Глава 21. Космические энергосистемы

Одно из возможных направлений развития космических работ в интересах обеспечения насущных нужд человечества – создание солнечных орбитальных электростанций для снабжения энергией наземных потребителей. Солнечную энергию можно преобразовать в электрическую разными способами. Но наиболее простой и естественный для нашего случая – использование полупроводниковых преобразователей солнечного светового излучения в электрический ток, т. е. использование солнечных батарей. В качестве преобразователей обычно используются кремниевые элементы – тонкие, небольшого размера пластинки, при попадании на которые солнечного света в результате фотоэффекта возникает разность потенциалов.

К. П. Феоктистов.

Солнечные орбитальные электростанции

Нерешенная задача космонавтики в создании космической гелиоэнергетики тесно связана с перспективными проектами солнечных орбитальных электростанций, снабжающих не только орбитальные комплексы и космические аппараты, но и транспортирующие энергию на земную поверхность. Наиболее простой вариант включает преобразование солнечной электроэнергии в узконаправленное радиоизлучение, поступающее на земную приемную антенну. Принятая энергия превращается обратно в электричество и вливается в единую энергосеть. Для оптимальной связи понадобятся геостационарные орбитальные электростанции, обеспечивающие непрерывные кратчайшие каналы сброса энергии на земные приемные системы.

Здесь главной нерешенной задачей остается создание гигантских конструкций солнечных батарей, которые бы легко транспортировались и разворачивались в космосе. Для передачи энергии на Землю также потребуются очень массивные антенны с площадью излучающей поверхности в несколько квадратных километров, то же касается и земных приемных комплексов. Некоторые проекты космических энергосистем предполагают их разворачивание прямо на орбите со сборкой и даже изготовлением соответствующих элементов блоков-панелей.

Есть, конечно, и много других проектов космических энергосистем: атомного, термоядерного, термоэлектрического и электро-ионосферного типов. Есть и иные схемы энергетических каналов, включающие светоядерные системы с ядерно-активной плазменной средой, в виде рабочего тела сверхмощных лазеров. Луч лазера вместо пока СВЧ-радиоволн позволит избежать трудностей преобразования гигантских мощностей электроэнергии в радиоизлучение с многокилометровыми антеннами-излучателями и приемниками.

Солнечные батареи МКС

Сама по себе идея разворачивания космических энергосистем привлекательна прежде всего созданием экологически чистой энергетики. Вынос энергетического производства за границы земной атмосферы представляет собой не только план экологического спасения окружающей среды от теплового и газового загрязнения, но и в принципе является эффективным путем преодоления будущего энергетического кризиса.

С нерешенными задачами создания орбитальных комплексов и энергосистем тесно связан вопрос размещения в космосе автоматических заводов. Дело в том, что невесомость и глубокий вакуум могут быть уникальными факторами при производстве сверхчистых веществ, химических препаратов и материалов, нужных в современной промышленной медицине.

Практически полное отсутствие гравитации и давления на высотах в несколько сотен километров позволяют исключить при сепарации и кристаллизации влияние конвекции компонентов сложных смесей под действием силы тяжести, что резко снижает скорость кристаллизационного дефектообразования. Уже выполненные экспериментальные работы на орбитальных станциях, пилотируемых и автоматических космических аппаратах по исследованию эффективности различных технологических процессов на орбите, показывают на улучшение качества процессов в условиях невесомости.

Особенно перспективным представляется космическое производство с технологическими процессами, связанными с очисткой биологических препаратов на всякого рода электрофоретических установках для фармацевтической промышленности, с выращиванием монокристаллических материалов для электронной промышленности и нанотехнологий. При этом уже первые опыты показали существенное увеличение чистоты и относительной массы на выходе конечных продуктов, таких как оптостекловолокно для волоконной оптики, которое при орбитальном производстве может оказаться намного более качественным, экономичным, чем на Земле.

Между тем действительность иногда превосходит всякую фантастику, и это наглядно показывают исследования заведующего лабораторией «Гибридные наноструктурные материалы» Московского института стали и сплавов профессора Ю. З. Эстрина.

Профессор утверждает, что разрабатываемые им гибридные наноструктуры не будут ломаться даже от нескольких повреждений. Они хорошо бы подошли для дальних космических полетов и строительства инопланетных баз. При этом их можно будет использовать и для облицовки космических аппаратов, и для монтажа космических домов. Для крепления самозацепляющих блоков не потребуется связывающий водный раствор, поэтому они будут особенно популярны в будущих марсианских городах.

На Луне здания можно будет строить прямо из тамошнего грунта – реголита. Сейчас в московской лаборатории Эстрина разрабатываются технологии спекания грунта и формирования блоков с нужной геометрией. Модуль из таких блоков по расчетам сможет выдержать даже ливень из метеоритов.

На Земле гибридные материалы будут широко востребованы в строительстве, автомобильной и авиационной промышленности. Их будут применять везде, где требуется легкий ударопрочный материал, не теряющий своих свойств в расширенном диапазоне температур. В то же время композиты профессора Эстрина могут пригодиться при создании удивительных костных имплантатов, которые будут сами рассасываться в ходе восстановления ткани.

Еще одно направление работы лаборатории Эстрина – создание удивительных умных материалов, которые меняют свои характеристики при внешнем воздействии. Например, «дернув за веревочку» мяч из такого вещества, можно превратить его в пушечное ядро.

Профессор Эстрин рассказывает, как, натягивая пропущенные через гибридные структуры нити, можно получить гибкий материал, составленный из наноблоков очень жесткого материала. Такая технология превращает сверхжесткий материал в гибкий и податливый. Можно получить и еще более фантастические свойства, создав нити с эффектом памяти. Тогда при нагревании из аморфной массы могут вырасти удивительные формы домов, зданий и сооружений.

В будущем сотрудники лаборатории Эстрина мечтают конструировать из своих материалов не только космические города, но и… умную одежду. Это будут костюмы тепловой, радиационной и противоударной защиты, управляемые микрокомпьютерами. Кроме того, подобные ткани можно будет сделать «самозалечивающимися». Такая одежда напоминает вторую кожу, многократно превосходя ее.

Важнейшей задачей физического материаловедения является создание самых разнообразных сплавов металлов и сталей. Многие очень перспективные соединения трудно или даже невозможно создать из-за того, что их атомы не стыкуются друг с другом, как не складываются неподходящие кусочки мозаики.

По словам Стивена Хокинга, мы вступаем в новую космическую эпоху. По его словам, мы стоим на пороге новой эры. Колонизация других планет человеком – это уже не научная фантастика, это может стать научным фактом.

При этом ученый подчеркивает, что человеческая раса существует как отдельный вид примерно два миллиона лет. Цивилизация возникла около 10 тысяч лет назад, и темпы развития устойчиво нарастают. Если человечество хочет прожить еще миллион лет, ему нужно смело отправляться туда, где раньше никто не был. По расчетам Хокинга, для спасения землян им вначале нужно расселиться по планетам Солнечной системы, и сделать это надо не позже начала следующего столетия.

Впрочем, от космических угроз можно скрыться не только на спутниках планет-гигантов, но и в глубинах земных океанов, не говоря уже о таинственных недрах нашей планеты. Ведь есть глубокий парадокс в том, что «подземный космос» у нас под ногами изучен гораздо хуже далеких просторов Вселенной.