Солнечная энергия: с орбиты – на Землю

Один из проектов передачи энергии с орбитальной станции на Землю.
Фото NASA

Вопросы эффективности создания и использования космических энергетических систем для широкого круга транспортных прикладных задач космической техники – одна из самых актуальных проблем современной космической науки. Журналист Николай ДРОЖКИН беседует с ведущим научным сотрудником ЦНИИмаша, доктором технических наук, профессором Виталием МЕЛЬНИКОВЫМ. Свои исследования ученый проводит на базе анализа полувекового опыта разработки и эксплуатации таких систем с учетом новейших и прогнозируемых достижений в технике, а также потребностей общества.

– Виталий Михайлович, судя по публикациям в СМИ, основными направлениями сегодня считаются развитие средств связи и мониторинга, освоение Луны и Марса. Но вот книга «Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции» (М., 2009, авторы Г.Г.Райкунов, В.А.Комков, В.М.Мельников, Б.Н.Харлов). По-видимому, вы, как ее соавтор, считаете наиболее приоритетным создание космических электростанций?

– Только социально-политическая потребность общества определяет темп развития космической техники. Исходя из этого, рассмотрим с сегодняшних позиций изложенные в директивных документах приоритетные направления ее развития.

Дальнейшее успешное продвижение нашей страны в решении вопросов социально-экономического развития требует обеспечения всестороннего доступа населения к дешевым информационным услугам, непрерывного мониторинга территории и воздушного пространства, контроля сухопутных и морских границ с пресечением браконьерства, получения информации, позволяющей вырабатывать оперативные и стратегические решения о развитии регионов, ликвидации природных и техногенных катастроф, предупреждении и парировании внутренних и внешних угроз. Эти потребности, безусловно, будут определять темп развития космической энергетики.

– А вопросы освоения Луны и Марса?

– Луна давно считается стратегическим объектом, и существуют обоснованные программы ее освоения в США, Китае, Японии и России. Но что может дать Луна в плане народного хозяйства? Предлагаемая добыча гелия-3 из лунного грунта (реголита) для термоядерных реакторов вызывает недоумение. Во-первых, существуют крупные химические производства, где гелий-3 является побочным продуктом и в больших объемах выбрасывается в атмосферу за ненадобностью. Во-вторых, сама управляемая термоядерная реакция с участием гелия-3 не реализована в земных условиях.

Что касается Марса, полученная автоматами достаточно обширная информация указывает на то, что эта планета народно-хозяйственного интереса не представляет. Марсианские исследования имеют чисто научный характер. Ни о каком переселении людей на Марс и жизни там при средней температуре минус 63 градуса, в разреженной атмосфере, состоящей практически из углекислого газа, и речи быть не может.

– Какая же острая социально-политическая потребность общества может содействовать модернизации и инновационному развитию России?

– В последние годы со все возрастающей остротой встают проблемы энергетического и экологического кризисов, а также управления погодой. Эффективный путь решения указанных проблем – создание космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью от 1 до 10 гигаватт для трансляции электроэнергии наземным потребителям и электроснабжения в перспективе экологически вредных производств в космосе. Американское военное ведомство, например, выдвинуло программу, в которой рассматривается возможность замены всей наземной энергетики космической к 2100 году.

В США кооперация, в которую входят компании «Локхид-Мартин», «Боинг», JPL «Центр Маршалла», Центр Глена и ряд университетов, планирует создать коммерческую КСЭС гигаваттного уровня к 2016 году. Цель – положить начало созданию рынка «космического электричества». Китай намерен участвовать в этом рынке.

Группа японских корпораций во главе с Mitsubishi Corporation планирует построить КСЭС гигаваттного уровня к 2025 году в рамках проекта Solarbird. Общая стоимость КСЭС оценивается в 24 миллиарда долларов. Планируемая стоимость вырабатываемого «космического электричества» в шесть раз меньше, чем на японских наземных электростанциях. После мартовских аварий 2011 года в Японии одновременно на трех атомных реакторах, общественное и правительственное мнение во многих странах склонилось в пользу альтернативных источников энергии, где солнечная энергетика играет главенствующую роль.

Наивысшую прибыль от мирового рынка «космического электричества» получат те, кто освоит его первым. Как видите, США и Япония активнейшим образом стремятся создать такой рынок. Китай также его поддерживает. Направление создания КСЭС в ближайшей и дальней перспективе в новых экономических условиях может определять темп развития космической техники и содействовать модернизации и инновационному развитию России, способствовать решению социальных и политических задач.

– А как же быть с космическими ядерными энергетическими установками (ЯЭУ), о работах по которым много говорилось в последнее время, в том числе и на самом высоком уровне?

МКС вся приспособлена под солнечные батареи. Фото NASA

– На основании анализа 50-летнего опыта разработок космических ЯЭУ и сложности решения стоящих на пути их создания задач можно прийти к выводу, что использование ядерной энергетики – далеко не эффективный путь решения задач космической техники. Развитие ЯЭУ для межорбитальных и межпланетных буксиров в настоящий момент и в перспективе для широкого круга задач нецелесообразно по ряду обстоятельств.

