Необходимость и возможность создания глобальной космической энергопроизводственной системы (ГКЭПС)

Евдокимов К.В. (МАИ, Россия)

Латышев Л.А. (МАИ, Россия)

Семашко Н.Н. (РНЦ «Курчатовский инсититут», Россия)

Уже в середине прошлого века появились опасения, что ископаемые энергетические ресурсы Земли не безграничны и надо искать альтернативные энергосберегающие пути развития человечество.

Авторы настоящего доклада в последние десятилетия изучают этот вопрос и пришли к выводу, что в перспективе на нашей планете энергопроизводство придется ограничивать в силу двух основных причин:

- истощение природных ресурсов энергоносителей;

- повышение температуры атмосферы вследствие возрастающего тепловыделения при ограничении сброса тепла в космос из-за парникового эффекта трехатомных газов [1].

Несмотря на истощение горючих полезных ископаемых, население во всех странах потребляет энергию во все возрастающих объемах. Часть этой энергии расходуется в промышленности, часть на транспорте и на коммунальные нужды. Как и следовало ожидать, потребление энергии на каждого жителя Земли определяет уровень производства валового продукта. На рис. 1 показан уровень расхода энергии в различных странах в пересчете на одного жителя и ВВП приходящийся на такого среднестатистического человека [2]. Видно, что с ростом энергопотребления растет и ВВП (исключение, к сожалению составляет Россия в годы перестройки). Если учесть демографические прогнозы, то к 2100 году численность населения Земли приблизится к 10¹⁰ человек, и, по-видимому, каждый из них будет нуждаться в мощности ~ 10 кВт, т.е. суммарное энергопотребление планеты может достигнуть 10¹¹ кВт. Эта величина является критической по экологическим ограничениям, поскольку такое энерговыделение составляет ~ 0,1% от всей энергии, получаемой Землей от Солнца – 10¹⁴ кВт .

На рис. 2 показан год развития энергопроизводства всем человечеством за последние два века. Видно, что во второй половине ХХI века может наступить жесткое экологическое ограничение на дальнейший рост выделения энергии (особенно тепла), углекислого газа и паров воды. Уже сейчас такие эффекты становятся заметными в глобальном масштабе: рост температуры атмосферы, таяние ледников, ограничения в строительстве электростанций и промышленных объектов.

Существует несколько сценариев дальнейшего развития энергопроизводства на Земле и способов выживания человечества в целом.

Во-первых, необходимо существенно ограничить энергопотребление на Земле, сведя его, как это сейчас пытаются сделать в некоторых странах Западной Европы, до 6…8 кВт/чел. Такой режим экономии «космического полета» позволит сохранить достаточным прожиточный уровень всему человечеству.

Во-вторых, основное энергопроизводство и промышленное энергопотребление желательно перевести в околоземное космическое пространство, где нет существенных экологических ограничений на объемы вырабатываемой и преобразуемой энергии.

Полагают, что в космосе в промышленных масштабах можно использовать три вида источников энергии: солнечную, ядерную деления и термоядерную.

Солнечная энергия в настоящее время является основной для большинства космических аппаратов (КА). Относительная простота устройства преобразователей солнечного излучения в электрическую энергию является неоспоримым достоинством их широкого применения. Уже достигнуты достаточно высокие характеристики космических солнечных энергетических установок. Однако есть и ряд ограничений сдерживающих их использование. Это, во-первых, сравнительно невысокие предельные мощности, что приводит к чрезмерному росту размеров и массы самих солнечных батарей. Во-вторых, желательное повышение КПД преобразователей вызывает существенный рост их стоимости, поэтому в ближайшие десятилетия можно ожидать, что КПД таких устройств будет лежать в пределах 10…20%.

Есть еще одно направление использования солнечной энергии – применение мощных СЭУ для передачи с помощью СВЧ излучения на поверхность Земли значительных электрических мощностей. Однако этот путь не может стать базовым для всей Земной энергетики, поскольку любая энергия в конце концов переходит в теплоту, что ведет в экологический тупик.

Ядерная энергия деления на ряде КА начиная с 70-х годов прошлого столетия ЯЭУ различных типов с мощностью несколько кВт и ресурсом в тысячи часов показали свою работоспособность, что позволяет надеяться на реализацию установок такого типа с мощностью до нескольких сотен кВт. Такие мощности достаточны для первых полетов к Марсу и другим планетам Солнечной системы и, конечно, могут быть использованы в промышленных целях на КА или лунных базах. Принципиальная возможность создания больших блоков (до десятков МВт) при их относительной компактности и большой длительности эксплуатации вызывает большой интерес у разработчиков космических энергосистем будущего. Однако до настоящего времени остаются не решенными вопросы связанные собственной и наведенной радиоактивностью таких систем.

Повышение толщины защиты или увод реактора на значительное расстояние от КА приводят к усложнению схемных решений мощных Космических ЯЭУ. Менее доступным в настоящее время, но зато более перспективным является возможность использования энергии термоядерного синтеза. Несмотря на решение ряда физических и технических аспектов отдельных сторон этой проблемы, вопрос пока не перешел в практическую плоскость.

