Лидерство России в создании промышленных лазерных космических солнечных электростанций для трансляции электроэнергии на Землю

Необходимость создания космических солнечных электростанций (КСЭС) связана с ростом цен на традиционные энергоносители и ущербом от природных катаклизмов (366 миллиардов долларов по данным ООН в 2011 г.), обусловленных техногенным воздействием традиционной энергетики на окружающую среду [1,2]. В новых экономических условиях направление создания КСЭС может определять темп развития космической техники и содействовать модернизации и инновационному развитию России, способствовать решению социальных и политических задач, а также обеспечивать энергетическую, экологическую и оборонную безопасность страны.
Создание научных основ беспроводной передачи энергии на расстояние и её элементной базы восходит к работам Николы Тесла и Петра Капицы.

Известные концепции КСЭС предусматривают использование полупроводниковых фотопреобразователей солнечной энергии в электроэнергию, располагаемых на геостационарной или иной орбите перпендикулярно солнечным лучам. Собранная по площади всех фотопреобразователей электроэнергия преобразуется в СВЧ или лазерный сигнал различного диапазона длин волн, не поглощаемый на пути из космоса на Землю и передаваемый на наземную приёмную антенну (ректенну).

Первый инженерный проект КСЭС был разработан Глейзером в 1968 г. в США [3]. В проекте была показана целесообразность создания энергетического объекта в космосе на мощность порядка 10 ГВт (потребность среднего региона) и передачи электроэнергии на Землю в СВЧ-диапазоне (рис. 1). Космическая электростанция Глейзера представляла собой платформу размером 5 х 13 км массой 12,3 тысяч тонн с фотопреобразователями из кристаллического кремния с КПД 13,7%, передающую энергию 5 ГВт с геостационарной орбиты на Землю СВЧ-лучом.

Рис.1. КСЭС Глейзера (1968 г.)

Анализ возможности практической реализации проекта выявил необходимость решения следующих наиболее сложных технических проблем:
- создание специальных средств экономичного вывода грузов огромной суммарной массы (десятки тысяч тонн) на орбиту;
- монтаж многокилометровых конструкций в космосе с невозможностью наземной отработки технологии сборки в условиях невесомости;
- обеспечение передачи большой электрической мощности от фотопреобразователей к СВЧ-преобразователю по тоководам (конструкция, большая масса кабелей);
- низкий КПД фотопреобразователей;
- охлаждение мощных электронных СВЧ-преобразователей в безвоздушном простанстве;
- обеспечение слежения фотоприемников за направлением на Солнце (конструкции с использованием топлива или тяжёлого гироскопа);
- обеспечение точной фокусировки СВЧ-излучателя на наземную ректенну.

Очевидно, что техника не была готова к решению указанных проблем, к тому же в то время еще не сформировалось острой социальной потребности общества в их решении. Тем не менее, проект Глейзера инициировал исследования и разработки во многих ведущих странах направленные на повышение эффективности и снижение стоимости КСЭС [4-6]. Совершенствование схемы КСЭС шло по пути увеличения концентрации излучения и значительного уменьшения каркасной рамы солнечной батареи, а также изменения компоновки с целью исключения из конструкции громоздких тоководов. Обзор проектов КСЭС до 2007 г., а также состояния разработки ключевых элементов приведён в работе [7].

10 октября 2007 г. Пентагон вышел с новой концепцией КСЭС (рис. 2), представляющей собой 5-километровую конструкцию, в которой 2 группы параболических зеркал через поворотные зеркала концентрируют солнечное излучение на высокотемпературные фотопреобразователи из арсенида галлия с КПД 35%, конструктивно объединенные с СВЧ-преобразователем и антенной, транслирующей СВЧ-энергию на Землю [8]. Следует отметить, что приводимая на рис. 2 конструктивная концепция (сэндвич и концентраторы) была предложена японскими специалистами в 1996 г.

Новая концепция КСЭС позволяет уменьшить площадь дорогих фотопреобразователей и исключает использование тяжелых многокилометровых кабельных тоководов. Вместе с тем эта концепция не предлагает решений проблем монтажа многокилометровых конструкций в космосе, вывода тысяч тонн грузов на геостационарную орбиту и создает новые проблемы по обеспечению управления гигантскими концентраторами солнечного излучения с точностью их наведения на фотоэлектрическую «мишень» не менее ±1,5о.

Рис. 2. КСЭС по программе Пентагона (2007 г.)

