очередное эммигрантское г.) (solar_front) wrote in engineering_ru,
очередное эммигрантское г.)
solar_front
engineering_ru

Энергии завались.

Оригинал взят у solar_front в Энергии завались.
Любят фотовольтаики сравнивать сколько энергии падает на землю и сколько потребляет цивилизация. Обычно выходит какой-нибудь квадратик в Сахаре... Но они забывают еще и такой вариант: создать "сахару" можно в любой точке земли!

Итак, очередная статья из гениального журнала "Наука и Жизнь" за 1976 год №7:

Космос и Энергия

А. Владимов.

С началом космической эры представления о нашей планете стали быстро изменяться. Увидев ее на фотографиях, сделанных из космоса, человечество наконец осознало, что Земля, в сущности,— всего лишь небольшой шар, едва превышающий в диаметре 12 тысяч километров. Не бесконечными оказались и ресурсы и возможности развития земной энергетики. Выяснилось, что мощность наземных энергетических систем не может расти беспредельно — иначе может перегреться атмосфера, а все последствия этого пока трудно предсказать.

Не удивительно поэтому, что мысли ученых обратились к космосу: там не только простор для развертывания самых мощных энергетических систем, но и «даровые» источники энергии. В первую очередь это, конечно, Солнце.

КОСМИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ

До поверхности Земли доходит малая доля солнечной радиации. Но ее можно увеличить с помощью космической техники. Например, смонтировав на околоземной орбите достаточно большой рефлектор. Такое зеркало, разумеется, в первую очередь пригодно для освещения; а на Земле все еще немало глухих уголков, лишенных электричества и дорог для подвоза топлива.

5




Освещенность и размеры светового пятна на поверхности Земли можно варьировать по потребности, рассчитав заранее все параметры: высоту орбиты, площадь и ориентацию рефлектора и т. п. Светимость рефлектора можно сделать как у полной Луны, а можно и в десять или даже в сто
раз большей. Сравнение с Луной наводит на мысль окрестить такой ИСЗ-рефлектор Лунеттой.

Впрочем, автор этого предложения, известный американский ученый, теоретик космонавтики Краффт Эрике считает, что во многих отношениях Лунетта окажется удобнее настоящей Луны. Главный недостаток естественного спутника Земли в том, что полная Луна блистает на нашем небосклоне не более 20% времени месячного цикла. А Лупетта способна создать практически постоянное полнолуние! (Для этого, конечно, придется соответствующим образом программировать ориентацию рефлектора.)

По расчетам Эрике, для освещения густонаселенных урбанизированных районов Земли потребуется собрать на орбите несколько рефлекторов с общей светимостью в 40—80 ПЛ (полных лун). Для районов сельскохозяйственных работ и крупных строек будет достаточно 15—30-кратного
превосходства Лунетты над естественным ночным светилом, а для новых поселений в развивающихся странах хватит 10—20 ПЛ.

Но как сделать «космическое освещение» непрерывным в течение всей ночи? Одно из решении — собрать рефлектор на так называемой геостационарной орбите: ИСЗ, выведенный в плоскости экватора на круговую орбиту с радиусом около 42 000 км, как бы неподвижно повисает над заданной точкой земной поверхности, поскольку период обращения такого спутника в точности равен суткам.
6
Геостационарная орбита очень удобна для освещения тропиков и субтропических районов Земли. А как быть с полярными областями (где, к слову, искусственное освещение куда нужнее)? В этом случае удобнее использовать орбиты с большим наклонением (наклонение — это угол между экваториальной плоскостью и плоскостью орбиты) и с радиусом, обеспечивающим период обращения, кратный суткам. Если для геостационарной Лунетты нужен один рефлектор, то для полусуточной орбиты, чтобы обеспечить восьмичасовое освещение, их потребуется два (смещенных на 90° по орбите), для 8-часовой орбиты — три и т. д. Размеры рефлектора определяются в зависимости от высоты орбиты и от нужной освещенности: так, для стационарной Лунетты мощностью в 80 ПЛ потребуется рефлектор площадью в 26 квадратных километров. Для 1 ПЛ достаточно всего 0,22 квадратного километра, что требует диаметра зеркала в 530 м. Правда, если мы хотим пользоваться, космическим освещением и в пасмурные ночи, когда небо над голоеой затянуто плотной пеленой облаков, то придется увеличить размеры зеркала почти в 10 раз. При этом, согласно Эрике, площадь освещенного района на поверхности Земли будет достигать 88 000 квадратных километров. Иначе говоря, одна Лунетта может це-
ликом осветить такую страну, как Португалия (где в 1975 г. проходил последний ежегодный конгресс Международной Федерации Астронавтики, на котором среди прочих обсуждались именно эти проблемы).
7
8
Конструктивно Лунетта может представлять собой жесткую трубчатую раму, обтянутую металлизированной пластиковой пленкой. Исходя из технологического уровня, достижимого к 90-м годам нашего века, вес одного квадратного километра Лунетты будет порядка 200—300 тонн.

