрена опция передачи микроволнового луча с одного передатчика на несколько антенных решёток. Считается, что эксперименты на животных не подтвердили возможного негативного влияния – на Земле интенсивность микроволн составит около одной шестой от интенсивности солнечного света в полдень (иллюстрация NSS).
В сухом остатке, если отбросить сомнения в осуществимости беспроводной космической передачи, – лишь экономика. С размером передатчика мы уже успели ознакомиться. Площадь солнечных батарей будет ещё больше.
Как всё это притащить в космос, да ещё и собрать? Вот где собака зарыта. По расчётам NSS, при нынешней стоимости запуска киловатт энергии не может «весить» больше 3-6 килограммов. В верхнюю границу этого диапазона, считают американцы, проект укладывается – дело лишь в деньгах и волевом решении правительства.
Стоимость человеко-часов (а для монтажа понадобится невероятное количество трудящихся в открытом космосе) заменена в технико-экономическом обосновании
роботизированной самосборкой. Что тоже сомнительно, поскольку никто не знает, будет ли всё это работать на самом деле.
Тем не менее авторы проекта полны оптимизма. По оценкам Джона Мэнкинса (
John Mankins), ранее работавшего над аналогичной программой в NASA, при условии выделения финансирования в 2009-м демонстрационную модель спутника мощностью 100 мегаватт удастся запустить в 2017 году. А уже к 2020-му (максимум к 2025-му) в космос полетят пять комплексов суммарной мощностью 20 гигаватт.
Вверху – концепт демонстрационной модели спутника SBPS. Внизу – космостанция, которую, по-видимому, придётся строить для установки орбитальных электростанций. Ещё и минералы на Луне добывать хотят. Конкретные цифры никто не называет, но стоимость проекта скромно оценивают на одном уровне с
МКС, то есть около $39 миллиардов. Но и этого, скорее всего, не хватит – только расходы на запуск некоторые специалисты оценивают в $20 миллиардов (иллюстрация NSS).
Но это составит всего лишь около 2% ежегодного потребления электроэнергии в США, так что, по всей видимости, останавливаться на пяти электростанциях лоббисты космической программы не собираются. Что ж, японцы, напомним, тоже
нацелились на 2030 год со своим планом. Так что какие-то подвижки в этой сфере в ближайшее время должны произойти.
Скорее всего, усилия придётся объединить – по примеру МКС. Американцы с этим, в принципе, согласны. Да и программу масштабных космических стартов решить в одиночку нереально. Разве что
частные запуски помогут.
В любом случае проект космической электростанции обещает быть одним из основных участников «альтернативной» гонки, на финише которой человечество ожидает увидеть решение своих энергетических проблем.
«Наука и жизнь» 1985, №6, с. 24-28, 6-7 с. вкл.
сканировал Игорь Степикин
ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ КОСМОСА: БЛИЖАЙШЕЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИЕ
Доктор физико-математических наук Л. ЛЕСКОВ.
КОСМОС ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ (Рисунки на вкладке)
В мировой научной печати все чаще обсуждаются конкретные проекты космических систем, которые, как полагают, будут созданы уже в недалеком будущем и внесут ощутимый вклад в решение важных для человечества проблем энергетики, информатики, промышленного производства. Некоторые из проектов иллюстрируются приведенными здесь упрощенными рисунками. Активно обсуждаются проекты космических электростанций на стационарной орбите, то есть неподвижно висящих над определенным районом Земли. Источником энергии в них могут быть огромные панели солнечных батарей (рисунки I, II), либо атомные реакторы; энергию можно передавать на Землю острым лучом радиоволн (силовой луч) в диапазоне сверхвысоких частот СВЧ (сантиметровые волны). Немало проектов предусматривает освещение больших районов легкими пленочными (на каркасах) зеркалами (III, IV). Наконец, очень активно обсуждаются проекты промышленного производства в космосе, как без участия людей на автоматизированных платформах (VI), так и на больших орбитальных станциях (VIII), есть проекты очень больших поселений (VII), где за счет вращения в жилых отсеках создана искусственная сила тяжести. Наконец, разрабатываются, обсуждаются, а иногда уже реализуются проекты различных вспомогательных систем (V, IX, X) для эксплуатации разветвленной сети космических аппаратов и строительства больших масштабов в космосе.
