Загадки звездных островов. Книга 2 (сборник) - Виталий Севастьянов

Нью-йоркский журнал "Сайенс Дайджест" опубликовал следующий прогноз по поводу нитинола: "…Существует возможность, что еще до конца нынешнего века появится нитиноловая технология, нитиноловая промышленность, а кое-где, возможно, и нитиноловая экономика.

Грохот и рев века ископаемых топлив может смениться тихими всплесками, создаваемыми бесчисленными проволочками, рычагами, петлями, роликами, пружинами, лопастями, ребрами, ремнями и колесами, совершающими в миллионах двигателей непрерывное циклическое движение между теплой и холодной водой и извлекающими поток "чистой", безопасной и бесконечно восполняемой энергии благодаря силе, пульсирующей в кристаллической решетке удивительного сплава".

Не исключено, что нитиноловая электростанция будет и на космических кораблях. Почему бы не использовать на пользу перепад температур освещенного и теневого бортов космического аппарата, который составляет более ста градусов?

Есть еще один способ получения энергии с помощью Солнца, который, как считают ученые, в будущем очень перспективен. Это разложение воды на водород и кислород под действием солнечного света и соответствующих катализаторов. Водород хорошее топливо, причем топливо экологически чистое, не дающее вредных отходов. Можно извлечь водород из воды электролитически, то есть разлагая воду с помощью электрического тока, но это довольно дорого. Вся проблема получения водорода из воды с помощью солнечного света сводится к нахождению катализаторов. Работы в этом направлении начаты лишь в последние годы, но уже первые результаты выглядят довольно обнадеживающе. Ряд катализаторов для основных стадий разложения воды был недавно разработан в нашей стране в Институте химической физики АН СССР и Институте катализа Сибирского отделения АН СССР. Для этих же целей советскими учеными были предложены активные в фотосинтезе вещества, выделяемые из растений и бактерий.

Помимо экологической чистоты, другими важными достоинствами водородной энергетики являются, можно сказать, безграничные запасы воды — сырья для получения водорода — и удобство его транспортировки по трубопроводу (ученые считают, что затраты на транспортировку водорода на большие расстояния будут почти такими же, как и на передачу электрической энергии). С приходом водородной энергетики мы получим и экологически чистый автомобиль. Кстати, в разных городах нашей страны прошли успешные испытании обычные серийные автомобили, которые вместо бензина использовали водород. Ученые предполагают, что со временем водородная энергетика станет экономически выгодной для широкого применения.

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 гелиоэнергетики есть еще один недостаток, о котором мы уже упоминали и с которым в будущем придется считаться. Из-за малой плотности энергии солнечного потока под концентраторы или фотоэлементы придется отчуждать большие площади. Например, по расчетам ученых, для выработки всей потребляемой сегодня в нашей стране электроэнергии с помощью серийных промышленных полупроводниковых преобразователей с коэффициентом полезного действия, равным 10 процентам, понадобилось бы занять под солнечные электростанции около 10 тысяч квадратных километров в среднеазиатских районах. Но нужно учесть, что наземная солнечная энергетика не всепогодна, а потому надо будет иметь солнечные электростанции-дублеры, разнесенные друг относительно друга на значительные расстояния. Кроме того, потребности в энергетике непрерывно растут, и, следовательно, придется увеличивать площадь отчужденных земель и именно 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 перемешаться с такой же угловой скоростью, с какой вращается наша Земля вокруг своей оси, и потому для земного наблюдателя он будет казаться неподвижным. Свойство это оказалось очень полезным особенно 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 рабочую вахту на стационарной орбите. Правда, выводить космические аппараты на эту 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" или многотонных "Лун".

Для солнечных электростанций, размещенных на стационарной орбите, Солнце будет сиять все 24 часа в сутки на протяжении почти всего года. Исключения 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 затенения приведут к снижению солнечной энергии, получаемой станцией, всего на один процент. К тому же эти затенения придутся на время, когда в районе наземного приемного пункта, куда будет передаваться с орбиты преобразованная энергия Солнца, будет полночь, а следовательно, и потребность в энергии минимальна.

Если на стационарной орбите будет находиться несколько электростанций, они будут тоже затенять друг друга. Но время "затмения" 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 лучше всего. Кроме того, эта орбита довольно емкая: на ней можно разместить большое число станций, не опасаясь, что они столкнутся. Например, если на стационарной орбите равномерно расположить 300 станций, то на каждую пришелся бы 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.

При теплоэлектрическом преобразовании поток солнечной энергии фокусируется зеркалами на полом поглотителе и нагревает циркулирующий внутри его газ, например гелий, который вращает турбину и связанный с ним электрогенератор. Чтобы направить солнечное излучение внутрь полого поглотителя, понадобятся десятки тысяч отражающих зеркал с независимой регулировкой каждого из них. Такой оптической системой нужно будет непрерывно управлять, поддерживая неизменной необходимую геометрию при наличии пусть крошечных, но все-таки влияющих в невесомости неоднородностей гравитационного поля, перепадов температуры в элементах конструкции и сил, возникающих при управлении пространственной ориентацией.

Вывести, собрать на геосинхронной орбите такую конструкцию и эксплуатировать ее, поддерживая постоянно требуемую геометрическую конфигурацию в течение десятилетий, будет непросто. Кроме того, необходимо обеспечить и высокую надежность турбин: ведь ремонт в космосе дело сложное и дорогое. В целом, хотя турботепловой способ преобразования основывается на хорошо известных принципах термодинамики, чтобы реализовать его, предстоит решить немало серьезных научно-технических проблем.

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. При пиковых нагрузках, когда работали энергоемкие потребители — например бортовой субмиллиметровый телескоп или компрессоры в системе дозаправки топливом, то солнечные и аккумуляторные батареи "трудились" совместно. Обычно всем потребителям станции достаточно было около 1,5 киловатта энергии. Остаток шел на подзарядку батарей.