Резонно спросить: а во что это все обойдется? По мнению Эрике, создание подобного космического светильника будет стоить около 15 миллиардов долларов. На первый взгляд цифра кажется огромной. Но вспомним, что на одну программу «Аполлон» было затрачено 25 миллиардов долларов. Если учесть, что каждый квадратный километр Лунетты ежегодно сэкономит около 2 миллионов тонн нефти (которая сжигается сегодня на тепловых электростанциях, чтобы выработать необходимую для освещения электроэнергию), что, кроме того, сохранится немало металла и денег, расходуемых сегодня на строительство осветительных электросетей, что благодаря космическому освещению вдвое ускорятся посевные и уборочные сельскохозяйственные работы и повысится КПД использования сельхозмашин, что исчезнет полугодовая полярная ночь, то можно поверить Эрике, считающему, что за 25—30 лет эксплуатации Лунетта даст большой экономический эффект.

Однако возникает еще один немаловажный вопрос: а не вскроются ли со временем какие-нибудь вредные последствия многократного усиления ночной освещенности? Есть все основания надеяться, что вреда не будет. Дело прежде всего в том, что для ночного освещения будет использоваться естественный свет Солнца, электромагнитные волны, к которым за миллиарды лет эволюции приспособилось все земное. В этом смысле куда опаснее рост мощности разнообразных наземных источников электромагнитного поля — радиостанций, электросетей, неоновых реклам, радиолокаторов и т. п. Конечно, не исключено, что некоторым животным Лунетта поначалу сильно осложнит жизнь. Но вряд ли эта проблема приобретет особенную остроту. Во-первых, благодаря заметной интенсификации сельского хозяйства появится возможность увеличить площадь заповедников (где сохранятся привычные природные условия, включая ночную темноту). Во-вторых, организмы, несомненно, приспособятся к новым
условиям. Ведь звери и птицы приполярных областей не страдают от круглосуточного освещения во время полярного дня.

ТЕПЛО ИЗ КОСМОСА

Отраженный солнечный свет можно использовать не только для освещения, но и для обогрева выбранных районов земной поверхности. Громадные пространства Сибири или Канады могли бы давать значительно больше хлеба, если бы удлинить там лето да повысить среднегодовую температуру на десяток градусов. Повышение плотности солнечного света (добавление к естественному световому потоку Солнца искусственного потока, поворачиваемого к Земле рефлектором) — это не только обогрев. Это еще и подстегивание фотосинтеза, повышение продуктивности растений. А ведь именно в росте продуктивности фотосинтеза кроется решение нависшей над человечеством проблемы нехватки белков.

Уже давно известно, что не все химические реакции, которые включает процесс фотосинтеза, требуют освещения. Часть из них продолжается и в темноте, после того как свет уже выключен. Таким образом, кроме усиления дневной освещенности в сельскохозяйственных районах с коротким, холодным летом, можно применить кратковременную ночную подсветку и для тропических стран, чтобы и там поднять продуктивность фотосинтеза.

По предварительным оценкам, для стимуляции роста растений нужен дополнительный световой поток порядка 20% от полного солнечного (для сравнения: интенсивность освещенности, даваемой Лунеттой, составляет от 0,00001 до 0,0001 полной солнечной). Чтобы добиться такой интенсивности отраженного света, площадь зеркала нужно увеличить во много раз по сравнению с Лунеттой. Краффт Эрике называет такой рефлектор для усиления фотосинтеза Солеттой — от Солнца. Если смонтировать Солетту на четырехчасовой орбите, то для создания на поверхности Земли 10% светового потока полного Солнца (ПС) площадь зеркала нужно сделать равной 270 квадратным километрам. Дальше цифры растут все быстрее: для 20% ПС —500 км2, для 40% ПС — 1 100 км2, для 50% ПС — 6 600 км2.