I. Орбитальная электростанция: 1 - панели солнечных батарей, 2 - мощный СВЧ-генератор, 3 - передающая антенна, 4 - остронаправленный радиолуч, 5 - приемная антенная решетка; ее диаметр - 15 км при мощности станции 5 ГВт и принятой плотности 0,2 кВт/м2 в центре силового луча; размеры солнечных батарей примерно 5 x 10 км.
II. Орбитальная электростанция: 1 - панели солнечных батарей. 2 - мощный лазер, 3 - силовой лазерный луч, 4 - аэростат, 5 - преобразователи лазерного излучения в переменный ток СВЧ, 6 - излучатель СВЧ, 7 - остронаправленный радиолуч, 8 - приемные антенны. Передача энергии лазерным лучом повышает кпд системы и упрощает наземные антенны.
III, IV. Зеркала на стационарных орбитах либо на субстационарных (система зеркал появляется над данным районом на несколько часов в определенное время суток) могут служить для освещения городов (Лунетта), для повышения биологической продуктивности в определенном районе океана (сильное освещение, система Солетта) и даже для "светоснабжения" в ночное время наземных солнечных электростанций. Система зеркал Лунетты общим размером 10 х 10 км может осветить большой город настолько, что в парках и на улицах можно будет без всякого напряжения читать книгу.
V. Пилотируемый транспортно-ремонтный блок большой орбитальной станции, предназначенный для обслуживания, ремонта и перевозки автоматических орбитальных аппаратов: 1 - транспортный блок, 2 - телеуправляемые манипуляторы, 3 - обслуживаемый аппарат.
VI. Автоматическая платформа на околоземной орбите: 1 - производственные модули, 2 - панели солнечных батарей, 3 - радиатор системы терморегулирования, 4 - двигатель для коррекции орбиты, 5 - антенна системы телеуправления, 6 - стыковочный узел для транспортных кораблей.
VII. Астрополис - большое орбитальное поселение с искусственной силой тяжести: 1, 2 - жилые помещения, 3 - сельскохозяйственные и производственные модули, 4 - силовые установки, 5 - центральный ствол, 6 - двигатели системы управления вращением 7 - линии энергопередачи от местных атомных электростанций, 8 - причальные устройства.
VIII. Сборная модульная орбитальная станция со сменным экипажем: 1 - жилые модули, 2 - производственные модули, 3 - энергетические установки и системы жизнеобеспечения, 4 - панели солнечных батарей, 5 - радиатор системы терморегулирования.
IX. Телеуправляемый робот (2) для строительных работ по развитию большой орбитальной станции (1).
X. Индивидуальный аппарат автономного перемещения в открытом космосе, в частности для обслуживания аппаратуры на поверхности орбитальных станций и строительно-монтажных работ: 1 - станция, 2 - ранцевый аппарат с системами жизнеобеспечения и двигателем перемещения, 3 - органы управления, 4 - микродвигатели системы ориентирования в пространстве. |
Задача промышленного освоения космоса впервые была сформулирована К. Э. Циолковским, полагавшим, что основная цель развития космической промышленности - это использование в интересах человека излучения Солнца. Развитие ракетно-космической техники во многом опередило самые смелые предсказания пионеров космонавтики, и индустриализация космоса стала реальностью наших дней.
Пользуясь методом кривых роста и с учетом реальных тенденций, существующих в настоящее время, можно ориентировочно оценить сроки ближайших этапов космической индустриализации. Сложнее обстоит дело с оценкой более далекой перспективы. Здесь можно воспользоваться принципом декомпозиции задачи, то есть разделить ее на последовательность частных задач, время для решения которых оценить проще.
Автором была сделана попытка такого долгосрочного прогноза, ее результаты сведены в таблицу. Здесь необходимо отметить, что прогресс в освоении космоса и в общем виде, и конкретно в последнее время, обсуждается в достаточно серьезных книгах, в научных статьях. И многое из того, о чем будет сказано дальше, в значительной мере синтезировано из таких публикаций. Охваченный прогнозом тысячелетний период (от наших дней до 3000 года) условно разбит на 12 этапов, и, конечно, наиболее уверенно прогнозируются первые три этапа, на реализацию которых потребуется примерно четверть века.
