ВАЛЕРИЙ РОДИКОВ, кандидат технических наук
В космос за энергией
…Уровень материальной культуры человечества в первую очередь определяется созданием и использованием источников энергии. Именно она многократно увеличивает могущество людей.
Петр Капица
Великое затмение
Улицы и дома погружены во мрак. Лишь вершины, небоскребов засвечены тусклой луной. Остановились поезда, трамваи, троллейбусы. Кругом автомобильные пробки. Тысячи людей застряли в лифтах. В неподвижных вагонах подземки темно и душно — отключена вентиляция. Хирурги заканчивают операцию при свечах. Аэродромы в темноте. Самолеты кружат в воздухе — не видно взлетно-посадочных полос. Остановились все фабрики и заводы, застыл металл в электропечах. Паника. Начались грабежи.
Это не отрывок из научно-фантастического рассказа. Такое уже не раз случалось: ноябрь 1965 года — Нью-Йорк, Бостон, Монреаль, северо-восточные штаты США и юг Канады; июль 1977 года — опять Нью-Йорк и его пригороды; декабрь 1978 года — Франция, от Ла-Манша до Пиренеев, от Атлантического побережья, до заснеженных Альп. Гигантские города, целые штаты и департаменты тонули во мраке. Причина — авария в крупной энергосистеме. Июль 1981 года: без электричества остались свыше 150 тысяч жителей одного из районов Нью-Йорка — Стоейтен Айленд. В результате взрыва и пожара на одной из электростанций, принадлежащей компании "Консолидейтед Эдисон", погасли уличные огни, светофоры, остановились лифты, прекратилась телефонная связь, начались серьезные перебои в водоснабжении. Напуганные жители, опасаясь повторения событий "великого затмения" (так называли нью-йоркскую катастрофу 1977 года), с электрическими фонариками, свечами, керосиновыми лампами вышли на улицы, где провели всю ночь. И опять грабежи…
Трагические, но наглядные доказательства главенствующей роли энергетики в современной цивилизации.
Вот уже 200 лет история демонстрирует непрерывный экспоненциальный рост нашей цивилизации. Закон экспоненты очень распространен в природе. Описываемые им явления похожи на лавинообразный рост, что-то наподобие взрыва. Да, мы живем в эпоху взрывов: индустриального, демографического, информационного, энергетического… Каждые 20 лет потребление энергии удваивается.
Сейчас можно строить только гипотезы, сколь долго продлится эра "неограниченной экспансии". Возможно, что такая стратегия для некоторых: цивилизаций — норма поведения. Именно длительность взрывной фазы определяет достижимый для цивилизации барьер развития. На практике экспоненциальный рост — это прежде всего выход в космос и освоение сначала ближней, а затем и более отдаленных его частей. Космическое расширение общества предвидел К. Э. Циолковский еще в начале века. Если стремительный темп роста сохранится на протяжении нескольких миллионов лет, то цивилизация подобная земной освоит свою галактику, овладеет ее энергией. Процесс освоения будет связан с астроинженерной деятельностью — преобразованием на разумной основе звезд и межзвездной среды. По классификации советского астрофизика Н. С. Кардашева, галактическая цивилизация — это уже "сверхцивилизация", или цивилизация третьего типа. Земная цивилизация отнесена им к первому типу, второй тип — это цивилизация, овладевшая энергией своего солнца. При существующем темпе роста нашей цивилизации потребовалось бы для этого два-три тысячелетия.
В принципе стратегия "неограниченной экспансии" возможна. Она не противоречит известным: законам природы и логически вытекает из них. Однако возможность еще не означает необходимость. Пока еще достоверность прогноза в астрономическом масштабе о варианте развития земной цивилизации весьма мала. Мы знаем свое прошлое и настоящее. Установив контакт с внеземными цивилизациями, мы, возможно, узнаем и свое будущее. Только ждать этого события по нашим земным меркам еще достаточно долго. По прогнозам известного ученого и писателя-фантаста Артура Кларка, первые радиоконтакты с внеземным разумом состоятся между 2030 и 2040 годом.
Что же касается перспектив на ближайшие столетия, то существующий технологический взрыв, по-видимому, будет продолжаться, и уже через 200 лет потребление энергии увеличится в 1000 раз.
Хватит ли природных ресурсов, чтобы следовать такому темпу? Ведь еще в 1973 году во времена разразившегося на западе энергетического кризиса человечество реально почувствовало, что запасы природного топлива не беспредельны. За 1961–1980 годы в мире было потреблено 45 миллиардов тонн нефти и более 20 триллионов кубических метров газа, что составляет соответственно 80 и 65 процентов от общего количества нефти и газа, уже использованного человечеством. По прогнозам советских и зарубежных специалистов, в оставшиеся до XXI века годы потребление энергии в мире превысит израсходованное количество ее за всю историю цивилизации.
Сейчас ежегодно потребление энергии в мире приближается к 10 миллиардам тони условного топлива, а к 2000 году этот показатель, по прогнозам экспертов, достигнет 18–23 миллиардов. Сокращение топливных запасов приводит к тому, что человек извлекает полезные ископаемые из глубинных пластов, а такая добыча делает дороже производство энергии. Добычей, транспортировкой и распределением энергоресурсов в индустриально развитых странах сегодня занято около половины работающих людей. Но острота энергетической проблемы не снижается. Цены на мировом рынке на топливо в период с 1972 года до начала 1980 года повысились более чем в семь раз, в том числе почти в восемь раз на нефть. Несмотря на некоторое снижение цен на нефть на мировом рынке в последние годы, все равно можно сказать, что эпоха дешевого топлива кончилась.
По оценкам ученых, если не рассчитывать на другие виды энергии, то запасы горючих ископаемых будут исчерпаны через 100–150 лет. Не надо еще забывать, что у человечества есть насущная потребность использовать большую часть добываемого природного топлива для производства продуктов питания и органического синтеза.
Великий русский химик Дмитрий Менделеев часто напоминал: нефть как сырье ценнее, чем как топливо, жечь ее неразумно ("топить можно и ассигнациями"). То же самое можно сказать о природном газе, угле…
В настоящее время 90 процентов добываемых углей, нефти и газа идут на энергетические цели. Проще говоря, сжигаются в топках. И только десять процентов используются химической промышленностью.
На данном этапе наиболее эффективной мерой борьбы с "топливно-энергетическим дефицитом" является экономия энергии. Около трети всей вырабатываемой энергии идет на обогрев помещений и горячее водоснабжение. Здесь заложены большие резервы для уменьшения тепловых потерь, например, за счет улучшения теплоизоляции и строительства зданий, со значительно сниженным потреблением тепла.
В одном из проектов американские ученые предложили в холодное время года накрывать на ночь своего рода одеялами… целые города. По их замыслу в роли таких одеял должны выступать скопления перистых облаков, которые можно будет создавать искусственным путем — распылив с самолета кристаллы йодистого серебра.
В чистом морозном воздухе, насыщенном влагой, эти кристаллы станут центрами образования множества льдинок. И над городом повиснет пелена, уменьшающая излучение с земной поверхности. В результате в таком городе, как, например, Олбани, температура воздуха ночью будет на 2,8 градуса выше, чем обычно. Днем же, распылив еще одну порцию тех же кристаллов йодистого серебра, можно вызвать сильный снегопад и очистить небо от облаков. По расчетам, эта мера увеличит нагрев воздуха и земной поверхности солнечными лучами, подняв среднюю дневную температуру на 5 градусов. Ученые провели и экономическое обоснование предложенного проекта. За отправную точку они взяли цены на нефть, газ и электроэнергию в 1980 году и попытались оценить, что дадут и во что обойдутся подобные операции, если их проводить хотя бы дважды в месяц над городской территорией в две тысячи квадратных километров. Оказалось, что экономия может достигать нескольких миллионов долларов в месяц. А при сильных морозах электростанции избавятся от значительных перерасходов энергии.
Правда, подобные проекты должны пройти тщательную экологическую экспертизу. Неизвестно, например, как выпадение иодидов скажется на флоре. Кроме того, концентрация воды в одном месте может привести к недостаче ее в других районах.
В современном хозяйстве еще много "дыр", через которые бесполезно утекает энергия. Внедрение новых, экономичных технологических процессов и современных систем управления с использованием микропроцессоров — существенный резерв экономии энергии. Это насущные задачи сегодняшнего дня.
Мир ищет энергию
На моем рабочем столе лежит обсидиан — стекловидный черный монолит, отлитый природой в своих подземных мастерских. Я привез эту частицу гор на память из Армении. Как посмотрю на камень, вижу в его черных зеркальных изломах белые в дымке горные вершины. Тяжелый сувенир охраняет бумаги на письменном столе: он лежит на них и не дает разлетаться при открытом окне.
Как-то я прочел, что камень этот действительно охранный. Именно ему мы обязаны тем, что многие памятники старинного зодчества в Армении хорошо сохранились, несмотря на сильные землетрясения, которых немало на своем веку повидала эта горная страна. Ученые из Армянского республиканского НИИ строительства и архитектуры обнаружили, что в несущих конструкциях древние строители применяли обсидиан, который обладает свойством вспучиваться при высокой температуре. При подземных толчках он выступал в роли "подушки".
Столетия не очень-то старят подземную стихию. По-прежнему она грозна и подчас неумолима. Во многих гипотезах предполагалось, что огненное ядро Земли — это кусочек клокочущей солнечной материи, отторгнутой от Солнца залетной звездой, либо задевшей его, либо пролетевшей вблизи. В результате мощного приливного взаимодействия между Солнцем и пролетавшей звездой наше светило "выстрелило" огромное количество горячих солнечных газов. Из них первым конденсировалось расплавленное железо, образовавшее ядро нашей планеты, которое затем обросло силикатной мантией.