Минимальная площадь на поверхности Земли, освещаемая с четырехчасовой орбиты, составит около 2 800 квадратных километров. Число Солетт для четырехчасовой экспозиции соответственно составит: на четырехчасовой орбите — 3, на шестичасовой — 2 и на восьмичасовой — 1.

Предполагается, что каждая Солетта будет представлять собой «рой» рефлекторов, световые потоки которых должны фокусирогваться и накладываться друг на друга. Каждый отдельный рефлектор («стандартная единица») собирается из стандартных элементов площадью до 200 квадратных километров. Стандартные элементы подвижны друг относительно друга и должны с помощью электроники ориентироваться по заданной программе, чтобы фокусировать световой поток и направлять его в заданную точку Земли.

Обслуживание Солетты будет вестись и с поверхности Земли с помощью мощной аэрокосмической транспортной системы грузоподъемностью 1000—5000 тонн (сегодня еще трудно представить себе такие системы, но ведь речь идет о начале следующего тысячелетия), и с борта специальной станции на околоземной орбите, имеющей экипаж в 150—200 человек, межорбитальные телеуправляемые и пилотируемые аппараты.

Эта программа, по предварительным оценкам, будет стоить от 30 до 60 миллиардов долларов. Расчеты Эрике убеждают в целесообразности затрат: только увеличение продуктивности сельского хозяйства целиком окупит вложения за 25—30 лет. Но пользу от Солетты получит не одно сельское хозяйство. Если увеличить ее мощность, вся земная технология выйдет на новый энергетический уровень. Эрике назвал его так:

ДВУХЗВЕЗДНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Плоды этой более мощной, как называет ее Эрике, экологической Солетты достанутся потомкам. А начинать это дело придется уже поколению 90-х годов. По мысли Эрике, говорить о двухзвездной экологии будет можно, когда к естественному световому потоку Солнца, падающему на Землю, добавится искусственный, составляющий около 80% естественного(Земля как бы обретет второе светило, сравнимое с Солнцем). Для этого потребовалось бы собрать на геостационарной орбите группу Солетт общей площадью до 66 000 квадратных километров. В результате на поверхности Земли, в некотором выбранном районе площадью в 100—150 тысяч квадратных километров, интенсивность светового потока ночью будет равна 0,8 ПС (днем она составит, естественно, 1,8 ПС). В каждую ясную ночь этот район получит около 660 миллиардов киловатт-часов, что даст более 2Е14 кВт • ч ежегодно.

Куда девать эту бездну энергии? Наверное, потомки найдут ей и такое применение, которое наша фантазия пока не в силах выдумать. (Ой, да не переживайте вы так! S-F) Но многое можно представить и сейчас. Энергия может пойти на обводнение пустынь, производство пресной воды (а ее не хватает уже сейчас) и жидкого водорода, который, видимо, будет идеальным топливом для сверхскоростной авиации, аэрокосмических систем, а быть может, и для наземного транспорта. Изобилие энергии обеспечит рост индустрии и городов, освоение океана и космоса...

ДРУГИЕ ИДЕИ. БОЛЕЕ БЛИЗКОЕ БУДУЩЕЕ

Космонавтика может помочь энергетике и в более близком будущем.

ИДЕЯ 1-я. При развитии ядерной энергетики возникает проблема устранения радиоактивных отходов. Оставлять их на Земле, мягко говоря, нежелательно. Лучше всего было бы выбрасывать их в космос. Но, разумеется, не как попало и не куда придется: было бы хорошо сваливать их в каких-то определенных точках пространства, чтобы эти точки можно было пометить красным на космических картах и прокладывать пути кораблей подальше от них. К счастью, такие пункты в космосе существуют — это либрационные точки (или точки Лагранжа), они имеются и в системе «Земля — Луна» и в системе «Солнце — Юпитер». Как известно, в двух из пяти точек Лагранжа космический объект будет находиться в состоянии устойчивого равновесия, сохраняя первоначальные расстояния от основных тел системы. Таким образом, космонавтика может обеспечить развитие
ядерной энергетики, удаляя ее отходы.