Во-первых, в разработку энергодвигательных космических установок на базе ядерных реакторов в течение более 50 лет вкладывались огромные финансовые и интеллектуальные ресурсы, при этом ощутимого выхода от этих вложений не наблюдалось, и из-за объективных трудностей последовательно свертывались работы по большому числу направлений.

Во-вторых, в связи с выходом из-под юрисдикции России расположенных на территории бывших союзных республик ряда крупных предприятий, ранее занимавшихся вопросами проектирования, разработки и изготовления комплектующих изделий в атомной отрасли, а также испытательных полигонов, существенно сократился научно-технический потенциал, который был присущ бывшему СССР. Нарушена практически вся инфраструктура в области создания реакторов космического базирования, имеются серьезные проблемы с кадровым потенциалом.

В-третьих, необходимо считаться с мнением международного сообщества, которое как ранее, после чернобыльской аварии, так и в особой мере после аварий сразу на трех АЭС в Японии настроено против вынесения в космос ядерной энергетики.

И, наконец, необходимо учитывать общее снижение в последние годы технической культуры и надежности изделий как космической техники (недавняя авария ракеты-носителя при запуске трех спутников системы ГЛОНАСС, отказы на 19 космических аппаратах в 2010 году), так и в других отраслях (например, авария на Саяно-Шушенской ГЭС). Все это осложняет создание и эксплуатацию изделий атомной промышленности.

Таким образом, оценивая с сегодняшних позиций возможности реализации различных схем ЯЭУ, можно прийти к выводу о преимуществе вложения сил и средств в солнечную энергетику. Особенно если учесть большие успехи ее развития в последние годы, широкий фронт работ по повышению эффективности во всем мире, ряд существенных преимуществ перед ЯЭУ и перспективы к совершенствованию на базе интенсивно развивающихся нанотехнологий.

– Какие существенные преимущества имеет солнечная энергетика перед ЯЭУ?

– Солнечные энергоустановки значительно проще по конструкции: не имеют высокотемпературных контуров, холодильников-излучателей, вращающихся турбин, делящегося урана, радиационной защиты. Они экологически чисты, не несут катастрофических последствий при авариях в космосе, при создании и отработке на Земле, а также при запусках с Земли и возвращении на Землю. СЭУ допускают техническое обслуживание и ремонт на орбите в процессе эксплуатации; не несут проблем утилизации или захоронения; значительно дешевле при крупномасштабном производстве. СЭУ в 3–5 раз лучше по удельным (Вт/кг) характеристикам. Они имеют многолетний (начиная с третьего искусственного спутника Земли) успешный опыт создания и эксплуатации на подавляющем большинстве космических аппаратов (более 1000) отечественного и зарубежного производства, в том числе около десяти лет на орбитальных станциях «Мир» и МКС при мощности солнечных батарей (СБ) порядка 120 киловатт.

Кроме того, в плане развития нанотехнологий СЭУ имеют большие перспективы. Они относительно просты в наземной отработке, допускают бескаркасное центробежное исполнение и автоматизированное раскрытие и сворачивание на орбите, не имеют в таком исполнении геометрических ограничений для задач в ближайшей и дальней перспективе. Допускается их компоновка на ракете-носителе в уложенном (транспортном) состоянии; эффективны в околоземном пространстве (в районе орбиты Земли солнечная постоянная равна 1360 Вт/м2), а также в районе орбит Марса и Венеры; не требуют привлечения огромных финансовых, организационных и научно-технических ресурсов; быстро окупаемы в силу большой коммерческой эффективности и широкого спектра приложений. Наконец, СЭУ имеют широкое поле наземного использования.

– Если у СЭУ нет недостатков, они могут вообще вытеснить ЯЭУ из космонавтики?

– Но у СЭУ есть недостатки. Прежде всего это невозможность функционирования в дальнем космосе на большом удалении от Солнца. В этом плане использование ЯЭУ безальтернативно. Вклад таких задач в сравнении с другими направлениями приложения космической энергетики относительно мал. Тем не менее эта ниша существует, имеет актуальность, и ЯЭУ, безусловно, должны развиваться для указанных задач и в условиях соответствующего режима.

Напомню также, что в советский период был осуществлен широкий фронт работ по проектным, конструкторским, материаловедческим вопросам, а также большой комплекс экспериментальных исследований и отработки ключевых элементов термоэмиссионной схемы ЯЭУ, показавших свое преимущество над турбомашиной и выведших нашу страну в лидеры по разработкам космических ЯЭУ. Этот задел должен быть использован – для решения задач исследования дальнего космоса, для создания термоэмиссионных ЯЭУ на базе наиболее перспективных литий-ниобиевых технологий, а также термоэлектрических ЯЭУ на базе радиоизотопов.