Однако на сегодняшний день у подобных катастрофических гипотез образования планет солнечной системы почти не осталось сторонников. Один из недостатков теории катастроф: слишком мала вероятность столкновения залетной звезды с Солнцем или прохождения вблизи него. Правда, многие считали этот факт чуть ли не главным достоинством, свидетельствующим об уникальности нашей солнечной системы. Кстати, "встреча" двух галактик, как полагают австралийские астрономы, вовсе не исключена. Согласно их гипотезе примерно два миллиарда лет назад пересеклись пути-дороги двух галактик — нашей и "чужой". Это, конечно, не значит, что звезды обеих галактик столкнулись друг с другом: вероятность такого события, как об этом уже говорили, ничтожно мала. Просто две космические системы на какое-то время перемешались, а затем разошлись. Миллионы звезд-"чужаков" остались в нашей Галактике. Они не смогли преодолеть се мощных пут тяготения. Звезды-пришельцы, как утверждают австралийские астрономы из университета Канберры, исследовавшие их с помощью сильных телескопов, обладают иной структурой и движутся по несколько другим орбитам, чем "аборигены" Галактики.
На смену катастрофическим гипотезам образования солнечной системы пришли другие, более обоснованные. Но все-таки ученые пока не могут с полной определенностью сказать, как это происходило на самом деле. Однако частица Солнца, а именно солнечный гелий, не так давно была найдена в глубинах Земли советскими учеными. Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий зарегистрировал этот факт как открытие в области геохимии.
Гелий — инертный газ. Он имеет два стабильных изотопа: легкий (гелий-3) и тяжелый (гелий-4). Солнечный гелий, образующийся в процессе термоядерных реакций, особенно богат легким изотопом. В нем его во много раз больше, чем в радиогенном гелии, возникающем при распаде рассеянных в земных породах атомов урана и тория… После водорода гелий второй по распространенности элемент во вселенной. Но на Земле его очень мало: меньше, чем золота. Несмотря на это, в микродозах он встречается повсеместно. Даже в человеческом теле. Причем преобладает тяжелый радиогенный гелий. В атмосфере его примерно в 700 тысяч раз больше, чем легкого, а в земной коре — примерно в 30 миллионов. До этого открытия советских ученых существовала твердая уверенность, что в недрах Земли легкого гелия совсем мало, и чем глубже, тем концентрация его должна убывать,
Опровергнуть общепринятое мнение помог уникальный прибор, созданный авторами открытия в ленинградском Физико-техническом институте АН СССР, — специальный масс-спектрометр, способный обнаружить один атом легкого изотопа среди миллиардов содержащихся в газе атомов другого изотопа. Его избирательная чувствительность почти в 10 тысяч раз выше, чем у самых лучших приборов, выпускаемых за рубежом.
При изучении газов и пород из мантии оказалось, что в них содержание легкого изотопа в тысячу раз больше, чем в породах земной коры. К тому же выяснилось, что всюду в мантии соотношение двух изотопов гелия удивительно постоянно, в то время как в различных районах земной коры оно может отличаться во много десятков раз. Причина открытой аномалии — сохранившийся в глубоких недрах нашей планеты солнечный гелий. Он был, как полагают авторы открытия, захвачен Землей 4,6 миллиарда лет назад в период ее образования из протопланетного пылевого облака.
Открытие мантийного гелия с высоким содержанием легкого изотопа имеет большое практическое значение. Исследователи земных недр получили своего рода природный рентгеновский аппарат: восходящие потоки мантийного и радиогенного гелия как бы просвечивают земную кору, обнажая места ее разрывов. Глубинные разломы, молодые породы, выброшенные на поверхность планеты подземными катаклизмами, тонкое океаническое дно можно четко фиксировать по резкому повышению содержания легкого изотопа в гелии. "Метка" в виде легкого гелия укажет кратчайший путь к подземным "котельным" Плутона.
В последнее время внутреннее тепло Земли все чаще упоминается в ряду возобновляемых источников энергии. Его преимущества очевидны: запасы огромны, и, что немаловажно, энергия может генерироваться беспрерывно.
На Камчатке с 1967 года работает первая в стране Паужетская геотермальная электростанция мощностью в десять тысяч киловатт. Более 200 источников, выходов горячего пара и перегретой воды обнаружено па полуострове. Самое последнее открытие сделано на Мутновском месторождении в 70 километрах от Петропавловска-Камчатского. Разведка показала, что температура получаемой пароводяной смеси достигает 270 °C под давлением в 25 атмосфер. В скором времени здесь начнется строительство электростанции суммарной мощностью в полмиллиона киловатт и крупного тепличного комбината.
Есть геотермальные установки и в других странах, например, во Франции, в Италии, Мексике, США, Новой Зеландии… В Индонезии построена первая в стране геотермальная станция в Камайанге, турбины которой работают на энергии огнедышащих вулканов. Мощность первой очереди составляет тридцать тысяч киловатт. Она обеспечивает электроэнергией сотни деревень на Западной Яве.
Правда, на земном шаре не так уж много мест, где подземное тепло в виде горячей воды или пара расположено так близко от поверхности, как, скажем, на Камчатке. Но так называемые петротермальные источники, связанные с теплотой сухих горных пород, существуют повсеместно. Современные проекты использования подземного тепла основываются па том, что в любом месте земной коры на глубине 10–15 километров достигается температура в несколько сот градусов, достаточная для получения пара и генерирования электроэнергии с хорошим коэффициентом полезного действия. Освоение таких источников пока вызывает большие трудности. Одна из них связана с малой плотностью потока подземной энергии (примерно 0,06— 0,4 ватта на квадратный метр). Как известно, теплопроводность горных пород очень мала, и тепло к нагреваемой воде необходимо собирать с больших площадей. Для этого предлагают в толще земли взрывать мощные заряды, чтобы создать либо большую каверну, либо значительное количество глубоко проникающих трещин.
Чтобы подойти вплотную к инженерной разработке такого проекта, предстоит решить еще много проблем — научных, технических, экологических. Необходима и более подробная геологическая информация, получить которую во многом поможет мантийный гелий. Реализация проекта при современном уровне техники будет стоить довольно дорого. Но как сказал в 1964 году известный индийский ученый Гоми Баба, "никакой вид энергии не обходится так дорого, как ее недостаток". Эти слова приобрели еще большую актуальность в наши дни. Ввиду важности проблемы и преимуществ геотермального метода ученые разных стран всесторонне изучают это направление.
А пока тепловая энергия земных недр рентабельна только в районах так называемых геотермальных аномалий (областей, где подземное тепло залегает близко от поверхности Земли), К таким местам в нашей стране относятся Камчатка, Ставрополье, Прикарпатские области Украины, Закавказье…
В Нефтекумском районе Ставропольского края близ поселка Каясула сооружается опытная геотермальная станция. Эта стройка, по существу, научный полигон, где производится поиск конструкций геотермальных станций будущего. Правда, аномалия в Ставрополье не такая сильная, как на Камчатке. Поэтому бурить скважины, по которым пар из глубин будет поступать на поверхность к турбинам электростанции и возвращаться в виде сконденсированной воды обратно в недра, приходится на глубину свыше 4 километров.
Электростанция возле поселка Каясула с пуском первой очереди в год будет давать десять тысяч киловатт-часов электроэнергии. Успех испытаний откроет перспективу вдесятеро более мощной станции. Но и это не предел: специалисты уже рассчитывают параметры геотермальной станции мощностью в миллион киловатт. Она позволит экономить в год до двух миллионов тонн условного топлива.
Инженер Гарин, герой фантастического романа А. Толстого "Гиперболоид инженера Гарина", хотел с помощью теплового луча пробурить скважину до оливинового пояса. Он был во власти навязчивой идеи: получить из расплавленных недр оливинового пояса золото, чтобы править миром. Конечно, представления и терминология автора (а роман был написан в 1926–1927 годах) отличаются от современных. Под оливиновым поясом Алексей Николаевич, по-видимому, имел в виду верхний слой земной мантии (слой В), а точнее область пониженных скоростей в этом слое — астеносферу. Вещество астеносферы, по мнению ученых, действительно находится в состоянии, близком к расплавленному. Истоки вулканов, очаги горячей магмы лежат как раз в астеносфере.
В наше время фантастическая идея пробиться к мантийной магме Земли приобрела иное содержание: в глубь Земли — за энергией. В некоторых местах магма находится на глубине "всего лишь" четырех-пяти километров. (Петр Гарин в романе Толстого очень рассчитывал на это обстоятельство.) Большую помощь ученым в поиске магмы близкого залегания и выходов ее на поверхность оказывает мантийный гелий. Между прочим, он уже нашел применение для предсказания землетрясений, извержений вулканов, для разведки полезных ископаемых.
Преимущество магмы для получения энергии по сравнению с теплом сухих горных пород состоит в том, что она находится в постоянном движении и поэтому будет обеспечивать непрерывный подвод тепла к теплообменнику. Кроме того, высокая температура магмы (около 1000 °C) дает возможность генерировать энергию с большим коэффициентом полезного действия. Безусловно, до создания первой "магменной" электростанции пройдет еще немало времени, но эта идея из научно-фантастической уже переведена в научно-исследовательский ранг.
Прирученная человеком энергия подземного тепла, ветра, морских и океанских приливов, рек все-таки не станет равноценной заменой горючим ископаемым. Конечно, это весомая прибавка в энергетическую копилку человечества, но и она в конечном счете не спасет мир от энергетической катастрофы в будущем. Она только сможет отсрочить ее.
Единственный шанс избежать энергетической катастрофы — это успеть вовремя перевести стрелку: перевести промышленность на рельсы другой энергетики. Мир настойчиво ищет энергию. В ряде стран приняты законы, обязывающие внедрять новые источники энергии. "…Уже становится общепризнанным, — писал академик Петр Капица, — что надежда на решение глобальных энергетических проблем связывается с использованием ядерной энергии. Физика дает полное основанье считать, что эта надежда обоснованна".
В 1905 году Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что находящаяся в покое масса m содержит огромный запас энергии Е = mС2, где С — скорость света. С тех пор получено огромное число подтверждений этого закона, и одно из них — атомная бомба. Формула Е = mС2, дающая предельное значение содержащейся в массе вещества энергии, вошло в историю как формула Эйнштейна. Интересна предыстория этого соотношения, связанная с именем выдающегося английского ученого, математика и электротехника Оливера Хевисайда (1850–1925). Имя Хевисайда хорошо известно студентам вузов электротехнических и радиотехнических специальностей. Курсы теоретических основ электротехники и радиотехники начинаются с операторного метода расчета цепей, созданного Хевисайдом. Он внес большой вклад в теорию передачи электрических сигналов по линиям связи. Уравнения Хевисайда принесли огромные барыши телеграфным компаниям, но сам их создатель жил в бедности. Хевисайд был горд. Он не принимал пожертвований.