Создание термоядерных реакторов на ³Не позволит получать колоссальные мощности, которые с помощью СВЧ излучения будут передаваться на производственное преобразование кинетической энергии в электрическую путем торможения потока горячей плазмы. Относительная простота конструкции, малая радиоактивность таких устройств, небольшие запасы рабочего тела усиливают интерес ученых и инженеров к практическому решению этой гигантской проблемы.

Серьезным вопросом при создании ГКЭПС остаются источники материалов для строительства КА с массами в тысячи и десятки тысяч тонн, доставка рабочего тела на КЭС, организация потоков полуфабрикатов и готовой продукции из космоса на Землю и между самими КА. Вопрос этот остается пока открытым, но, очевидно, что наиболее важные материалы могут быть взяты с различных космических тел (Луна, астероиды, спутники планет). Первичная обработка, по-видимому, будет производиться или непосредственно на космических телах, или транспортироваться на орбиты близкие к околоземным.

По-видимому, наиболее рационально основные объекты ГКЭПС расположить в областях космического пространства близких к точкам либрации F₄ и F₅ системы Земля-Луна. Эти области протяженностью в десятки тысяч км позволят разместить в них подавляющее большинство, как космических электростанций, так и производственных аппаратов, что позволит сократить протяженность промежуточных транспортных потоков.

В настоящее время не найдено однозначных научно-технических решений о сырьевом снабжении ГКЭПС, однако отдельные предложения отечественных и зарубежных организаций заслуживают внимания и более глубокой проработки.

Хотя вопрос о необходимости создания ГКЭПС остается пока открытым, многие научно-технические решения, которые необходимы для ее реализации, уже в той или иной мере находят свое практическое применение.

Создание и существование ряда объектов ГКЭПС невозможно без широкого использования различных электроракетных двигателей (ЭРД). В настоящее время большинство КА имеют на борту ЭРД, которые позволяют проводить коррекцию и ориентацию КА или реализовать маршевые задачи перелета. Преимущества ЭРД по сравнению с тепловыми ракетными двигателями заключаются в том, что за счет больших скоростей истечения (ω_а>10⁴м/с) необходимый запас рабочего тела существенно снижается, что позволяет увеличить полезную нагрузку и ресурс работы КА. Сейчас уровень тяги ЭРД ограничен возможностями КЭУ, но по мере развития КЭУ будут расти и показатели ЭРД.

Одним из факторов способствующих успешному развитию ГКЭПС, является решение проблемы преобразования энергии плазмы термоядерных реакторов в электрическую энергию. В различных организациях проводятся опыты по созданию таких устройств, КПД уже сейчас достигает 60%. На рис.3 показаны вольтамперные характеристики ПЭКЭ, снятые несколько лет назад в МАИ и ИАЭ на плазменных потоках ограниченной мощности видно, что за сравнительно короткий срок удалось увеличить КПД в несколько раз.

В ряде организаций ведутся разработки мощных генераторов СВЧ-излучения и приемников. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что возможно создание излучающих систем высокой направленности и энергетической эффективности. Однако дополнительные эффекты излучающих систем приводят к недопустимо высокой локальной концентрации излучения (рис. 4). По-видимому, в дальнейшем, придется применять специальные меры для предотвращения влияния мощных СВЧ-потоков на информационные потоки в космическом пространстве.

Нельзя не упомянуть об одном из важных достоинств получаемых от реализации ГКЭПС. Дело в том, что в условиях полета современных орбитальных КА невозможно получить микрогравитацию менее, чем 10^-6 g. Однако даже столь незначительные ускорения воздают условия для перемещения межкристаллитных дислокаций, роста неравномерности распределения компонентов в новых материалах, что ухудшает их планируемые свойства. Одним из путей решения проблемы создания КА с микрогравитацией ниже 10^-7g может стать использование ЭРД с регулируемой тягой, которые способны создавать воздействие на КА, компенсирующие воздействие внешних и внутренних сил, создавая тем самым условия при которых снижается уровень микрогравитации. Опыты, проведенные в МАИ, показали возможность таких операций, а в РКК «Энергия» совместно с МАИ начата разработка на базе КА «Прогресс» специального автономного КА с пониженным уровнем микрогравитации [3] (см. рис. 5).

Огромный объем работ, который предстоит выполнить человечеству в этом направлении в ближайшие десятилетия, потребует единого плана работ и финансирования, но, по-видимому, другого пути для выживания человечества нет.

Основанием для оптимизма при решении этой проблемы является насущная необходимость таких работ и уже достигнутые отдельные решения в базовых проблемах создания ГКЭПС.

По-видимому, эти гигантские затраты всего человечества будут постепенно окупаться по мере развития космических технологий и цивилизация вступит в ХХI век, имея прочную энергопроизводственную базу.

Список литературы.

1. Демирчан К.С. и другие. Сценарий опасных изменений климата // изд. РАН, серия «Энергетика»,

2003, №4.

2. Управление риском, (под редакцией И.М.Макарова), - М.: Наука, 2000. – 431 с.

3. L. Latyshev, N. Semashko. Ecological to the Energy Trasform the Outer Space to Earth. IEEE Aerospace and

Electronic Systems Magazine, 1997, September, V. 12, № 9.