Первый этап, который охватывает ближайшее пятилетие,- это прежде всего развертывание космических информационных систем разного назначения. В частности, искусственные спутники Земли будут все более активно использоваться для исследования природных ресурсов в интересах горнодобывающей промышленности, сельского, лесного, водного хозяйства, морского рыболовства. С помощью спутников будут регулярно и детально контролироваться сезонные изменения растительности, снеговой покров, состояние почв, посевов, возникновение опасных природных явлений, в частности лесных пожаров, ураганов, наводнений.
Для наблюдения за Землей будут использованы приборы видимого, инфракрасного и СВЧ-диапазонов. Ожидается переоснащение космических аппаратов новой техникой получения и обработки информации, это поведет к резкому повышению их технико-экономической эффективности.
Нового существенного продвижения вперед в ближайшие годы можно ожидать также и в области метеорологических наблюдений из космоса. Сейчас в этой области существует ряд трудностей: недостаточная разрешающая способность по высоте и небольшая точность определения температуры и влажности в условиях облачности, нерегулярное покрытие измерениями территории земного шара, недостаточно точное определение сдвигов ветра по высоте и некоторые другие. Преодолеть эти трудности можно путем дальнейшего расширения метеорологической сети, совершенствования синоптических методов и аппаратуры, разработки более совершенных численных методов прогноза погоды.
Будут введены в строй национальные и межгосударственные глобальные навигационные спутниковые системы. По оценкам зарубежных специалистов, система из 18 спутников, расположенных на орбитах высотой 200 км и с наклонением 63°, обеспечит определение координат наземных или космических объектов - с точностью по координате до 15 м, скорости с точностью до 1 м/с, а истинного времени - до 1 нс.
Следующая крупная народнохозяйственная задача, которая, вероятно, будет решена в этот период (первый этап),- переход к опытно-промышленному производству в космосе некоторых полупроводниковых материалов и биомедицинских препаратов с улучшенными свойствами (см. "Наука и жизнь" № 2, 1985 г.).
Переход от опытно-промышленного производства материалов в космосе к созданию орбитальных производственных комплексов потребует решения целого ряда непростых задач, в частности создания бортовых энергоустановок повышенной мощности - до 25-100 кВт, разработки технологических модулей (сборных элементов производственной аппаратуры), специальных компактных и облегченных технологических установок, лабораторий для экспресс-анализа образцов и т. д.
Быстрый рост региональных и международных потоков информации, передаваемой через ИСЗ, приведет к необходимости разработки новых типов спутников связи. Можно предполагать, что они будут рассчитаны на очень большое число каналов связи - до ста тысяч и более. Широкое развитие получат линии межспутниковой связи, причем особое место будет отведено линиям, работающим в миллиметровом диапазоне (порядка 60 ГГц). Спутники связи с мощными передатчиками и достаточно большими антеннами обеспечат двустороннюю радиотелефонную связь через сверхминиатюрные индивидуальные радиостанции.
Существуют проекты создания крупногабаритных долговременных орбитальных станций с массой до 100 т и мощностью солнечной электростанции 150 кВт. Экипаж станции возьмет на себя обслуживание автономных космических платформ, на которых будут размещаться приборы для дистанционного зондирования Земли, установки для производства материалов и препаратов, системы космической связи и другое оборудование. Возможно, к тому времени будут созданы и космические ядерные энергоустановки с термоионными преобразователями энергии мощностью до 500 кВт и больше, предназначенные для энергоснабжения автономных космических аппаратов и выполнения межорбитальных транспортных операций. Широкое распространение при проведении таких операций получат электрические ракетные двигатели.
Работы ближайших десятилетий должны создать технические предпосылки для перехода к третьему этапу космической индустриализации - созданию трехмерной (поверхность Земли, атмосфера, космос) информационно-промышленной инфраструктуры. Первая отличительная черта этой инфраструктуры - резкое возрастание потоков информации, полученной или переданной с использованием космических систем связи.