В 1902 году (одновременно с американским электротехником Артуром Кеннеди) Хевисайд указал на существование высоко над поверхностью Земли ионизированного слоя, который должен отражать радиоволны. Специалисты не сразу поверили этому открытию. И только в 1924 году за два месяца до смерти Хевисайда было получено подтверждение существования слоя. Его раньше называли слоем Хевисайда. В современной даже узко специализированной литературе этого названия почти не встретишь. Тем удивительнее было увидеть его в стихах…
За слоем Хивсайда, за легкою пылью
Земной атмосферы безмолвье звучит.
Холодная вечность, дремучие крылья
Расправив в мирах, беспредельно парит.
Планеты плывут по орбитам с шуршаньем,
И где-то кометы, хвосты распустив,
Летят по путям громовым мирозданья,
Маршруты, как шпаги стальные, скрестив.
Дороги еще не изведаны эти,
Но время идет непреклонной судьбы,
Придет человек — от планеты к планете
Протянутся вдаль верстовые столбы.
Автор этих строк, датированных 1946 годом, поэт Сергей Орлов, фронтовик, горевший в танке. Я недавно наткнулся на них, просматривая в книжном магазине посмертно вышедший (в 1982 году) сборник его стихотворений. И вдруг давно забытое название — "слой Хивсайда". Прочел стихотворение и восхитился: "Первый послевоенный год — и такая вера в будущее!" Спустя пятнадцать лет сквозь "слой Хивсайда" проложил трассу Юрий Гагарин и отмерил первые космические версты.
Бывший инженер-связист, достигший немалых успехов в этой области, а ныне популярный писатель Артур Кларк в своей книге "Голос через океан" рассказывает об одном малоизвестном открытии Хевисайда.
"Используя основы физики, — пишет Артур Кларк, — Хевисайд установил зависимость между массой и энергией тела задолго до того, как она стала известна ученому миру. К 1890 году в своих исследованиях он уже пришел к подтверждению зависимости Е = mС2, предвосхитив, таким образом, на 15 лет более общую формулировку этого закона Эйнштейном. Это самое поразительное и менее всего известное широкой публике достижение Хевисайда.
Как и Эйнштейн, Хевисайд в последние годы жизни работал над теорией единого поля, которая объединяет электричество, магнетизм и силы притяжения. Результаты исследования он изложил в четвертом томе своей "Теории электромагнетизма", но этот том не был опубликован. (Три объемистых тома "Теории электромагнетизма" были опубликованы. — Ред.) Несмотря на усиленные поиски, рукопись обнаружить не удалось. Однако известно, что она существовала и что Хевисайд передал ее какому-то американскому издателю, отказавшемуся выдать ему аванс в сумме тысячи фунтов стерлингов.
Здесь заключена мучительная загадка, одна из тех, которые никогда не будут разрешены. Подобно этому остались неизвестными последние слова, произнесенные умирающим Эйнштейном, — и лишь по той причине, что сиделка не понимала по-немецки. Безусловно, копия рукописи имелась у Хевисайда дома, но, когда его поместили в больницу, никто, видимо, не подумал об этой стороне дела. Сообщение о смерти Хевисайда было немедленно передано Би-би-си. На другой же день предприимчивый вор-взломщик проник в пустой дом. Ценностей он там, конечно, не нашел, ко украл много книг и рукописей. И вполне возможно, что современные физики бьются над какой-либо проблемой, решение которой было украдено февральской ночью 1925 года".
Первое экспериментальное подтверждение правильности соотношения между массой и энергией было получено при сравнении энергии, высвобождающейся при радиоактивном распаде, с разностью масс исходного ядра и конечных продуктов.
Другим примером огромной энергии, заключенной в массе покоя, часто пользуются писатели-фантасты.
Эта реакция аннигиляции. При столкновении электрона и позитрона (электрона с положительным зарядом) энергия покоя этих двух частиц полностью высвобождается и переходит в энергию электромагнитного излучения.
Однако существуют строгие ограничения на величину энергии, которая может быть извлечена из массы покоящегося вещества, и устанавливаются они одним из основных законов природы — законом сохранения барионов. Согласно этому закону полное число протонов и нейтронов в данном образце обычного вещества должно остаться постоянным. Поэтому и не существует способов, с помощью которых можно извлечь в земных условиях, например, из грамма песка всю заключенную в нем энергию. А эта энергия превышает энергию, выделяемую при сгорании одного грамма угля, более чем в три миллиарда раз. Однако в случае тяжелых ядер, таких, как уран, может происходить перераспределение протонов и нейтронов, при котором масса покоя уменьшается примерно на 0,1 процента. Но даже и при столь небольшом "коэффициенте полезного действия" высвобождаемая ядерная энергия вещества во много раз превышает химическую.
В том, что атомная энергетика к концу столетия станет основным источником энергии, у большинства ученых не вызывает сомнений. По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЕ), уже сейчас в мире действуют 272 атомные электростанции, которые вырабатывают более 8 процентов всей производимой на нашей планете электроэнергии. К 1985 году более 400 атомных электростанций будут вырабатывать уже примерно 17 процентов электроэнергии. Но переход к атомной энергетике породит и немало проблем. Главная из них — захоронение отходов атомных электростанций (шлаков от распада урана, которые сильно радиоактивны). Период полураспада отходов около 300 лет, а современные контейнеры для их хранения обеспечивают герметичность в течение 75—100 лет. Но и такой срок не всегда обеспечивается: в печати сообщались случаи о нарушении герметичности американских контейнеров и, как следствие, повышении уровня радиации в некоторых местах захоронения в океане. При массовом использовании атомной энергии создается угроза радиоактивного заражения нашей планеты. Ситуация настолько серьезная, что разработаны проекты транспортировки ядерных отходов на космических кораблях в район Солнца. До 2000 года курс на Солнце возьмут более 300 таких кораблей. Широкое использование атомных электростанций приведет также к распространению плутонии — одного из компонентов ядерной реакции. Это затруднит контроль над распространением атомного оружия. Выдающийся советский физик, лауреат Нобелевской премии Петр Капица, много работавший над изучением физических процессов с большой плотностью энергии, настроен оптимистично: "Люди ищут и, несомненно, найдут пути преодоления возникающих трудностей. Думается, лучшим выходом из создавшегося положения следует считать получение энергии путем термоядерного синтеза ядер дейтерия и трития. Когда этот процесс удастся довести до стационарного состояния, то все перечисленные трудности, которые возникают при использовании урана, исчезнут, потому что термоядерный процесс нс даст в ощутимых количествах радиоактивных шлаков, не представляет большой опасности при аварии и не производит продуктов для бомб. И наконец, запас дейтерия в природе еще больше, чем запас урана. Но трудности осуществления управляемой термоядерной реакции далеко еще не преодолены.
Хорошо известно, что для полезного получения термоядерной энергии ионы в плазме должны иметь очень высокую температуру — более ста миллионов градусов. Главная трудность связана с тем, что нагрев плазмы происходит под действием на нее электрического поля и при этом практически вся энергия воспринимается электронами, которые плохо передают ее ионам. С ростом температуры эта передача становится все менее эффективной. Но, думается, эти трудности удастся преодолеть и термоядерная проблема будет со временем решена".
Термоядерный синтез открывает доступ к практически неиссякаемому источнику энергии — ядерной энергии легких элементов. Здесь вместо урана имеют дело с дейтерием и тритием — изотопами легчайшего элемента — водорода.
Дейтерий широко распространен в природе. Его кладовая — вода озер и океанов. Второй компонент, тритий, в природе не встречается, зато он рождается в самих реакторах, при облучении лития нейтронами. Общее содержание лития в земной коре составляет около 100 миллионов тонн. Чтобы представить, насколько хватит его запасов для будущего термояда, достаточно сказать, что всего 0,1 грамма смеси дейтерия с тритием дает энергию, эквивалентную 500 литрам бензина. Впоследствии, когда будут достигнуты необходимые для термоядерного синтеза температурные режимы, в реакцию можно будет вовлекать обычный водород, бор и другие распространенные в природе элементы.
При термоядерном синтезе ядер дейтерия и трития с образованием гелия в энергию превращается 0,6 процента их первоначальной массы покоя. Если бы этот процесс синтеза удалось использовать для производства энергии, то он оказался бы примерно в шесть раз эффективнее процесса деления урана.
Напомню, об интересном прогнозе, сделанном более ста двадцати лет назад. 7 мая 1862 года, в день открытия Всемирной выставки в Лондоне, газета "Таймс" опубликовала прогнозы развития человечества на сто лет вперед. Самым нереальным и несерьезным, по общему мнению, было предсказание, что через сто лет человечество откроет способ горения воды и это открытие станет угрозой для всей жизни на планете.
Велико было бы удивление авторов прогноза, если бы они узнали, что именно это предсказание окажется ближе всех к истине. Наука нашего времени на подходе решения проблемы термоядерного синтеза, в ходе которого и будет "гореть" вода, а точнее, содержащийся в ней тяжелый водород — дейтерий. По прогнозу ведущих специалистов разных стран, который был еще раз подтвержден на X Европейской конференции, проходившей в Москве в 1981 году, первые термоядерные электростанции дадут энергию на рубеже XX и XXI веков.
В одном, правда, отношении авторы более чем столетнего прогноза оказались не правы: угрозы для жизни на Земле это горение не представляет. Важным достоинством термоядерных установок является их безопасность. В реакторе всегда будет находиться небольшое количество топлива, поэтому невозможна самопроизвольно разгоняющаяся ядерная реакция, как это происходит при взрыве водородной бомбы.
Осторожно: тепловой джинн!