Американская корпорация Solaren объявила о намерении создать КСЭС массой 10 тысяч тонн по вышеуказанной схеме на мощность 1 ГВт к 2016 г. со стоимостью электроэнергии в два раза ниже её стоимости на тепловых станциях [9]. Сообщается о заинтересованности Китая в предложениях Solaren и якобы заключенных соглашениях о покупке электроэнергии от КСЭС компанией Pasific Gas and Electric, начиная с 2016 г., и участии в разработке таких крупнейших корпораций и научных центров, как Локхид-Мартин, Боинг, JPL, Центр Маршала, Центр Глена, а также некоторых крупных университетов, для начала создания рынка «космического электричества». Китай намерен участвовать в этом рынке.

Можно усомниться в реальности такого сценария, поскольку мы невольно судим об «успехах» космической техники по её сегодняшнему состоянию в нашей стране. Однако следует напомнить, что американцы ещё в 1969 г. ходили по Луне. Их промышленный потенциал приближается к потенциалу всех других стран, вместе взятых. Имеются корпорации с численностью сотрудников до 200 тысяч. Для сравнения, численность одной из крупнейших наших корпораций РКК «Энергия» в 80-е годы составляла 20 тысяч (вместе с заводом экспериментального машиностроения).

Министерство обороны США рассматривало вопросы создания системы КСЭС мощностью 10 МВт и стоимостью 10 млрд долларов для обеспечения зон передового базирования и областей, пострадавших от стихийных бедствий. Для её развёртывания предполагается использовать ракеты тяжёлого класса типа «Дельта-4» и Falkon-9 [10].

Энергетика является основой развития цивилизации, и в неё в мире вложены наибольшие средства (около 6 триллионов долларов). Сейчас энергетика находится в кризисном состоянии. Потенциальные доходы на новом рынке «космического электричества» огромны. Американцы это прекрасно понимают. Кроме того, ещё администрация президента Буша поставила задачу независимости страны от импорта нефти. Настоящее время является началом нового этапа электрификации не всей России, как было при В.И.Ленине в 20-х годах прошлого века, а всего мира.

По интернет-сообщению ИТАР-ТАСС от 23.01.2011 г. группа японских корпораций во главе с Mitsubishi Corporation планирует построить КСЭС гигаваттного уровня к 2025 г. в рамках проекта Solarbird. Общая стоимость КСЭС оценивается в 24 миллиарда долларов. Предполагается, что стоимость вырабатываемого «космического электричества» будет в 6 раз дешевле, чем на японских наземных электростанциях. КСЭС состоит из 100 модулей мощностью по 2,5 МВт, размером генерирующей и излучающей платформы 100м х 95м, подвешенной на тросах длиной 10 км к контейнеру размером 10 х 15 м. Используется гравитационная стабилизация. Общий вид единичного японского модуля представлен на рис.3. Аварии одновременно на 3-х атомных электростанциях в 2011 г. создали общественное и правительственное отрицательное отношение к атомной энергетике в целом и большое внимание к солнечной энергетике. С большой вероятностью сроки создания КСЭС могут быть сдвинуты на более ранние.

Рис.3. Модуль японской КСЭС

Густонаселённая страна практически без природных ресурсов показывает миру выдающиеся примеры выживания. Выходя на улицу, мы ежедневно видим прекрасные японские тойоты, митсубиси, субару, хонды, напрочь вытеснившие автомобили российского автопрома. На рабочих местах у всех японские компьютеры и множительная техника, давно и прочно вошедшие в жизнь каждого. Сотовые японские телефоны совершили революцию в средствах связи страны. Научно-технический прогресс нельзя остановить.

Теперь представим себе, что такими же темпами японское и американское «космическое электричество» захватит наш рынок. Вы приходите на рынок за востребованным товаром, и Вам он предлагается по цене в 6 раз дешевле, чем традиционно. Ваш выбор однозначен.

Первые участники такого рынка, в перспективе значительного подорожания традиционного электричества, будут иметь максимальную прибыль, а традиционные энергоносители (нефть, газ, уголь, уран и др.) начнут обесцениваться. Нефтяные и газопроводы, активно прокладываемые за громадные деньги сейчас по суше и дну морей, больше не будут востребованы.

Страны арабского нефтедобывающего востока при обесценивании нефти начнут интенсивно вкладывать накопленные годами средства в инфраструктуры других стран, и в большой мере в Россию, что опасно негативной зависимостью. В ряде стран, например, в Японии, жёстко контролируется импорт и экспорт капитала и миграция населения. В России, если не принять соответствующих мер, сферы торговли, гостиниц, развлечений и ряд других могут найти новых хозяев. Автомобильный транспорт перейдёт на электромобили.

Для России встаёт перспектива обесценивания её природных энергетических ресурсов, на добыче которых сейчас во многом строится её политика и экономика, однако она может если не возглавить, то идти в ногу с участниками процесса образования рынка «космического электричества», активно инициируемого в США и Японии.