На этой основе могут быть созданы информационные многоотраслевые "библиотеки" и в конечном счете глобальный банк научно-технической информации. Это позволит радикальным образом перестроить существующую систему научных исследований, обеспечив более активное использование накопленного научного потенциала, методов автоматического проектирования, программ решения задач, хранящихся в объединенных центрах информации, подключение с помощью терминалов через космические средства связи к единой сети ЭВМ. Видимо, no-новому будут реорганизованы и системы образования, медицинского обслуживания, культурная жизнь. На качественно новом научно-техническом уровне будут решаться вопросы оптимального управления народным хозяйством как отдельных стран, так и планеты в целом. Нет нужды говорить о том, что решение этих, а также других проблем, о которых речь пойдет ниже, намного ускорится в условиях социалистической и коммунистической общественных формаций, которые - в это мы глубоко верим - станут в третьем тысячелетии превалирующими либо всеобщими на Земле.
Другая отличительная черта третьего этапа космической индустриализации - использование космических аппаратов для управления потоками энергии. Расположенные на космических орбитах антенны, переизлучающие хорошо сфокусированные пучки СВЧ-иэлучения, обеспечат передачу энергии из удаленных районов ее производства на Земле в районы потребления. Орбитальные отражатели солнечного излучения будут использоваться для освещения отдельных районов Земли.
| Этап | Основное содержание этапа | Годы |
| 1. | Опытно-промышленное производство в космосе улучшенных материалов | 1985-1990 |
| 2. | Космические аппараты и энергоустановки нового поколения. Широкое распространение космических информационных систем. Промышленное производство материалов | 1990-2000 |
| 3. | Глобальный банк научно-технической информации. Космические линии передачи энергии на большие расстояния. Освещение Земли с помощью орбитальных отражателей | 2010 |
| 4. | Космические солнечные электростанции для энергоснабжения Земли | 2050 |
| 5. | Единая информационная и энергопромышленная космическая система | 2120 |
| 6. | Индустриальное освоение Луны | 2180 |
| 7. | Космическая экоиндустрия. Восстановление природных ресурсов. Глобальное управление погодой | 2300 |
| 8. | Крупномасштабные искусственные сооружения в космосе. Энергопотребление на уровне 1023-1024 Дж/год | 2400 |
| 9. | Использование вещества других планет, их транспортировка на удобные орбиты | 2500 |
| 10. | Освоение Венеры и Марса | 2700 |
| 11. | Энергетические системы на основе новых физических принципов | 2800 |
| 12. | Использование новых фундаментальных открытий в физике | 3000 |
Основная предпосылка перехода к третьему этапу космической индустриализации - создание нового поколения высокоэффективных транспортных космических систем. Возможно, создание многоразовых ракет-носителей, обеспечивающих доставку на околоземную орбиту грузов массой до 500 т при удельной стоимости доставки порядка 200 рублей за килограмм, а в более далекой перспективе - до 20 рублей за килограмм. Для обеспечения большей величины межорбитальных грузовых перевозок (1000 т в год и более) целесообразно использовать электрические теплообменные или плазменные ракетные двигатели, принципиальные схемы которых уже известны. Энергию к этим двигателям можно подводить от внешнего, неземного источника с помощью, например, хорошо сфокусированного лазерного излучения.
Приведем пример возможной экономической эффективности космических систем третьего периода. Расходы на освещение территории такого города, как Нью-Йорк, составляют порядка 10 млн. долларов в год. При установленной норме ночного освещения и с учетом облачности ту же задачу можно решить с помощью отражателя солнечного излучения, размещенного на стационарной околоземной орбите. Площадь отражателя составит 50 км2 (например, круг, диаметром около 8 км), а его масса - 500 т. Если затраты на создание системы зеркал и их транспортировку составят 200 долларов за килограмм (по американским данным, это сейчас стоит в 5 раз дороже), то такой отражатель окупится всего за один год.
Космические отражатели для освещения Земли могут найти много применений. С их помощью, в частности, можно освещать в зимнее время высокоширотные промышленные зоны, сельскохозяйственные районы в период уборки урожая в целях использования ночного времени и сокращения сроков работ, подсветку транспортных магистралей и районов стихийных бедствий. Подобные системы будут использованы для создания сравнительно небольшой освещенности больших площадей, скажем, такой, какую создавали бы на небе 10-100 полных лун.