Энергетический взрыв породил угрозу "теплового загрязнения" окружающей среды. Почти вся энергия, потребляемая человеком, превращается в конечном счете в тепло, которое нагревает атмосферу. Лишь незначительная доля производимой энергии в виде разного рода излучений, как, например, радиоволн, световой радиации и т. п., уходит в космическое пространство. Но не всякая энергия термически загрязняет нашу планету, то есть дополнительно, помимо Солнца, нагревает ее. Распространенные виды потребляемой человеком энергии — гидроэнергия и энергия, заключенная в древесине и в других продуктах сельскохозяйственного производства, — есть результат преобразования энергии солнечной радиации, ежегодно поглощаемой Землей. Использование таких источников энергии не меняет теплового баланса Земли, эти калории учтены в естественном тепловом балансе планеты. Однако "сбалансированные" источники составляют лишь небольшой процент от всей расходуемой человеком энергии. Основными ее поставщиками остаются горючие ископаемые: уголь, нефть, природный газ. Они тоже, можно сказать, законсервированная энергия нашей звезды. Только эти запасы были заложены сотни миллионов лет назад, в другой эпохе. Их связь с энергией Солнца, питающей Землю, давно порвалась. Атмосфера "забыла" о той дозе солнечной радиации, которая осталась похороненной в недрах Земли и превратилась в уголь, нефть, природный газ. Потому, сжигая их, человек привносит в атмосферу дополнительное тепло, не учтенное природой в своем тепловом балансе.
Дополнительно нагревает Землю и энергия, вырабатываемая атомными станциями. В будущем к тепловым загрязнителям присоединится и термоядерная энергетика.
Немалую лепту в нагрев Земли вносит и углекислый газ атмосферы, основная доля которого образуется при сжигании горючих ископаемых. Дело в том, что увеличение концентрации углекислого газа в воздухе усиливает так называемый парниковый эффект.
Наша планета похожа на гигантскую теплицу-парник. Это подметил еще в конце прошлого века шведский ученый Сванте Аррениус. Роль парникового стекла выполняют углекислый газ и водяные пары, содержащиеся в атмосфере. Как и обычнее стекло в парнике, атмосфера прозрачна для видимого света. Солнечные лучи поглощаются земной поверхностью и нагревают ее, а нагретая Земля излучает уже тепловые лучи. Углекислый газ и водяные пары атмосферы, как стекло в парнике, задерживают излучаемое Землей тепло. За счет этого происходит и повышение температуры окружающего воздуха до тех пор, пока не установится динамическое равновесие. В этом суть атмосферного парникового эффекта. Он играет заметную роль в климатических изменениях. Например, в прошлые геологические эпохи в Гренландии была пышная растительность. Ученые предполагают, что отчасти такой климат был следствием повышенной активности вулканов, выбрасывающих в атмосферу углекислый газ.
Климатологи предсказывают, что через 100–200 лет при сохранении существующего темпа потребления энергии производимое человеком тепло вызовет глобальные изменения климата на всей планете. К 2050 году растают льды в Арктике. Начнется разрушение Гренландского и Антарктического ледников. Повысится уровень Мирового океана. Произойдет перераспределение осадков. Житницы планеты окажутся под угрозой засух. Не исключено, что интенсивное таяние полярных льдов ускорит процесс потепления, и человечество не успеет подготовиться к новым климатическим условиям. Последствия потепления предсказать сейчас невозможно.
По данным национального управления США по океанам и атмосфере Земли, воды Мирового океана за последние десять лет поднялись на десять сантиметров. К концу 80-х годов они поднимутся еще больше — на четверть метра, грозя затопить немалое количество суши. Нельзя позволить тепловому джинну вырваться из бутылки: загнать его обратно вряд ли удастся.
И снова проблема — в ближайшем будущем необходимо научиться управлять климатом. Работы в этом направлении уже ведутся. Один из методов предложен группой сотрудников Гидрометслужбы. Недавно ученые обнаружили в нижней части атмосферы слой из аэрозолей: очень мелких частиц, в основном из соединений серы. Небольшие колебания количества аэрозолей заметно изменяют температуру воздуха у земной поверхности. Чем больше аэрозолей, тем ниже температура. Чтобы предотвратить резкое потепление, предлагается сжигать в атмосфере ежегодно 60 тысяч тонн серы на специальных самолетах. Это количество совершенно ничтожно по сравнению с массой вещества, поступающего в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека. Есть и другое предложение — использовать для самолетов топливо с повышенным содержанием серы.
Возможное изменение климата надо учитывать в хозяйственной деятельности уже сегодня. Так считает один из ведущих климатологов, член-корреспондент АН СССР Михаил Иванович Будыко. В предисловии к сборнику статей-докладов "Изменения климата" (Л., Гидрометеоиздат, 1980), принадлежащих перу известных специалистов ряда стран в области климатологии, он пишет: "…народное хозяйство всех стран существенно зависит от современных климатических условий, причем заметное изменение климата потребует больших капиталовложений, чтобы обеспечить приспособление хозяйственной деятельности к новым условиям.
Период времени, для которого необходимо иметь сведения об изменениях климата, по-видимому, сравним с вероятной длительностью эксплуатации проектируемых сейчас промышленных и сельскохозяйственных сооружений и систем, работа которых зависит от климата. Для более долговечных сооружений такой период достигает 50—100 лет. Если в будущем климат может существенно изменяться, то очевидно, что такая возможность должна в той или иной степени учитываться при проектировании этих сооружений.
Это относится, например, к проектированию будущих гидроэлектростанций, которое основывается на учете данных о режиме речного стока. Очевидно, что при изменении климата и, в частности, при изменении количества выпадающих осадков существующий режим стока не может сохраниться, в связи с чем проектировщикам следует принимать во внимание сведения не только о современном стоке, но и о режимах стока в будущем. Другой пример практического значения данных о возможном изменении климата — обоснование проекта переброски стока северных рек, который сейчас привлекает большое внимание. Так как этот проект предполагается осуществить на протяжении нескольких десятилетий, ясно, что в данном случае также нельзя ограничиваться использованием данных о современном климате и режиме речного стока — обоснование проекта должно предусматривать учет вероятного изменения климатических условий".
С точки зрения экологии переход к ядерной энергетике — решение далеко не оптимальное. Это вынужденная мера. Цивилизация должна располагать значительными энергетическими резервами, чтоб иметь время для получения информации, которая откроет ей врата новой энергии. Человечеству нужен неисчерпаемый чистый источник энергии, не загрязняющий и не перегревающий планету. Ответ знали еще древние. Это — Солнце, самый изначальный энергоисточник на нашей планете. Меньше чем за час оно посылает на Землю такое количество энергии, которое превышает нынешние годовые потребности планеты. И это при том условии, что почти одна двухмиллиардная доля общей энергии Солнца попадает на Землю. По количеству солнечного света, которое в межпланетном пространстве приходится на Землю, ее можно сравнить с трехкопеечной монетой, лежащей где-то на круглом поле диаметром полкилометра.
Еще в самый разгар "атомного бума" один из крупнейших физиков XX века, Фредерик Жолио-Кюри, прозорливо сказал: "Решение проблемы использования солнечной энергии для человечества важнее, чем покорение энергии атома".
Солнце на Земле
Легенда об Икаре — символ безотчетного стремления человечества к Солнцу. Но если Икар пал жертвой Солнца, то американский инженер-изобретатель Пол Маккреди перелетел Ла-Манш благодаря энергии нашего неутомимого светила. Двигатель сконструированного им самолета "Солар Чэлленджер" работал от электрической энергии солнечных батарей, размещенных на хвостовом оперении. Весил самолет 80 килограммов. Бойкие журналисты окрестили изобретателя "мстителем за Икара". 180 миль он преодолел почти за пять с половиной часов. "Я не жертва Солнца, как Икар, — сказал инженер, — я его хозяин. Я хотел потрясти общественное мнение: мы должны помнить о том, что у нас есть такой вечный и чистый источник энергии, как Солнце".
В 1980 году в США совершил пробный полет солнечный воздушный шар "Санстат". В течение более чем четырех часов парил он на высоте 3700 метров. Принцип действия "Санстата" прост и основывается на законе Архимеда. Когда воздух во внутренней полости нагревается и становится, таким образом, легче воздуха, окружающего оболочку, шар взлетает. Бесплатной "грелкой" служит Солнце. Часть поверхности шара прозрачна и действует как линза, собирая солнечные лучи на противоположной, черной стороне шара, которая служит коллектором. Циркулируя внутри шара, воздух нагревается возле черной поверхности, а затем распространяется по всей полости. Небольшие пропеллеры позволяют разворачивать шар в нужном направлении.
"Солнечные шары, — как утверждает их изобретатель Фредерик Эшо, американец иранского происхождения, — могут использоваться и в торговых и научных целях. Достаточно лишь увеличить их объем, потолок и грузоподъемность". Как ни парадоксально, по как раз в космическую эру солнечные шары могут найти себе применение. Свидетельство тому американский проект гигантского солнечного аэростата. Аэростат будет летать на высоте более тридцати километров, где нет воздушных потоков и самолетных маршрутов. Поглощение шаром солнечной энергии будет регулироваться, и в зависимости от этого аэростат будет подниматься или опускаться, а с помощью небольшого двигателя перемещаться в горизонтальном направлении. По проекту вес аэростата составит шесть тысяч тонн, а грузоподъемность — пять тысяч тонн.
Еще недавно голубоватые шлейфы, рвущиеся из выхлопных труб автомобильных двигателей, были своего рода символом мощи и богатства государства. Но количество постепенно перешло в качество. Специалисты забили тревогу. Оказалось, что пасущееся на дорогах нашей планеты более чем четырехсотмиллионное автомобильное стадо чинит настоящий экологический разбой. В некоторых странах на долю автомобилей приходится более 60 процентов атмосферных загрязнений. Ученые и инженеры напряженно работают над созданием "чистого" автомобиля. Мексиканские конструкторы показали, что определенную лепту в решение этой проблемы может внести и Солнце. Они построили "солнцемобиль" — электрический автомобиль, работающий на солнечной энергии. На его крыше расположены солнечные батареи. Электрическая энергия, вырабатываемая ими, накапливается в аккумуляторах и вращает электродвигатель. Опытный образец развивает скорость до 40 километров в час, но запас хода пока ограничен 40 минутами.
