Страница 52 из 64
А между тем, совсем рядом в межпланетном пространстве бесполезно для человечества пропадает энергия Солнца. Там нет восходов и закатов, нет облаков, нет атмосферы. Интенсивность потока солнечного излучения в космосе в десять раз больше, чем на Земле, а отсутствие гравитации и ветра позволяет строить протяженные многокилометровые конструкции. "Что странного в идее воспользоваться этой энергией?" — писал К. Э. Циолковский.
Есть в околоземном космосе замечательная орбита. Называют ее стационарной, или геостационарной. Находится она на расстоянии примерно 36 тысяч километров от Земли. Спутник на этой орбите будет перемешаться с такой же угловой скоростью, с какой вращается наша Земля вокруг своей оси, и потому для земного наблюдателя он будет казаться неподвижным. Свойство это оказалось очень полезным особенно для целей связи. С помощью трех спутников, размещенных на стационарной орбите, можно, в принципе, организовать глобальную всемирную связь. Советские связные спутники "Радуга", "Экран", "Горизонт" уже несут рабочую вахту на стационарной орбите. Правда, выводить космические аппараты на эту орбиту непросто. Например, чтобы вывести связной спутник на стационарную орбиту с территории нашей страны, нужна ракета такая же мощная, как для полета к Луне. Поэтому стационарные спутники запускаются ракетой-носителем "Протон", которая используется и для запуска почти двадцатитонных "Салютов" или многотонных "Лун".
Для солнечных электростанций, размещенных на стационарной орбите, Солнце будет сиять все 24 часа в сутки на протяжении почти всего года. Исключения составят небольшие периоды времени вблизи моментов весеннего и осеннего равноденствий, когда солнечная электростанция окажется в тени Земли примерно на 72 минуты в сутки. В среднем за год такие затенения приведут к снижению солнечной энергии, получаемой станцией, всего на один процент. К тому же эти затенения придутся на время, когда в районе наземного приемного пункта, куда будет передаваться с орбиты преобразованная энергия Солнца, будет полночь, а следовательно, и потребность в энергии минимальна.
Если на стационарной орбите будет находиться несколько электростанций, они будут тоже затенять друг друга. Но время "затмения" невелико: около 15 минут в 6 и 18 часов по местному времени. Такие перерывы в получении энергии точно предсказуемы, их можно учесть при распределении нагрузки электросети, что позволит обойтись без создания резервных запасов энергии.
Солнечные электростанции можно размещать и на других орбитах, но геостационарная по уже упоминавшейся причине подходит лучше всего. Кроме того, эта орбита довольно емкая: на ней можно разместить большое число станций, не опасаясь, что они столкнутся. Например, если на стационарной орбите равномерно расположить 300 станций, то на каждую пришелся бы средний объем примерно в миллиард кубических километров. Так что вероятность их столкновения ничтожна. В космических проектах гелиостанций, так же как и в наземных, конкурируют в основном два типа преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоэлектрические и теплоэлектрические.
При теплоэлектрическом преобразовании поток солнечной энергии фокусируется зеркалами на полом поглотителе и нагревает циркулирующий внутри его газ, например гелий, который вращает турбину и связанный с ним электрогенератор. Чтобы направить солнечное излучение внутрь полого поглотителя, понадобятся десятки тысяч отражающих зеркал с независимой регулировкой каждого из них. Такой оптической системой нужно будет непрерывно управлять, поддерживая неизменной необходимую геометрию при наличии пусть крошечных, но все-таки влияющих в невесомости неоднородностей гравитационного поля, перепадов температуры в элементах конструкции и сил, возникающих при управлении пространственной ориентацией.
Вывести, собрать на геосинхронной орбите такую конструкцию и эксплуатировать ее, поддерживая постоянно требуемую геометрическую конфигурацию в течение десятилетий, будет непросто. Кроме того, необходимо обеспечить и высокую надежность турбин: ведь ремонт в космосе дело сложное и дорогое. В целом, хотя турботепловой способ преобразования основывается на хорошо известных принципах термодинамики, чтобы реализовать его, предстоит решить немало серьезных научно-технических проблем.