Основная проблема четвертого этапа индустриализации космоса - строительство космических солнечных электростанций для энергоснабжения Земли (КСЭ). Их предполагается размещать на геосинхронной орбите, на высоте 36000 км над поверхностью планеты. Энергия солнечного излучения будет преобразовываться в электрическую, например, с помощью фотопреобразователей и передаваться- на Землю в виде хорошо сфокусированного пучка радиоволн в СВЧ-диапаэоне. В этом диапазоне излучение практически не поглощается ни атмосферой, ни облаками. На Земле оно попадет на приемную антенну диаметром около 20 км, а затем будет преобразовано в ток промышленной частоты. Предполагаемая номинальная мощность такой электростанции - 5-10 ГВт, кпд приемного каскада - около 90 процентов.
Есть несколько причин, по которым проблема создания КСЭ станет актуальной для XXI века. Одна из них - опасность "теплового загрязнения" Земли. Сопоставим три цифры: доля энергии солнечного излучения, поглощаемая поверхностью Земли и рассеиваемая в атмосфере, составляет 3•1024 Дж/год, расчетное предельно допустимое производство энергии на Земле от 3•1021 Дж/год (то есть порядка 0,1 % от солнечной); производство энергии на Земле в 2020 г. предполагается на уровне 2•1021 Дж/год. Уже в первых десятилетиях будущего века может сложиться критическая ситуация, когда дальнейший рост производства энергии на Земле станет недопустимым, так как оно приблизится к предельно допустимой величине.
Другой фактор - быстрое уменьшение запасов минерального топлива. Видимо, с учетом этого появились проекты создания первых образцов КСЭ уже к концу этого столетия. Однако более обстоятельный анализ показал, что здесь существуют пока серьезные трудности: отсутствие достаточно дешевых и эффективных фотопреобразователей, чрезвычайно высокая стоимость транспортировки грузов на геосинхронную орбиту, опасность вредных воздействий на окружающую среду при резком увеличении грузопотока (для сооружения одной КСЭ мощностью 10 ГВт суммарная стартовая масса ракет-носителей составит, по современным оценкам, примерно 10 миллионов тонн).
В качестве возможной основы КСЭ активно обсуждаются устройства прямого преобразования солнечного излучения в лазерное.
К этому времени, видимо, найдут применение и термоядерные космические электростанции мощностью 5-10 ГВт. Могут быть созданы термоядерные ракетные двигатели, которые позволят разгонять космические корабли до скоростей порядка 1-10% от скорости света. Время полета корабля с таким двигателем к Марсу составит одну неделю.
Пятый этап индустриализации космоса - формирование единой информационной и энергопроизводственной глобальной системы - может быть отнесен примерно к 2120 г. Этот этап характеризуется новым активным продвижением по всем основным направлениям космической индустриализации, дальнейшим совершенствованием экономичных транспортных систем, созданием сети космических энергоустановок большой мощности, прежде всего солнечных и термоядерных электростанций, введением в строй разветвленной сети космических линий энергопередачи. Новое развитие получит система орбитальных отражателей солнечного излучения. Увеличивая с их помощью световой поток либо продолжительность светлого времени суток, можно будет уже непосредственно повышать производительность сельскохозяйственных комплексов, интенсифицировать выход биомассы в специально выделенных участках Мирового океана.
Будут развернуты работы по отводу избыточного тепла в космос от отдельных районов Земли. Для этого можно будет использовать пленочные экраны - отражатели солнечного излучения (в направлении "от Земли") площадью в сотни квадратных километров, монтируемые на околоземных орбитах и удерживаемые на них с помощью электрических ракетных двигателей. Использование системы космических концентраторов солнечного излучения и экранов наряду с разработкой методов активного воздействия на ионосферу с помощью искусственных плазменных образований и электромагнитных излучений создаст предпосылки для развития методов такого локального управления погодой, как предотвращение ураганов, засух, заморозков, угрожающих сельскохозяйственным культурам.
Шестой этап индустриализации космоса - промышленное освоение Луны, которое должно вылиться в многоступенчатую и довольно продолжительную эпопею.
На Луне имеются запасы минерального сырья, пригодные для строительства сооружений космического энергопроизводственного комплекса и для его функционирования (кремний, кислород, алюминий, железо, никель, цирконий, вольфрам, уран, свинец, золото и другие). Причем доставка многих материалов с Луны после ее индустриального освоения обойдется намного дешевле, чем с Земли; будет исключена также опасность вредных экологических воздействий на атмосферу нашей планеты в случае резкого роста грузопотока в космос.