А в Туркмении проходит испытания первый советский солнечный электромобиль. Его схема разработана специалистами Всесоюзного научно-исследовательского института источников тока под руководством члена-корреспондента АН СССР Н. Лидоренко. За основу был взят электромобиль-микроавтобус РАФ-2910, который был создан специально для сопровождения участников марафонского забега на Московской олимпиаде. Внешне он походил на своих собратьев из семейства РАФов, только движок у него был электрический и приводился он в движение электроэнергией, запасенной в аккумуляторах. На крышу этого РАФа установили солнечные блоки — стеклянные трубки, наполненные водородом. Внутри трубок — кремниевые фотоэлементы, они превращают солнечный свет в электроэнергию. Правда, пока только одна солнечная электростанция не справляется. Слишком много весит РАФ: три тонны вместе с пассажирами, да и движок мощный — 10 киловатт. Пришлось вводить схему двойного использования энергии — от предварительно заряженных аккумуляторов и от Солнца.
Зимой солнечная электростанция на крыше РАФа трудится даже с большей отдачей, чем летом: воздух чище, нет пыли — и ярче солнечный свет. День ото дня совершенствуется солнечная автомашина. Ученые работают над созданием солнечных батарей с большим коэффициентом заполнения, изучаются возможности размещения батарей на бортах машины… Настанет время, и источник энергии электромобиля будет полностью автономным: единственным заправщиком его аккумуляторов станет Солнце.
Интересная подробность. Оказывается, что электромобили, которые стали сейчас объектом пристального внимания со стороны конструкторов, и автомобили с карбюраторным двигателем почти ровесники. В России пионером применения электромобилей был петербургский изобретатель И. В. Романов. Еще в 1899 году он построил и испытал открытые и закрытые электрокебы — прообразы такси. В их конструкции содержались решения перспективные и для современного автомобилестроения. Передние колеса электрокеба были ведущими, рама сварена из тонкостенных труб, панели кузова — из деревопластика, каждое колесо приводилось в движение своим электродвигателем. Позади пассажирского салона помещался ящик с аккумуляторами, которые весили 350 килограммов. Они обеспечивали запас хода 65 километров при скорости 39 километров в час. Так что электромобиль — еще один пример, что новое иногда хорошо забытое старое.
Из византийских летописей до нас дошло предание о том, что в 214 году до новой эры при обороне Сиракуз от римлян Архимед сфокусировал с помощью множества зеркал солнечный свет и ослепил римских воинов, а также поджег их корабли-триремы. Когда римский флот под командованием консула Марка Клавдия Марцела, одного из самых жестоких и непреклонных военачальников Рима, был уже не более чем в трехстах локтях от берега, началось светопреставление: паруса трирем стали вспыхивать одни за другим без всякой видимой причины, нестерпимо яркий свет ослепил окаменевших от ужаса воинов. Атакующие обратились в паническое бегство. Со стен укреплений Архимед наблюдал за боем.
Возможно, это легенда. При тогдашнем уровне техники изготовить большие зеркала, выдержать их профили и чистоту обработки поверхности — задача неимоверно трудная. Но тем не менее можно сказать, что легенда эта технически обоснована. Например, среди трудов архитектора Антемуса де Тралля, жившего в VI веке, имеются четыре трактата о воспламеняющих зеркалах. Один из них называется "Как создать аппарат, способный с помощью солнечных лучей воспламенить предмет на расстоянии".
Французский естествоиспытатель Бюффон в 1747 году провел ряд опытов, чтобы доказать достоверность легенды об Архимедовой солнечной атаке римского флота. Он проделал много опытов с большим зажигательным зеркалом, составленным из 360 плоских стеклянных посеребренных зеркал размером 16X22 сантиметра каждое. Зеркала были установлены на раме таким образом, что их положение можно было регулировать в отдельности. Лучи, отраженные зеркалами, могли быть сфокусированы на различных расстояниях. Так, на расстоянии 50 метров сфокусированный пучок имел диаметр 44 сантиметра. При меньших фокусных расстояниях диаметр пучка был соответственно меньше. Бюффон пришел к заключению, что возможно зажечь дерево на расстоянии 68 метров. С 45 зеркалами он расплавил три килограмма олова в горшке на расстоянии 6,5 метра, а со 117 зеркалами расплавил на том же расстоянии серебро. При помощи 154 зеркал Бюффону удалось поджечь расположенные на расстоянии 77 метров щепки, покрытые древесным углем и серой.
Несколько лет назад был проведен такой опыт. 450 плоских зеркал, каждое размером 445 квадратных сантиметров (то есть общей площадью примерно 20 квадратных метров), были направлены на парус, венчавший модель античной триремы длиной несколько метров. Поскольку каждое из зеркал могло поднять температуру паруса на полтора градуса, парус в конце концов действительно воспламенился. Количество зеркал, помноженное на вызываемое ими увеличение температуры, дает в результате 675 градусов по Цельсию. Этот опыт показал, что в действенности "зажигательных зеркал" Архимеда сомневаться не приходится.
Но возможно ли было за 300 лет до нашей эры тогдашней примитивной техникой ориентировать в одном направлении одновременно большое число зеркал? Могли ли вообще зеркала, созданные 2200 лет назад, отражать солнечный свет, не. рассеивая его? Античные зеркала, найденные при раскопках, настолько несовершенны, что трудно в это поверить.
По одной из последних гипотез, пожар на кораблях был вызван зажигательными снарядами или стрелами, которые атакующие не видели из-за ослепления их зеркалами. Зеркала в виде гигантских бронзовых дисков диаметром два-три метра, ослеплявшие врага отраженным солнечным светом, выполняли иное назначение: служили инструментом наведения, оптическим прицелом. Видимо, Архимед сконструировал метательный аппарат с двойным прицелом. Стрелок мог спустить тетиву, когда "солнечный зайчик" от зеркала на паре триремы окажется на одной прямой с глазом стреляющего и глазком прицела. Изобретение Архимеда — это не что иное, как принцип действия фотокамеры. Стреляя из аппарата Архимеда, невозможно было промахнуться. Действие его ограничивалось лишь дальностью полета стрелы. Вполне возможно, что устройство было снабжено гониометрической шкалой (известной уже во времена Архимеда) для переориентировки отражающего зеркала в зависимости от высоты Солнца над горизонтом.
Что же происходило на кораблях Клавдия Марцела? В первое мгновение команда, ослепленная блеском гигантских бронзовых зеркал, ничего не могла разобрать, через несколько секунд моряки заметили, что паруса охвачены огнем. Поскольку они не знали, какими свойствами обладает "греческий огонь" (зажигательная смесь из смолы, серы и селитры), как он невесом и как велика его воспламеняющая сила, им показалось, что именно ослепляющие их зеркала являются причиной пожара. Отсюда и распространенное заблуждение, согласно которому Архимед изобрел вогнутые зеркала, способные воспламенять предметы на расстоянии.
В 1890 году русский астроном В. К. Цераский, автор астрофотометрии, известный также открытием красивого и довольно редкого явления природы — загадочных серебристых облаков, самых высоких облаков земной атмосферы, появляющихся на высотах 70–90 километров, создал установку из зеркал-рефлекторов для получения высоких температур. Ему удалось довести температуру в фокальной плоскости своей установки до 3500 °C. В ней Цераскии плавил многие металлы и металлоиды.
На этом же принципе работают современные солнечные печи. Они применяются в высокотемпературной металлургии для получения материалов высокой чистоты и жаростойкости. Одна из крупнейших солнечных печен была построена во Франции, в Пиренеях. Ее мощность 1000 киловатт. Огромное зеркало площадью 1750 квадратных метров фокусирует солнечные лучи, создавая температуру в фокальной плоскости свыше 3000 °C. Производительность печи 2,4 тонны циркония в сутки. (Цирконий — конструкционный материал для атомных реакторов. Он обладает замечательным свойством быть "прозрачным" для нейтронов.)
В Физико-техническом институте имени С. В. Стародубцева АН Узбекской ССР разработаны и успешно испытаны солнечные печи с диаметром зеркала в несколько метров, способные нагреть исследуемый материал до четырех тысяч градусов. Достигнутая температура равна двум третям от теоретически возможной в солнечных печах — температуры поверхности Солнца (около шести тысяч градусов).
Вот уже миллионы лет природа работает по принципу фокусировки солнечного света. Например, цветы лютика подставляют навстречу солнечному свету свои нежные лепестки и собирают его на завязях в центре цветка. Эта же идея положена в основу современных солнечных теплоэлектростанций. Множество зеркал ориентируются по Солнцу и концентрируют его лучи на вершине водяной башни. Образующийся пар вращает лопасти турбин.
Такие электростанции строят сейчас во многих странах, в том числе и в нашей стране…
В Крыму, вблизи Акташского озера, создается экспериментальная солнечная электростанция мощностью 5 мегаватт (СЭС-5). Специальные зеркала с помощью автоматики будут поворачиваться вслед за Солнцем и направлять его лучи на парогенератор, установленный на 90-метровой металлической башне. Чтобы турбины станции работали ночью и в пасмурные дни, будут построены большие хранилища горячей воды и пара. После промышленной эксплуатации СЭС-5 намечено соорудить в том же районе солнечную электростанцию мощностью 200–300 мегаватт.
Первая солнечная станция в Крыму приобретает зримые очертания: уже высятся гелиостаты, вырисовываются контуры громадного поля зеркал…
В 1983 году в Узбекистане начнется сооружение одной из крупнейших в мире солнечных электростанций мощностью 320 тысяч киловатт. Страна сияющих зеркал раскинется вблизи целинного города Талимарджана. По командам ЭВМ 72 тысячи зеркал, каждое из которых площадью 49 квадратных метров, будут незаметно для глаза поворачиваться вслед за Солнцем. Любое из зеркал должно занимать такое положение, чтобы пойманный солнечный зайчик точно падал на одну из граней котла, вознесенного над гелиостатным полем на двухсотметровой мачте: При этом электроника должна обеспечить "зеленый свет" каждому солнечному посланцу, чтобы лучи всех 72 тысяч гелиостатов не пересекались. В случае затянувшегося ненастья в работу вступит "дублер" гелиоустановки. На этот случай в проекте предусмотрен обычный топливный котел, использующий природный газ.
Есть у гелиостанций серьезный недостаток. Плотность потока солнечной энергии невелика. С одного квадратного метра освещенной Солнцем поверхности в среднем можно "снять" не более 100 ватт. Поэтому, чтобы получить 320 тысяч киловатт, только для гелиостат-ного поля должна быть отчуждена площадь более трех квадратных километров. А это для такого благодатного края совсем немало. Поэтому речь может идти только о землях, непригодных для сельскохозяйственных угодий.
