Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин
Рассеивание лазерного пучка будет заметно снижаться за счёт использования группы лазеров, работающих по принципу фазированной антенной решетки. Правда, мощности по-прежнему потребуется немало, из-за чего и стоимость проекта будет соответствующей. Если солнечная орбитальная электростанция будет излучать с общей мощностью лазерных передатчиков 1 ГВт, то до Проксимы Центавра наш зонд доберётся за 193 года, а если увеличить мощность до 100 ГВт – всего за 21 год. Вы только вдумайтесь, всего через 21 год после запуска мы сможем буквально прикоснуться к соседней звёздной системе!
Здесь проблемой остаётся то, что до сих пор не получилось создать демонстратор, масса которого была бы 1 г и способный выдержать несколько десятилетий в открытом космосе под действием космических лучей. Для этого приходится значительно увеличивать массу, дублируя множество функций. Тем не менее сделать стограммовый зонд можно уже сегодня.
Атом, атом и ещё раз атом
Если эта книга оказалась в руках фаната «мирного атома» и он до сих пор не бросил её читать, то самое время обсудить, не лучше ли забросить в космос атомную электростанцию и использовать для тех же целей?
Предвижу аргументы: из модульного атомного реактора можно получить лазерные комплексы и на 100 ГВт, тогда как солнечные батареи при настолько больших мощностях систем будут намного более материалоёмкими.
Не могу не согласиться, ведь немного выше я уже писал, что киловатт мощностей солнечных батарей сейчас имеет массу никак не меньше 6–7 кг, то есть десять мегаватт такой мощности будут весить не меньше 70 т. Атомный реактор совершенно точно будет иметь бóльшую удельную отдачу… на Земле.
Напомню, что в космосе очень сложно рассеивать избыточное тепло от источника энергии. Для 10МВт-ного атомного реактора понадобятся радиаторы площадью не менее 1 000 м2, которые, в свою очередь, потребуется укрыть защитным экраном от солнечных лучей, которые будут мешать нормальному охлаждению. Так значительно увеличивается масса конструкции и ухудшается отказоустойчивость всей системы, ведь даже одна вышедшая из строя пластина может привести к остановке реактора, чтобы активная зона не перегрелась.
Более того, чтобы радиатор отводил тепло от реактора, придётся держать нагретыми внешние стенки последнего, что, по сути, сделает весь реактор радиатором охлаждения. При этом лазерные установки тоже нуждаются в системе охлаждения, а их радиаторы будут находиться рядом с компактными и докрасна раскалёнными радиаторами питающих их реакторов. Мягко говоря, нестабильная система. Тут можно поступить, как с изотопными источниками энергии космических аппаратов, – разместить реактор, скажем, на километровой штанге, прокинуть по ней кабель (который, к слову, тоже потребуется охлаждать), но так мы только усложним систему и сделаем её дороже.
Солнечная же электростанция представляет собой модульную конструкцию, которая в сумме даёт те самые 10 МВт. Не развернулась или вышла из строя одна – просто отправляем новую на замену. Радиаторы охлаждения уже интегрированы в каждую солнечную батарею, так как обратная сторона каждого фотоэлемента активно излучает в ИК-диапазоне, охлаждая устройство.
Подводя промежуточный итог, можно сказать, что для орбитальных солнечных электростанций вполне вырисовывается неплохое будущее. Дело за развитием соответствующих технологий. Есть смысл кратко пройтись ещё по паре интересных технологий ближайшего будущего, которые определённо смогут найти своё место в деле освоения человеком космического пространства.
Энергия из дождя и воздуха
Не так давно был обнаружен микроорганизм, принадлежащий к семейству Geobacter. Он обладает способностью создавать проводящие электричество белковые нанопровода толщиной всего 7 микрометров (Yang Tan, 2016). Устройство, получившее название Air-gen, состоит из тонких плёнок, сотканных из этих нанопроводов и расположенных между двумя электродами, подвешенными в воздухе. Плёнка адсорбирует пары воды, которая присутствует в атмосфере. Благодаря градиенту влажности, создаваемому диффузией протонов в нанопроводах, между электродами генерируется ток. Буквально из воздуха и 24 часа в сутки!
Та самая анаэробная бактерия – Geobacter
Air-gen вырабатывает постоянное напряжение около 0,5 В с плотностью тока около 17 мА на 1 см2. Конечно, это совсем немного, но речь идёт об очень маленьком устройстве, способном вырабатывать ток даже в пустыне.
Одно из направлений, которое хотят развивать учёные, – создание систем для электропитания домов с помощью такой нанопроволоки. Для этого предполагается встраивать её в краску для стен.
У биопроволоки есть целый ряд особенностей. Её проводимость в 2 000 раз превышает естественную. При этом она вдвое тоньше – 1,2–2,5 нм (то есть в 60 000 раз тоньше человеческого волоса). Это позволяет плотнее упаковать в оборудовании наибольшее число данных биопроводов. Помимо прочего, бионити не содержат токсичных веществ и обладают высокой прочностью. Так, на разработку способа их разрушения у учёных ушло несколько месяцев.
А вот специалисты из Гонконга смогли усовершенствовать капельный электрогенератор, повысив и его КПД, и удельную мощность в тысячу раз. Они применили политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон) в качестве плёнки на электроде из оксида индия и олова, отвечающем за генерацию, хранение и индукцию заряда, что позволило обойти проблему низкой плотности получаемого заряда.
Четыре ряда по 100 светодиодных лампочек, зажигаемых падением всего одной капли воды с высоты 15 см
Это изобретение позволяет получать из падающей всего с 15-сантиметровой высоты одной капли воды напряжение свыше 140 В. А энергии этого падения, по заявлению учёных, хватает для питания 100 небольших светодиодных ламп (Kong, 2020).
В итоге мгновенная удельная мощность генератора достигает 50,1 В/м2, что в тысячи раз больше, чем у аналогов. Она повышается за счёт преобразования кинетической энергии самой воды, которая в данном случае и бесплатная, и возобновляемая.
Природа, как обычно, сама подсказывает нам наилучшие решения по использованию её ресурсов – нужно лишь внимательнее смотреть. Если только что описанные технологии сегодня находятся в откровенно зачаточном состоянии и непонятно, что с ними будет дальше, то наиболее очевидный источник энергии при освоении космоса – это ядерная реакция.
Уже сертифицирован проект первого малого ядерного реактора
Опять же многие наверняка подумали про токамаки. Да, это направление более или менее развивается. Однако слишком непонятно, когда ждать в нём прорыва и ждать ли вообще. А вот небольшие модульные реакторы с момента их появления преподносят как средство избежать многих проблем, из-за которых строительство крупных атомных станций было чрезвычайно дорогостоящим.
Одно