Можно ожидать, что успехи в области прикладного материаловедения сделают на этом этапе реальной задачу создания очень легких материалов с прочностью до 105 Н/мм2 (прочность стали) и больше при плотности порядка 1 г/см3 (плотность пластмассы). Использование таких материалов позволит приступить к сооружению принципиально новой системы транспортировки полезных грузов в космос - космического лифта (построенная на Земле сложная транспортная конструкция, уходящая ввысь вплоть до высоты околоземных спутниковых орбит), о котором писал еще К. Э. Циолковский. Возможно, космический лифт будет сооружен первоначально на Луне.
Следующий, седьмой этап промышленного освоения космоса - переход к космической экоиндустрии. Основная отличительная особенность этого этапа - полное удовлетворение энергетических и материальных потребностей цивилизации в условиях сбалансированного равновесия с окружающей средой, включая околоземное космическое пространство, сохранение и восстановление природных ресурсов. На практические рельсы будет, в частности, поставлена задача геотехнологии, или восстановления запасов некоторых полезных ископаемых, выдвинутая еще В. И. Вернадским. Созданный на предыдущих этапах информационно-энергетический космический комплекс позволит также решить задачу гигантских масштабов - осуществить глобальное управление погодой.
С увеличением глубины, или дальности прогноза его определенность, естественно, снижается, он приобретает все более общий характер. Однако можно предвидеть, что формирование на этапах 5-7 единой около планетной информационной и энергопромышленной инфраструктуры, включая Луну, создает предпосылки для решения очередной задачи - постепенного овладения потоками энергии, близкими к тому, что приходит на Землю от Солнца - 3•1024 Дж/год. Для этого на орбитах в окрестности Земли и Луны потребуется соорудить разветвленную сеть крупномасштабных энергопромышленных комплексов. Осуществление этих задач и составит содержание восьмого этапа.
Суммарное потребление природных неорганических ресурсов на планете составляет в настоящее время порядка 10 миллиардов тонн в год. На их переработку расходуется 1019 Дж энергии в год, иными словами, около трети всего, что производится на Земле. Запасы неорганического сырья на Земле ограниченны, и поэтому последовательно встанут задачи активного использования вслед за Луной вещества других космических тел, например, астероидов путем их транспортировки на удобные околоземные орбиты (этап 9), а затем освоение планет, в первую очередь Венеры и Марса (этап 10).
Естественно, что наименее определенными представляются перспективы космической индустриализации, обусловленные новыми предполагаемыми открытиями фундаментального характера. И все же ощущение того, что в предстоящем тысячелетии такие открытия нас не минуют, заставило автора оговорить возможные их последствия отдельными пунктами (11, 12) в таблице. Не сковывая себя жесткими ограничениями, можно предположить и некоторые конкретные открытия, которые могут повлиять на темпы и размах космической индустриализации. Так, например, по мнению некоторых теоретиков, в окрестности Солнечной системы вполне может существовать уникальный астрофизический объект- черная дыра с массой как у небольшой планеты. Такой объект должен иметь микроскопические размеры, и если он будет обнаружен, то эту черную дыру можно будет доставить на геосинхронную орбиту, а затем использовать для производства энергии. Технические детали этого проекта пока не поддаются прогнозированию, здесь приходится ограничиваться лишь общими соображениями.
Еще более удивительные возможности связаны с некоторыми гипотетическими следствиями общей теории относительности (этап 12). Упомянем в качестве примера гипотезу академика М. А. Маркова о макро-микросимметрии нашего мира, согласно которой могут существовать другие вселенные, воспринимаемые внешним наблюдателем как микрочастицы (фридмоны).
Итак, перед читателем прогноз индустриального освоения космоса на весьма длительный срок - на тысячу лет. Какова степень достоверности этого прогноза? Он составлен с использованием современных системных методов прогнозирования на основе обобщения достаточно широко известных тенденций развития науки и техники. Все это позволяет считать достоверность предлагаемого прогноза, во всяком случае, первой его половины, приемлемой для анализа. Существует принципиальная возможность поднять точность прогноза, рассмотрев перспективы не одной только космонавтики, но глобального развития цивилизации в целом. Однако это тема особого, причем далеко не простого исследования.