Новая гелиоустановка, преобразующая солнечную энергию в электрическую, недавно была опробована на испытательной станции в песчаной пустыне Мохаве (США, штат Калифорния). Ее коэффициент полезного действия равен 29 процентам. Это очень высокий результат для гелиоустановок любого типа. Большая, диаметром в 11 метров, параболическая тарелка, выложенная зеркалами, концентрирует солнечные лучи на смонтированный в центре установки двигатель внешнего сгорания Стирлинга, сконструированный изобретателем в 1816 году. Двигатель из-за его малой экономичности не получил широкого распространения. Однако в новой гелиоустановке он исключительно удачно оказался на своем месте. Калифорнийская фирма "Эдванс корн" предполагает построить промышленный вариант гелиодвигателя внешнего сгорания Стирлинга в 1983 году. Установка будет автоматически поворачиваться за Солнцем.
Даже в северных странах, где еще совсем недавно к проектам использования солнечной энергии относились скептически, начали всерьез задумываться над их реализацией. Пример тому Швеция, страна с довольно холодной зимой и коротким световым днем. В 1980 году в пригороде Стокгольма — Скугосе пущена опытная теплоцентраль, работающая на солнечной энергии. Она успешно справляется с обогревом целого жилого микрорайона, хотя зимой в этих местах столбик термометра нередко опускается до минус 30 градусов.
Собирают солнечную энергию специальные пластины, общая площадь которых составляет 1100 квадратных метров. Энергия Солнца, улавливаемая с их помощью, нагревает воду до температуры 75–80 градусов, которая затем подается по трубам в дома.
Первые результаты оказались обнадеживающими, поэтому "солнечную котельную" решено расширить. Однако окончательный вывод, по мнению специалистов, можно будет сделать года через два.
Если эксперимент будет успешным, то энергия Солнца будет широко использоваться в Скандинавских странах для обогрева зданий.
Конечно, по сравнению с обычными теплоцентралями новая установка требует больших первоначальных капиталовложений, но в условиях наступления энергетического кризиса этот фактор не является главенствующим.
У теплоэлектрических солнечных станций есть серьезный соперник — фотоэлектрические станции, или, иначе, солнечные батареи. (Они уже упоминались, когда речь шла о солнечных самолете и электромобиле.) Если солнечные теплоэлектростанции преобразуют энергию солнечного света сперва в тепловую, а затем в электроэнергию, то фотоэлектрические станции обходятся без промежуточной ступени: фотоэлектрический преобразователь (фотоэлемент) превращает энергию света прямо в электроэнергию. Роль преобразователя выполняют полупроводники.
Со времени запуска третьего советского спутника и американского "Авангарда-1", на которых были впервые установлены солнечные батареи, они по-прежнему остаются основным источником электропитания космических аппаратов. Кремниевая солнечная батарея на "Спутнике-3" проработала два года, снабжая электроэнергией передатчик "Маяк", пока сам спутник не сгорел в более плотных слоях атмосферы.
Не без основания солнечные фотоэлектрические станции считаются весьма перспективным направлением: в них отсутствуют движущиеся части, они имеют неограниченный срок службы, требуют минимального обслуживания (или вообще не требуют такого). В отличие от электрогенераторов других типов они могут применяться в широких пределах мощности — от одного ватта и менее до нескольких миллионов киловатт.
С выходом на космические орбиты расширилось и наземное использование солнечных батарей. Это еще один пример практической отдачи тех усилий, которые были вложены в освоение космоса.
Пока еще стоимость солнечных элементов достаточно высока, но в ряде случаев их применение уже сейчас является экономически выгодным. Автоматические морские и речные бакены, сигнальные огни на буях, в маяках, на морских нефтяных вышках, автоматические метеостанции и другие удаленные труднодоступные приборы, источники электроэнергии для небольших южных селений, экспедиций, чабанов, слуховые аппараты, вмонтированные в оправу очков… Вот далеко не полный перечень устройств, использующих солнечные батареи. В США строится даже промышленное предприятие, где вся необходимая электроэнергия — для освещения, отопления и даже для технологических нужд — будет производиться солнечными элементами. Они расположатся на южном скате крыши здания и займут площадь 2400 квадратных метров. В пасмурные дни будет расходоваться энергия, запасенная впрок в мощных аккумуляторных батареях.
Фотоэлементы непрерывно совершенствуются — снижается стоимость их производства, повышается эффективность преобразования солнечной энергии, уменьшается масса.
Наиболее освоены па сегодняшний день кремниевые элементы. Их коэффициент полезного действия составляет около 15 процентов. Но коммерческое производство кремниевых солнечных элементов довольно сложно. Оно включает стадию выращивания кристалла из расплава, где требуется контроль температуры с точностью ±0,1 °C при температуре 1420 °C.
У кремниевых батарей появился серьезный конкурент — элементы на арсениде галлия. В лабораторных условиях их коэффициент полезного действия доведен до 20 процентов, кроме того, они способны выдерживать тысячекратную концентрацию потока солнечных лучей, менее чувствительны к воздействию различных разрушающих факторов космического пространства и в несколько раз тоньше, чем кремниевые батареи.
Замечательная способность арсенида галлия преобразовывать в электричество световой поток высокой плотности послужила основой для создания интересной схемы солнечного источника. Зеркала, которые можно сделать из сравнительно дешевых материалов, позволяют собирать солнечные лучи с необходимых площадей и затем фокусировать на фотопреобразователь из арсенида галлия небольшого размера и соответственно значительно меньшей стоимости по сравнению с солнечной батареей, построенной по традиционной схеме. Это одно из направлений, в котором у советских ученых есть неплохой задел на будущее. Ведутся работы по созданию фотопреобразователей с использованием органических полупроводников.
В последнее время достигнуты большие успехи в разработке солнечных батарей на основе сульфида кадмия. Хотя их коэффициент полезного действия пока ниже кремниевых, однако полагают, что в массовом производстве они будут дешевыми и способными в недалеком будущем конкурировать с привычными нам источниками энергии. По результатам ускоренных ресурсных испытаний ожидается, что срок службы элементов с использованием сульфида кадмия превысит двадцать лет. У сульфида кадмия важное преимущество: солнечная батарея может быть выполнена в виде пленки. Это упрощает монтаж па ферменных конструкциях, которые перспективны как для космоса, так и для Земли.
Но кремний пока не собирается сдавать позиции.
В ряде стран, в том числе и в СССР, разрабатывается новая технология производства кремниевых элементов в виде длинных тонких лент. При этом удается исключить из технологии дорогостоящий процесс нарезки тонких кремниевых пластин из большого монокристалла, автоматизировать и снизить стоимость производства. Но пока выпуск дешевых и эффективных элементов в широких масштабах предвидится не ранее 1985 года. Одна из трудностей получения фотоэлементов, особенно кремниевых, состоит в том, что для их производства требуются большие затраты энергии, но здесь ученые возлагают надежды на само Солнце, а точнее, на уже упоминавшуюся солнечную печь.
Прогресс технологии производства кремниевых элементов наглядно отражается в стоимости одного ватта энергии, получаемой от солнечной батареи. Например, в США в 1974 году стоимость составляла 50–60 долларов за один ватт мощности, снимаемой с солнечной батареи. В 1977 году за счет совершенствования технологии стоимость была снижена до 15 долларов. Предполагается, что в 1986 году она составит около 50 центов за ватт. При такой стоимости кремниевые элементы смогут вырабатывать электроэнергию в земных условиях по ценам, конкурентоспособным с другими автономными источниками энергии.
Большое внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия фотоэлементов; Это позволит снизить площадь, отводимую под гелиостанции. На основе известных материалов и принципов вполне реально уже в ближайшее время создать фотоэлементы с коэффициентом полезного действия 35–40 процентов, а теоретически коэффициент полезного действия преобразователей с использованием объемного фотоэффекта в гипотетических пока материалах может превысить и 90 процентов.
Особенностью наземных гелиостанций является то, что источник их энергии — солнечный свет — нестабилен. Интенсивность его даже при идеальных погодных условиях изменяется в течение суток от максимума в полдень практически до нуля ночью. В облачные, пасмурные дни, при пыльных или песчаных бурях солнечный свет может надолго "выключаться" даже днем. Поэтому, чтобы обеспечить бесперебойное снабжение электроэнергией, ее надо запасать впрок, и в довольно больших количествах. Из-за этой особенности солнечные электростанции будут эффективными при пиковых, а не базовых, постоянных, нагрузках.
Крупномасштабное накопление энергии — задача сложная. Строить резервуары-хранилища на большое количество горячей воды и пара — довольно дорого, да и потери при хранении и преобразовании энергии будут немалыми. Заманчиво иметь запас энергии непосредственно в самой удобной форме — электрической. Работы по созданию "складов" электрической энергии ведутся. Например, объединение американских фирм разрабатывает гигантский свинцово-кислотный аккумулятор, который займет площадь 0,2 гектара и будет весить 2250 тонн. Элементы этой аккумуляторной батареи будут автоматически заполняться электролитом. Общий вес ее свинцовых пластин составит 1575 тонн. Ввод "супераккумулятора" намечен на 1984 год. Батарея по проекту должна обеспечить подачу мощности в 45 мегаватт. А вот еще один пример "склада" электричества, основанного на явлении сверхпроводимости. Известно, что электрический ток может сколь угодно долго циркулировать без каких-либо потерь энергии по "кольцевому маршруту" в соленоиде, охлажденном до температуры, близкой к абсолютному нулю (минус 273 градуса Цельсия). При такой температуре электрическое сопротивление проводника становится нулевым. В 1984–1987 годах в США, в университете штата Висконсин, планируется создать экспериментальную установку, способную хранить 100 мегаватт-часов электроэнергии. Гигантская катушка более 100 метров в диаметре будет установлена в специальном тоннеле, пробитом в горах. В нем с помощью установок с жидким гелием будет поддерживаться температура, близкая к абсолютному нулю. По оценкам специалистов Висконсинского университета, коэффициент полезного действия подобных установок будет около 95 процентов.