В США, Японии, а также нашей стране с 90-х годов прошлого века в качестве основной была принята СВЧ-концепция передачи и приёма энергии. Однако в последние годы в мире резко возрос интерес к КСЭС с лазерным каналом передачи энергии в связи с успешным развитием инфракрасных полупроводниковых лазеров и особенно волоконных лазеров. Основные параметры тракта передачи энергии как для СВЧ, так и лазерного канала связаны выражением [7]:

где Rr и Rt соответственно радиусы приёмной и передающей антенны, H - расстояние между ними, γ - длина волны, параметр t = 2 .

Из выражения для t следует, что при уменьшении длины волны с 10 см у СВЧ диапазона до 1 микрона (10-6 м) у лазерного диапазона соответственно на 5 порядков уменьшаются площади приёмной и передающей антенн.
Малая расходимость (V =10-6 радиана) лазерного луча даёт с геостационарной орбиты (H = 36000км) диаметр пятна на Земле D =V H =10-6•3,6•107 =36 м и 20км в СВЧ-диапазоне.

Инфракрасные твёрдотельные лазеры дают ряд существенных преимуществ перед СВЧ-системами, а именно [11]:
- КПД преобразования электроэнергии в инфракрасный лазерный сигнал доходит до 80%;
- значительно меньшая расходимость лазерного луча (10-6 радиана) по сравнению с СВЧ сигналом даёт на 5 порядков меньшую площадь передающих и приёмных систем, при этом использование излучения волоконных лазеров дает высокое качество пучка;
- реальные достижения в миниатюризации элементной базы (по световоду диаметром 250 микрон передаётся световая мощность 50 кВт);
- сроки службы волоконных лазеров достигают 50.000-100.000 часов;
- низковольтное питание системы накачки лазеров;
- использование наземных фотоприемных систем в двойном использовании источников (лазерное и солнечное излучение);
- из-за малой площади приёма появляется возможность энергоснабжения высокоширотных регионов России, Канады, Гренландии и других островов в северных широтах, а также Антарктиды от КСЭС, находящейся на геостационарной орбите.

Экологическая опасность лазерной КСЭС значительно меньше по сравнению с СВЧ-способом по следующим обстоятельствам:
- меньшее экологическое и биологическое воздействие, поскольку СВЧ-луч греет по объёму, в то время как ИК-луч греет только по поверхности;
- локальность приёма энергии, на 5 порядков меньшая площадь приёма;
- при аэростатном приёме возможен выбор длины волны, интенсивно поглощающейся на компонентах нижних слоёв атмосферы (например, 1,3 мкм);
- принципиальная возможность расфокусировки лазерного луча до любого требуемого уровня.

Российские производители в направлении волоконных лазеров сейчас занимают ведущие позиции в мире («ИРЭ Полюс», г. Фрязино).

Энергетический луч от КСЭС близок в высокоширотных районах к параллели к поверхности Земли. Для приёма СВЧ энергии создание стены высотой 20 километров или привязного аэростата аналогичного размера нереально. Использование ретранслятора значительно усложняет систему.

В лазерной концепции проблема высокоширотного приёма энергии может быть решена путём создания требуемой по площади приёмной системы на стене высотного сооружения (стена дома в 30 этажей) или созданием привязного аэростата с боковым приёмом энергии.

Имеются реальные возможности обойти американцев и японцев, которые исторически пошли по пути использования СВЧ преобразования, которое сегодня представляется значительно менее эффективным, чем лазерное. Также их разработки базируются на многокилометровых каркасных конструкциях, значительно менее эффективных, чем бескаркасные центробежные, опыт создания которых имеется только в России.

Преимуществами центробежных бескаркасных конструкций над каркасными аналогами являются [2]:
- отсутствие жёсткого каркаса, составляющего до 50% от стоимости всей КСЭС (стоимость разработки, изготовления и отработки на Земле, вывода на орбиту и орбитальной сборки);
- возможность переориентации (слежения за Солнцем) на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела, поскольку сама центробежная система является тяжёлым гироскопом;
- возможность укладки в малый объём при транспортировке;
- имеется возможность эффективной наземной отработки и автоматизированного развёртывания на орбите;
- имеется уникальный отечественный опыт наземной и орбитальной отработки (космический эксперимент «Знамя 2», рис.4).

Рис.4. Российский космический эксперимент «Знамя 2»

Ещё 04.02.1993 на транспортно-грузовом корабле «Прогресс» в непосредственной близости к орбитальной станции «МИР» была развёрнута центробежная плёночная конструкция диаметром 20 м для исследования динамики раскрытия из уложенного состояния и переориентации в пространстве, а также набору опыта создания аналогичных конструкций [2,12].