В любом случае, несмотря на возможные неточности прогноза, последовательное претворение в жизнь рассмотренной программы индустриального мирного освоения космоса будет служить интересам всего человечества. Сделанный прогноз можно считать реалистичным, разумеется, лишь в случае, если человечество найдет в себе силы и средства приостановить гонку вооружений, отвлекающую огромные людские и материальные ресурсы, которые можно было бы направить на создание космической индустрии, на решение жизненно важных мирных задач развития нашей цивилизации. Мы, граждане социалистической страны, члены социалистического общества, верим, что так оно и будет.
К. Э. ЦИОЛКОВСКИЙ.
ЭТАПЫ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В ЭФИРЕ ИЛИ В ПОЯСЕ АСТЕРОИДОВ
Заметки К. Э. Циолковского "Этапы промышленности в эфире или в поясе астероидов", написанные 7 декабря 1923 г., публикуются впервые по рукописи, которая хранится в Архиве АН СССР среди документов личного фонда ученого. Циолковский делал эти заметки для себя, и вполне понятен отрывочный, конспективный характер изложения, совершенно не свойственный работам ученого, обращенным к массовому читателю.7 декабря 1923 г., пятница.
Уголь - из растений или от разложения углекислоты и других сложных веществ Солнцем. Двигательная сила, кинетическая энергия - от солнечных двигателей. Они дают электрическую энергию, которая дает возможность сосредоточивать механическую работу в одном месте.
1) Световая (энергия).
2) Тепловая от зеркал и особых солнечных нагревателей.
3) Механическая энергия.
4) Электрическая энергия.
41) Руды и чистые металлы от болидов и астероидов, также с лун, потом с планет.
5) Руды и уголь в нагревателях дают металлы и окислы углерода.
6) Последние с помощью растений дают пищу, уголь и кислород.
7) Кислород для растений и животных.
8) Нагреватели плавят сталь и другие металлы.
9) Металлы и их сплавы отливают в тугоплавкие формы.
10) Обделка, если нужно, на механических заводах.
11) Ковка, протягивание, плющение, прокатка - холодная или с нагреванием - там же.
12) К нагревателям прибегают для приготовления стекла и множества фабричных продуктов.
Порядок.
Материалы. Первые машины, стройки, орудия - с планет, потом с лун, потом с астероидов и, наконец, от болидов. Устраиваются сначала на одной из лун или на большом астероиде.
Работы на Земле. Образование планеты, движущейся кругом Земли - искусственный спутник. Решетчатый куб со множеством изолированных стеклом и металлом ячеек. Отправляется по частям. Там соединяются в одно целое.
Такая же колония кругом Луны. Спуск и заимствование материала. К жизни приспособят ее позднее.
Проще всего прямо направляться с искусственного спутника Земли.
0) Минералы от болидов, астероидов, лун и планет.
1) СО2 и Н2О из минералов, нагреванием.
2) Из СО2, Н2О и минералов с помощью растений и Солнца - пища, С и О.
3) Руды и С дают СО2 и металлы.
4) СО2 дает пищу, С и О.
Таким образом, постепенно руды и минералы обращаются в металлы, машины, сооружения, растения и животных.
Рукопись подготовлена к публикации Т. Желниной.
1. Райкунов Г.Г., Сенкевич В.П., Мельников В.М., Комков В.А., Добрачев Ю.П. Влияние на погоду космическими средствами// Конверсия в машиностроении. - 2003. - N 2. - С.9-13.
ОтветитьУдалить2. Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009.- 447с.
3. Glaser P.F. Power from the Sun: its future// Science. - 1968. - vol.168. - Nov. - Р.857-861.
4. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. - М. Наука, 1984. - 216с.
5. Бурдаков В.П. Электроэнергия из космоса. - М.- Машиностроение, 1991. - 152с.
6. Ванке В.А. СВЧ-электроника – перспективы в космической энергетике // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2007. - №6. - С.12-15.
7. Ванке В.А., Лопухин В.М., Савин В.Л. Проблемы солнечных космических электростанций//Успе