В последнее время ученые думают над тем, как воспользоваться существующими в природе способами преобразования солнечной энергии. Один из них биологический, базирующийся на фотосинтезе растений, вот уже миллионы лет превращающих световую энергию в химическую. Но в среднем по земному шару коэффициент полезного действия такого преобразования составляет лишь доли процента. В то же время микроскопические водоросли, такие, как хлорелла, имеют коэффициент полезного действия до шести процентов. Возникает вопрос: как еще увеличить его? Ответить на этот вопрос можно, только зная в деталях механизм фотосинтеза. Исследования в этом направлении ведутся в институтах фотосинтеза, биохимии, физиологии растений АН СССР и за рубежом.
Наряду с этим намечаются пути практического использования уже имеющихся биологических преобразователей. По мнению академика Н. Н. Семенова, заманчивым, с точки зрения возможности относительно быстрой реализации, представляется следующий двухступенчатый метод: на первом этапе под действием солнечного света на культуру быстрорастущих микроводорослей или других растений накапливать органическую биомассу, а затем с помощью специальных бактерий перерабатывать ее в высококалорийное топливо, например в метан. Лабораторные установки такого типа уже создаются в нашей стране. В Канаде, в лаборатории Торонтского университета, таким методом предложено получать нефть. На первом этапе специальные бактерии под действием солнечных лучей "извлекают" углекислый газ из атмосферы, превращая его в сахар, который затем другие виды микроорганизмов "перегоняют" в топливо. Как полагают канадские исследователи, получение горючего этим методом на промышленной основе можно наладить в течение пяти лет. Одна квадратная миля, засеянная такими бактериями, может дать такое количество топлива, которое эквивалентно примерно двум миллиардам литров нефти.
Другой природный запас энергии Солнца на Земле скрывается в океане. Он проявляется в разнице температур поверхностного и глубинного слоев воды. Градиент температуры может привести в движение тепловые машины с электрогенераторами. Существуют инженерные проекты таких систем. Но не исключено, что их придется переделывать. Виновник тому — чудесный и, как недавно выяснили, многообещающий никелево-титановый сплав — нитинол. Его замечательное свойство заключается в способности быстро изменять свою форму при различных температурных воздействиях. При комнатной температуре кусочек нитиноловой проволоки прочен как сталь. Но при погружении в холодную воду проволока вдруг становится мягкой и податливой. Если се изогнуть, то она останется изогнутой. В горячей же воде она распрямляется с огромной силой и принимает свою первоначальную форму. Таким образом, перед нами преобразователь энергии, который требует лишь изменения температуры для высвобождения сил, достигающих около 9 тонн на каждый квадратный сантиметр.
Созданы и первые нитиноловые двигатели. Причем для их работы нс нужна нефть, газ или электроэнергия, а достаточно теплой воды. Специфические превращения, обусловленные способностью сплава восстанавливать свою форму (кстати, их механизм до сих пор полностью не ясен), вызываются температурным перепадом, составляющим всего 9 °C. Некоторые исследователи утверждают, что при меньших примесях сплав сможет реагировать на разницу температур всего в 3–4 °C. Успехи современной металлургии делают получение чистого нитинола вполне возможным.
Нитиноловые двигатели, рассчитанные на работу при постепенно понижающихся температурах, можно установить вдоль потока горячей воды, сбрасываемой промышленным предприятием. Извлекая энергию из сбрасываемой воды, нитиноловые двигатели тем самым поглощают отработанное тепло и потому препятствуют тепловому загрязнению рек и разного рода водоемов. Учитывая, что в индустриально развитых странах отработанное тепло составляет около двух третей всей потребляемой энергии, то повода для беспокойства, что нитиноловые двигатели останутся без топлива, вряд ли возникнут. Ученые подсчитали, что нитиноловые двигатели, работающие с КПД, равным всего 3 процентам, могут извлечь из Гольфстрима достаточно энергии для удовлетворения потребностей всего Восточного побережья США.
И как материал нитинол хорош: легок, обладает коррозионной стойкостью, немагнитен, необычно инертен даже после длительного контакта с живой тканью. Последнее особенно привлекает медиков. Сплав уже нашел применение в хирургии. Пожалуй, наиболее дерзким замыслом является проект насоса для сердца с использованием нитиноловой проволочки, которая будет расширяться и сжиматься, подобно сердечной мышце.
Нитиноловая технология еще находится в первоначальной стадии развития, но, по мнению создателей нитинолового двигателя, специалистов калифорнийской компании "Макдоннел-Дуглас", этот сплав может изменить направление поисков новых источников энергии. Не исключено, что со временем нитиноловые электростанции могут оказаться экономически куда более выгодными, чем тепловые и атомные электростанции.
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.
Электростанции на орбите
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.
В отличие от "Салюта-6" для солнечных электростанций на геосинхронной орбите, где Солнце практически никогда не заходит, аккумуляторные батареи не нужны. Какой представляется ученым космическая солнечная электростанция? По одному из проектов, это две прямоугольные решетки длиной шесть и шириной пять километров каждая. Они соединены между собой несущей конструкцией из непроводящего материала. На решетках. помещаются зеркала концентраторов (расположенных в форме желоба), а между ними — кремниевые солнечные батареи. Зеркала-концентраторы направляют падающие на них солнечные лучи на кремниевые' элементы и тем самым повышают интенсивность солнечного потока. Использование зеркал удешевляет станцию, поскольку они много дешевле солнечных элементов. С течением времени под воздействием радиации солнечные батареи деградируют, их коэффициент полезного действия падает. Согласно оценкам суммарная степень деградации за 30 лет работы составит 20 процентов. Чтобы компенсировать уменьшение мощности, прямоугольные решетки можно наращивать новыми секциями со "свежими" кремниевыми элементами или производить постепенную замену сильно "постаревших" элементов. С такой солнечной "плантации" можно получить 8,6 миллиона киловатт мощности. Для сравнения: мощность Братской ГЭС около 4,1 миллиона киловатт.
Но получить в космосе электроэнергию — это, можно сказать, еще полдела. Вот как передать ее на Землю? Пока не создан пригодный для практического использования материал для провода, который можно было бы протянуть на высоту 36 тысяч километров. Если опускать с орбитальной станции самый прочный стальной трос, то он оборвется уже через 48 километров под действием собственного веса. Ученые считают, что лучше всего для передачи электроэнергии с орбиты использовать радиоволны: как в линиях радиосвязи. Только передавать радиоволны будут не информацию, а энергию. Идея передачи энергии в электромагнитном поле была впервые высказана и развита нашим соотечественником Н. А. Умовым в 1874 году в своей докторской диссертации. Югослав Тесла проверил это экспериментально. В 1899 году в Колорадо он построил радиостанцию мощностью 200 киловатт. На расстоянии 25 километров была обеспечена работа нескольких электролампочек и электромоторов.
Так что в принципе этот вопрос был решен в XIX столетии. Но как это часто случается, сама идея намного обогнала практическую потребность в ее промышленной реализации. Поэтому передача энергии с помощью радиоволн сверхвысоких частот считается сейчас новой областью. Развивается она довольно бурно, словно стремится наверстать потерянное за минувшее без малого столетие. Во многом большой прогресс, достигнутый в этом вопросе за последние годы, объясняется тем, что почти все компоненты для создания такой системы передачи энергии уже имелись в наличии. Их заранее подготовила радиоэлектроника. В настоящее время уже существуют линии электропередачи с помощью радиоволн, КПД которых превышает 50 процентов. Ожидается, что при использовании более совершенных приборов КПД достигнет 70 процентов.
Как же устроена радиолиния для передачи электроэнергии? Солнечные батареи преобразуют энергию солнечного света в постоянный ток, который подводится к генераторам колебаний сверхвысоких частот, то есть служит для них источником электропитания. Генераторы преобразуют постоянный ток в колебания сверхвысоких частот — радиоволны.
Техника генерирования и усиления колебаний сверхвысоких частот хорошо освоена промышленностью и интенсивно развивается и совершенствуется. Например, в США ежегодно производится более миллиона сверхвысокочастотных приборов на общую сумму полмиллиарда долларов. На сегодняшний день известны свыше тысячи типов приборов для генерации радиоволн, мощность каждого из которых превышает несколько киловатт, но пока наиболее подходит амплитрон — прямой "родственник" прибора, с которого, можно сказать, и началось широкое использование радиолокации…
Во время второй мировой войны американская фирма "Белл" не раз помещала на страницах журналов один и тот же рекламный снимок: часовой с винтовкой охраняет ящичек с большими сургучными печатями. Внизу подпись: "Тут хранится самая большая тайна этой войны". В 1946 году фирма опубликовала снимок с содержанием ящичка. В нем лежал магнетрон — прибор, который имел действительно большое военное значение. Без него не могли бы эффективно работать радары тех лет. Уинстон Черчилль, похваляясь, назвал радар чисто английским изобретением. Однако тайной магнетрона владели не только Англия и США. Его изобрели и впервые использовали в нашей стране. В 1924 году в Харьковском университете под руководством и по предложению профессора Д. А. Рожанского его учениками были начаты работы, которые привели к созданию магнетрона. Об этих исследованиях и их результатах было опубликовано в журнале Русского физико-технического общества в 1925 году. Впоследствии харьковские ученые создали экспериментальный радиообнаружитель "Зенит", который был первой радиолокационной станцией, определявшей три координаты цели, что было важно для управления стрельбой зенитной артиллерии. Испытывался "Зенит" в боевых условиях в 1941 году, защищая небо столицы. Своей трехкоординатностью "Зенит" был обязан магнетрону. Он генерировал короткие, дециметровые волны, и при сравнительно небольших размерах антенны можно было определять не только азимут, но и высоту цели (а точнее, связанный с нею угол места цели). В других радиолокаторах, созданных в то время в нашей стране и за рубежом, в качестве передатчиков использовались триодные лампы, которые генерировали более длинные — метровые волны. Поэтому локаторы не могли определять третью координату — высоту цели. Слишком велик для этого должен был быть вертикальный размер антенны. Лишь позднее в английских станциях появились магнетроны. К сожалению, начавшаяся Великая Отечественная война, потеря производственной базы на европейской территории страны не позволили быстро наладить серийный выпуск таких сложных систем, какими являются радиолокационные станции.