Возможны две концепции создания центробежных КСЭС с лазерным каналом:
– бескаркасные центробежные солнечные батареи запитывают распределённые по их поверхности твёрдотельные ИК лазеры, передающие далее энергию по световодам к общему центру и далее к потребителю (рис.5);
– только центробежные волоконные лазеры с солнечной накачкой.

Рис.5. Центробежная КСЭС

По первой концепции есть уже сейчас все предпосылки для создания КСЭС.

По второй концепции, которая с инженерной точки зрения более красива и привлекательна своей простотой, нет проработок волоконных лазеров с солнечной накачкой. Но и не было такой потребности. Директор Центра волоконной оптики академик Е.М.Дианов уже озадачен проблемой. Зарубежные исследователи также видят большие перспективы этого направления [13].

Интересно отметить, что агрегаты раскрытия центробежных космических бескаркасных конструкций под всевозможные задачи в проектно-конструкторском плане уже разработаны [2].

Солнечные энергетические и энергодвигательные установки являются ключевым элементом космических средств нового поколения высокой энерговооруженности. Известен лозунг «Кто имеет энергию в космосе – тот владеет космосом».

Ниже приведены перспективные задачи космической техники, которые можно эффективно решить с использованием технологий, которые будут разработаны для КСЭС.

Задачи	Мощность, кВт
Высокопериодический радиолокационный контроль объектов на земной поверхности, в воздушном и космическом пространстве Глобальные системы связи высокой производительности Создание долговременной лунной базы   Промышленное производство в космосе	50-500
Межорбитальные буксиры Освоение лунных сырьевых ресурсов Очистка околоземного пространства от космического мусора	500-5000
Межорбитальная транспортировка целевых грузов в межпланетной зоне Пилотируемые полеты на Марс Защита земли от астероидной опасности	5000-25000

Применение солнечных энергоустановок может обеспечить:
• КСЭС до 10ГВт (две Братские ГЭС) для трансляции энергии на Землю;
• Высокий уровень электроснабжения перспективных космических средств (сотни киловатт - гигаватты);
• Высокую тяговую эффективность двигательного режима (применение электроракетных двигателей большой мощности);
• Возможность создания высокоэффективных межорбитальных транспортных средств для реализации масштабных космических проектов (пилотируемые полеты на Марс, изучение и освоение Луны и др.);
• Возможность создания КА специального назначения (с высокой энерговооруженностью) для решения задач в интересах обороны и безопасности;
• Эффективное энергообеспечение долговременных лунных (марсианских) баз-станций (электроснабжение жилых модулей, научных и производственных комплексов с КСЭС, расположенных на орбитах вокруг этих космических тел).

Создание КСЭС решает одновременно две проблемы:
- проблему глобального энергетического кризиса, поскольку Солнце является практически бесконечным по мощности и времени существования природным источником энергии;
- проблему экологических и климатических последствий воздействия сегодняшней энергетики на окружающую среду.

По сравнению с ядерными космическими энергетическими установками при высоком уровне мощности (МВт – ГВт и более) солнечные энергоустановки имеют существенные преимущества по:
- простоте конструкции (не имеют высокотемпературных контуров, делящегося урана, экологически чисты, не несут катастрофических последствий при аварии, допускают ремонт в процессе эксплуатации, не требуют захоронения, не имеют экологически вредной наземной инфраструктуры);
- стоимостным характеристикам при крупномасштабном производстве;
- в 3-5 раз лучше по удельным (Вт/кг) характеристикам;
- в перспективе развития нанотехнологий имеют большие перспективы к совершенствованию.

Для России открывается возможность путем создания КСЭС с лазерным каналом передачи энергии от бескаркасных центробежных солнечных батарей или центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой (что перспективнее) занять лидирующее место в мировом процессе разработки промышленных КСЭС. Назрела незамедлительная необходимость создания аэрокосмического кластера, объединяющего предприятия электронной и космической промышленности с учебными и научно-исследовательскими институтами на решение проблем создания лазерной КСЭС.

Литература:

1. Райкунов Г.Г., Сенкевич В.П., Мельников В.М., Комков В.А., Добрачев Ю.П. Влияние на погоду космическими средствами// Конверсия в машиностроении. - 2003. - N 2. - С.9-13.

2. Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009.- 447с.

3. Glaser P.F. Power from the Sun: its future// Science. - 1968. - vol.168. - Nov. - Р.857-861.

4. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. - М. Наука, 1984. - 216с.

5. Бурдаков В.П. Электроэнергия из космоса. - М.- Машиностроение, 1991. - 152с.

6. Ванке В.А. СВЧ-электроника – перспективы в космической энергетике // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2007. - №6. - С.12-15.

7. Ванке В.А., Лопухин В.М., Савин В.Л. Проблемы солнечных космических электростанций//Успе