ИДЕЯ 2-я. Можно попробовать развивать ядерную энергетику в космосе, собирая реакторы на околоземных орбитах и передавая энергию на Землю каким-либо доступным способом (об этом ниже). Этот подход привлекателен тем, что избыточное тепло не будет перегревать атмосферу, а рассеется в космическом пространстве. Не-


9
Расположение точен либрации в системе «Земля — Луна». 1, 2, 3, 4, 5 — либрационные точки (точки Лагранжа). В точках 1, 2 и 3 объект находится в неустойчивом равновесии, а в точках 4 и 5 — устойчивом.

весомость позволит собирать на орбитах догвольно громоздкие сооружения, которые на Земле, быть может, вообще не удалось бы собрать. Проблема удаления отходов, однако, и здесь останется, и придется решать ее, прибегнув к идее № 1.

ИДЕЯ 3-я. С помощью ИСЗ, особенно геостационарных, удобно ретранслировать энергию из одной точки земного шара в другую. При этом экономится металл, который пошел бы на строительство наземных распределительных сетей.

ИДЕЯ 4-я. Энергию Солнца можно превращать в другие виды: давно существуют наземные гелиоустановки. Но они маломощны и целиком зависят от капризов погоды(не говоря уже о том, что ночью они не работают). В космосе — тоже сравнительно давно — исправно трудятся солнечные батареи, преобразующие свет в электроэнергию. Уже существуют и микроволновые генераторы, превращающие электроток в сверхвысокочастотное излучение. СВЧ-излучение легко фокусируется в «силовой луч», которому не страшны атмосферные помехи — дождь, снег, туман — и который сам
практически не воздействует на атмосферу(а это, как уже было сказано, чрезвычайно важно).

Устройства для приема СВЧ-энергии — полуволновые дипольные антенны и твердотельные диоды, преобразующие микроволны в постоянный ток, тоже давно разработаны.

Что же остается? Собрать на геостационарной орбите опорную платформу и разместить на ней солнечные батареи, микроволновые генераторы и передающую антенну. На Земле соответственно надо смонтировать приемную антенну, и поток энергии (источником которой может быть и Солнце и ядерный реактор) потечет из космоса на поверхность Земли. Либо (см. идею № 3) от наземной силовой станции через космос к потребителям в другой точке планеты.

Космический вакуум обеспечит высокий КПД генерации и передачи энергии; приемные диполи-преобразователи тоже обладают хорошими показателями, так что экономичность подобной энергосистемы



10
солнечная электростанция на спутнике.

11
схема микроволновой технологии передачи энергии на Землю. 1— преобразование в электромагнитную энергию высокой частоты, 2 — передающая
антенна, 3—микроволновой силовой луч, 4— приемная антенна на Земле, 5— преобразование микроволнового излучения в постоянный ток.


обещает быть весьма высокой. Недаром три американские фирмы по контракту с НАСА в 1974 году приступили к ее разработке. По первоначальному проекту передающая антенна диаметром около 1 км будет весить примерно 6000 т. Диаметр наземной антенны будет в 10 раз больше. Определена и
оптимальная частота, при которой атмосферные помехи силовому лучу будут минимальными,—2,5 гигагерца. По мнению авторов проекта, эксплуатация системы может начаться примерно с 1990 года.

Очевидно, что создание и эксплуатация даже самой простой космической энергосистемы вряд ли возможны на основе применяемых сегодня одноразовых ракет-носителей. Поэтому встал вопрос о создании маневренных многоразовых транспортных систем для доставки грузов с Земли на орбиты и обратно. Пергвый шаг на этом пути, предпринятый в США,— разработка системы «Спейс Шаттл» (см. «Наука и жизнь»

№ 11, 1974 г.). Однако для создания Солетты не обойтись без аэрокосмических транспортных систем (см. «Наука и жизнь» № 8,

1970 г.). Но это тема для специального разговора.




Tags: история, космос, сооружения, экология, энергетика
Subscribe
promo engineering_ru april 14, 2014 13:47 105
Buy for 200 tokens
В 50-х годах Советский Союз вел грандиозные стройки, одной из которых был невиданный по тем временам проект — подземный тоннель на остров Сахалин, получивший рабочее название «Строительство № 506″. В конце 40-х, начале 50-х годов XX века остров Сахалин переживал бурный…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 31 comments