Валерий Родиков - Приключения радиолуча
Оптическое волокно довольно дешево в производстве. Нить оптического волокна длиной в полтора кьло-метра может быть изготовлена из одной столовой ложки сырья. Получены новые, более совершенные сорта стекла для оптических кабелей необычайной чистоты. Полуторакилометровая толща такого стекла будет кристально прозрачна! Развитие техники волоконно-оптических линий происходит столь стремительно, что опережает даже самые оптимистические прогнозы.
ЛУЧ, УСТРЕМЛЕННЫЙ В БУДУЩЕЕ
ЛЭП ИЗ КОСМОСА
Вот уже 200 лет история демонстрирует непрерывный экспоненциальный рост нашей цивилизации. Закон экспоненты очень распространен в природе. Описываемые им явления похожи на лавинообразный рост, что-то наподобие взрыва. Да, мы живем в эпоху взрывов: индустриального, демографического, информационного, энергетического… Что касается энергии, то потребление ее каждые 20 лет удваивается. Единственный шанс избежать энергетической катастрофы в будущем — это успеть вовремя перевести стрелку: перевести промышленность на рельсы другой энергетики. Мир настойчиво ищет энергию. В ряде стран приняты законы, обязывающие внедрять новые ее источники.
То, что атомная энергетика к концу столетия станет основным источником энергии, у большинства ученых не вызывает сомнений. Но переход к атомной энергетике породил и немало проблем. Среди них надежность в эксплуатации и захоронение отходов атомных электростанций. При массовом использовании атомной энергии создается угроза радиоактивного заражения нашей планеты. Кроме того, нормативный срок «жизни» современной АЭС — около 30 лет. Нетрудно подсчитать, что к 2000—2010 годам «пенсионного возраста» достигнут две трети атомных электростанций, работающих сегодня в разных странах мира. Демонтаж отработанного реактора — дело сложное, дорогое, длящееся годы.
С точки зрения экологии переход к ядерной энергетике — решение далеко не оптимальное. Мера вынужденная. Цивилизация должна располагать значительными энергетическими резервами, чтобы иметь время для получения информации, которая откроет ей врата новой энергии. Человечеству нужен неисчерпаемый чистый ее источник, не загрязняющий и не перегревающий планету.
Ответ знали еще древние. Это — Солнце, самый изначальный энергоисточник на нашей планете. Меньше чем за час оно посылает на Землю такое количество энергии, которое превышает нынешние годовые потребности планеты. И такая щедрость при том условии, что почти одна двухмиллиардная доля общей энергии Солнца попадает на Землю. Количество солнечного света, которое в межпланетном пространстве приходится на Землю, можно сравнить с трехкопеечной монетой, лежащей где-то на круглом поле диаметром полкилометра.
Еще в самый разгар «атомного бума» один из крупнейших физиков XX века Фредерик Жолио-Кюри прозорливо сказал: «Решение проблемы использования солнечной энергии для человечества важнее, чем покорение энергии атома».
Базируясь только на Земле, солнечной энергетике не выбиться в лидеры. Мешает атмосферный «зонтик» над нашей планетой и суточные вариации солнечного потока. Кроме того, у наземной крупномасштабной гелио-энергетики есть еще один недостаток, с которым в будущем придется считаться. Малая плотность энергии солнечного потока (с одного квадратного метра освещенной Солнцем поверхности в среднем можно «снять» не более 100 ватт). Поэтому под устройства, собирающие солнечную энергию — зеркала-концентраторы и фотоэлементы, — придется отчуждать большие площади. Нужно еще учесть, что наземная солнечная энергетика не всепогодна, а потому необходимы солнечные электростанции-дублеры, разнесенные друг от друга на значительные расстояния. Кроме того, потребности в энергетике непрерывно растут, следовательно, придется увеличивать площадь отчужденных земель, причем в южных районах, которые имеют большие перспективы в области сельскохозяйственного производства. Спрос же на сельскохозяйственную продукцию лавинно нарастает. Так, статистики утверждают, что до начала нового тысячелетия, то есть за двадцать неполных лет, для обеспечения продовольственной стабильности в мире должно быть произведено продовольствия столько же, сколько его было произведено за всю предыдущую историю развития сельского хозяйства на планете.
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 перемещаться с такой же угловой скоростью, с какой вращается наша Земля вокруг своей оси, и потому для земного наблюдателя он будет казаться неподвижным. Свойство это, кстати, очень полезно 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 на ней рабочую вахту. Правда, выводить космические аппараты на такую 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».
Для солнечных электростанций, размещенных на стационарной орбите, Солнце будет сиять все 24 часа в сутки на протяжении почти всего года. Исключение 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 затемнения приведут к снижению солнечной энергии, получаемой станцией, всего на один процент. К тому же в районе наземного приемного пункта во время затенения будет полночь, следовательно, и потребность в энергии минимальная.
Если на стационарной орбите разместятся несколько электростанций, они будут тоже затенять друг друга некоторое время. Но оно 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 больше всего. Кроме того, эта орбита довольно емкая: на ней можно поместить множество станций, не опасаясь, что они столкнутся. Например, если на стационарной орбите равномерно расположить 300 станций, то на каждую придется 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.
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.
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 дешевле солнечных элементов. С течением времени под воздействием радиации солнечные батареи деградируют, их коэффициент полезного действия падает. Согласно оценкам, суммарная степень деградации на 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 «снять» 8,6 миллиона киловатт мощности. Для сравнения: мощность Братской ГЭС около 4,1 миллиона киловатт.