Нельзя сказать, что окончательный выбор относительно варианта преобразователя солнечной энергии в электрическую уже сделан. Но все-таки некоторое предпочтение отдается фотоэлектрическому методу: ведь солнечные батареи в космосе надежно зарекомендовали себя. Например, солнечное "сердце" "Салюта-6" снабжало станцию энергией на протяжении всего времени ее существования на орбите (4 года 10 месяцев). Три крыла батареи "Салюта-6", автоматически поворачивающиеся за Солнцем, обеспечивали максимальную мощность энергопитания 4,5 киловатта. На теневой стороне Земли работала аккумуляторная батарея, которая на свету подзаряжалась от солнечной электростанции. При пиковых нагрузках, когда работали энергоемкие потребители — например бортовой субмиллиметровый телескоп или компрессоры в системе дозаправки топливом, то солнечные и аккумуляторные батареи "трудились" совместно. Обычно всем потребителям станции достаточно было около 1,5 киловатта энергии. Остаток шел на подзарядку батарей.
В отличие от "Салюта-6" для солнечных электростанций на геосинхронной орбите, где Солнце практически никогда не заходит, аккумуляторные батареи не нужны. Какой представляется ученым космическая солнечная электростанция? По одному из проектов, это две прямоугольные решетки длиной шесть и шириной пять километров каждая. Они соединены между собой несущей конструкцией из непроводящего материала. На решетках. помещаются зеркала концентраторов (расположенных в форме желоба), а между ними — кремниевые солнечные батареи. Зеркала-концентраторы направляют падающие на них солнечные лучи на кремниевые' элементы и тем самым повышают интенсивность солнечного потока. Использование зеркал удешевляет станцию, поскольку они много дешевле солнечных элементов. С течением времени под воздействием радиации солнечные батареи деградируют, их коэффициент полезного действия падает. Согласно оценкам суммарная степень деградации за 30 лет работы составит 20 процентов. Чтобы компенсировать уменьшение мощности, прямоугольные решетки можно наращивать новыми секциями со "свежими" кремниевыми элементами или производить постепенную замену сильно "постаревших" элементов. С такой солнечной "плантации" можно получить 8,6 миллиона киловатт мощности. Для сравнения: мощность Братской ГЭС около 4,1 миллиона киловатт.
Но получить в космосе электроэнергию — это, можно сказать, еще полдела. Вот как передать ее на Землю? Пока не создан пригодный для практического использования материал для провода, который можно было бы протянуть на высоту 36 тысяч километров. Если опускать с орбитальной станции самый прочный стальной трос, то он оборвется уже через 48 километров под действием собственного веса. Ученые считают, что лучше всего для передачи электроэнергии с орбиты использовать радиоволны: как в линиях радиосвязи. Только передавать радиоволны будут не информацию, а энергию. Идея передачи энергии в электромагнитном поле была впервые высказана и развита нашим соотечественником Н. А. Умовым в 1874 году в своей докторской диссертации. Югослав Тесла проверил это экспериментально. В 1899 году в Колорадо он построил радиостанцию мощностью 200 киловатт. На расстоянии 25 километров была обеспечена работа нескольких электролампочек и электромоторов.
Так что в принципе этот вопрос был решен в XIX столетии. Но как это часто случается, сама идея намного обогнала практическую потребность в ее промышленной реализации. Поэтому передача энергии с помощью радиоволн сверхвысоких частот считается сейчас новой областью. Развивается она довольно бурно, словно стремится наверстать потерянное за минувшее без малого столетие. Во многом большой прогресс, достигнутый в этом вопросе за последние годы, объясняется тем, что почти все компоненты для создания такой системы передачи энергии уже имелись в наличии. Их заранее подготовила радиоэлектроника. В настоящее время уже существуют линии электропередачи с помощью радиоволн, КПД которых превышает 50 процентов. Ожидается, что при использовании более совершенных приборов КПД достигнет 70 процентов.