Амплитроны, которые предполагают не пользовать в радиолинии электропередачи космос — Земля, это, по существу, модернизированные магнетроны. Для амплитрона характерен высокий коэффициент полезного действия (вполне реальны значения около 90 процентов) и малая удельная масса (отношение полной массы прибора к его выходной мощности). Ученые определили, что если воспользоваться для создания передатчика радиолинии комплектом амплитронов с выходной мощностью каждого в пять киловатт, то оптимальная длина рабочей волны линии электропередачи, при которой масса прибора и его стоимость будут минимальны, лежит вблизи 12 сантиметров.
Соперничают с амплитронами другие сверхвысокочастотные приборы — клистроны. Хотя их коэффициент полезного действия меньше (70–80 процентов), стоимость и удельная масса больше, однако эти приборы более мощны, и потому их понадобится меньше, чем амплитронов, что облегчит сборку передатчика на орбите.
Для того чтобы передать с орбиты и принять па Земле радиоволны — переносчики электроэнергии, — нужны передающая антенна в космосе и приемная на Земле. Как подсчитали ученые, их оптимальные размеры таковы: передающая антенна около одного километра в диаметре, а приемная около десяти километров. При таких размерах стоимость радиолинии будет минимальной, а коэффициент полезного действия максимален. В уже упоминавшемся проекте солнечной электростанции передающая антенна располагается между двумя прямоугольными решетками с кремниевыми элементами.
Приемная и передающая антенны должны быть точно ориентированы друг относительно друга. Во-первых, для того, чтобы основная часть энергии, передаваемая с орбиты, не пропадала зря (в принципе потери неизбежны из-за так называемых боковых лепестков антенного луча), и, во-вторых, по соображениям безопасности: ведь интенсивный поток сверхвысокочастного излучения не безвреден для человека.
Хотя электростанция будет находиться на стационарной орбите, однако ее точка стояния будет незначительно, но все-таки перемещаться относительно наземного пункта. Это приведет к отклонению луча передающей антенны от требуемого положения. Источники возмущающих движений станции — неоднородность гравитационного поля Земли, возмущающее действие гравитационных полей Луны и Солнца, давление света и, в свою очередь, противоположное давление, вызываемое отдачей сверхвысокочастотного излучения (передатчик радиолинии действует словно реактивный двигатель, только вместо сопла — антенна, а вместо газов — сверхвысокочастотное излучение). Уходы точки стояния придется корректировать с помощью корректирующих двигателей. Антенные лучи могут сдвигаться и по другим причинам, например, из-за изменений температуры и параметров аппаратуры в процессе эксплуатации… Поэтому должен быть обеспечен постоянный контроль за качеством ориентации и подстройка лучей антенн, если она нарушится.
Поскольку размеры наземной антенны довольно велики — десять километров в диаметре, то управлять ею довольно сложно. Лучше подстраивать передающую антенну в космосе: ее площадь в сто раз меньше, а сложность электронного управления лучом антенны в первом приближении пропорциональна ее площади. Ориентиром для подстройки луча передающей антенны будет служить тонкий опорный радиолуч, излучаемый наземной антенной.
Приемную антенну можно выполнить в виде большого числа крошечных антенн диполей. (Пример дипольной антенны — индивидуальная внешняя или внутренняя телевизионная антенна, только размер диполя для наземной антенны в несколько раз меньше, так как для телевидения используются метровые волны, а электроэнергию предполагают передавать на дециметровых волнах.) Приемная антенна будет не только принимать сверхвысокочастотное излучение, но и преобразовывать его в постоянный ток. Подобные антенны-преобразователи называются ректеннами. Для этого каждый диполь снабжен миниатюрным выпрямителем, который преобразует радиоизлучение в постоянный ток. Токи всех диполей складываются и подаются либо в высоковольтную сеть постоянного тока, либо преобразуются в напряжение переменного тока. Специалисты подсчитали, что коэффициент полезного действия радиолинии электропередачи, то есть с выхода солнечных батарей до выхода в наземную высоковольтную сеть постоянного тока, составит 58 процентов, а выходная мощность, отдаваемая потребителям, — 5 миллионов киловатт. Есть проекты электростанций и на десять миллионов киловатт. Разнятся они главным образом размерами солнечных батарей.
Поскольку каждый диполь снабжен выпрямителем, то ширина луча приемной десятикилометровой антенны будет такой же, как у отдельного маленького липолика, у которого в довольно широком секторе нет резко выраженного направления приема. В этом можно убедиться, если повращать вокруг вертикальной оси обычную индивидуальную телевизионную антенну. Изменяя се положение в довольно широком угловом секторе (±10–20°), мы не добьемся заметного улучшения приема (когда поблизости есть большие строения, то могут быть и значительные изменения качества приема, по они объясняются другими причинами). Поэтому огромную приемную антенну не надо будет ориентировать на передающую антенну, что значительно упростит ее конструкцию. Приемную антенну можно сконструировать таким образом, чтобы она была прозрачной для света. Тогда расположенную под ней территорию можно использовать для других целей, например, для сельского хозяйства.
Выпрямление электрического тока сопровождается тепловыми потерями: выпрямительные диоды будут нагреваться, а тепло передаваться окружающему воздуху. В виде тепла будет рассеиваться не более 15 процентов передаваемого с орбиты излучения, и нагрев атмосферы не будет превышать нагрева, обычно наблюдаемого над городами. Этот эффект можно использовать для создания тепличного хозяйства под антенным полотном. По сравнению с тепловым загрязнением, которое сопровождает любой термодинамический процесс преобразования энергии, тепловое загрязнение от выпрямления сверхвысокочастотной энергии гораздо меньше.
Как и на орбитальной станции "Салют", на космической электростанции придется ориентировать на Солнце многокилометровые панели солнечных батарей, чтобы солнечные лучи падали отвесно на них. Для электростанции это наивыгоднейший режим работы. Расчеты, проведенные специалистами, показывают, что солнечные батареи должны быть сориентированы относительно Солнца с точностью 0,5°, а луч передающей антенны радиолинии передачи электроэнергии относительно наземной приемной антенны — с точностью ± 1°. Для управления положением и ориентации такой многокилометровой конструкции надо иметь более тысячи корректирующих двигателей. Они будут работать всего 5—10 дней в году. Так что должны быть предусмотрены рейсы космических танкеров для заправки корректирующих двигателей топливом. Для коррекции можно использовать и электронные двигатели. Тогда энергией их обеспечат солнечные батареи, но восполнять запасы рабочего тела все равно придется.
Чтобы проверить эффективность передачи энергии с помощью радиоволн, американские специалисты летом 1975 года повторили тесловский эксперимент 1899 года, но уже на современном уровне. В качестве приемной антенны они использовали антенну для радиолокации Венеры в Калифорнии, принадлежащую Лаборатории реактивного движения. Эта антенна площадью 24 квадратных метра содержала также выпрямительные элементы для преобразования сверхвысокочастной энергии в постоянный ток. Передающая параболическая антенна диаметром 26,2 метра находилась на расстоянии 1,6 километра от приемной антенны. Передача велась на длине волны 12,5 сантиметра. Мощность постоянного тока на выходе приемной антенны достигла 30,4 киловатта, а коэффициент полезного действия приемной антенны вместе с выпрямителями составил 82 процента. Результаты обнадеживающие. В дальнейшем возможно существенное упрощение конструкции, снижение массы и соответственно стоимости космической электростанции, если удастся сделать такую солнечную батарею, чтобы она преобразовывала энергию Солнца сразу же в сверхвысокочастотное излучение (минуя постоянный ток).
На своем пути из космоса к наземной антенне радиолуч пронизывает атмосферу. Как показали эксперименты, сверхвысокочастотный поток может существенно изменить состояние верхнего ионизированного слоя атмосферы — ионосферы. В результате взаимодействия радиолуча с ионосферой она нагревается. Еще в 1925 году было высказано предположение, что можно подогреть ионосферу с помощью достаточно мощного передатчика. Однако технические средства того времени не позволили проверить эту идею. В 70-х годах американские ученые осуществили такой эксперимент с помощью мощного радара в Аресибо (Пуэрто-Рико), который предназначен для радиоастрономических исследований. Энергия радиопередатчика излучалась с помощью антенны диаметром 305 метров, смонтированной под карстовым провалом.
Мощный поток радиоволн вызвал сильный нагрев ионосферной плазмы.
С этим явлением, видимо, придется считаться в будущей линии электропередачи космос — Земля. Оно вызовет отклонение радиолуча и его "размывание", а также приведет к дополнительным потерям энергии. Кроме того, локальный подогрев ионосферы может сказаться и на системах связи, которые "пользуются" свойством ионосферы возвращать обратно на Землю радиоволны. Благодаря этому свойству и возможны дальнее коротковолновое радиовещание и радиосвязь. Кстати, явление нагрева ионосферы радиоизлучением можно обратить и на пользу. Так, в упоминавшемся эксперименте с радаром в Аресибо мощный поток радиоволн привел к созданию радиоволноводов (так называют области пространства в атмосфере, где радиоволны распространяются на большие расстояния с малым затуханием), ориентированных по магнитным силовым линиям Земли. С помощью этих искусственно созданных волноводов была установлена устойчивая связь на расстоянии свыше двух тысяч километров. Открываются перспективы создания систем радиосвязи, не подверженных влиянию солнечных магнитных бурь. Возможно, что некоторые линии связи через разогретую ионосферу смогут соперничать по стоимости и простоте с системами связи через спутники. Полной неожиданностью для ученых оказался тот факт, что "подогреть" ионосферу можно с помощью передатчика сравнительно небольшой мощности. Исследование нагретой с помощью радиоволн плазмы в ионосфере привело к открытию целого ряда закономерностей в области физики плазмы.
По инженерным оценкам, площадь, непригодная для проживания в районе наземного приемного пункта, не будет превышать 270 квадратных километров (круг с радиусом 9,25 километра), из них около 80 квадратных километров занимает наземная антенна, а остальное — буферная зона. То есть приемную антенну можно размещать неподалеку от населенных пунктов, а это означает снижение потерь на транспортировку энергии. Вне буферной зоны уровень облучения будет незначительным, меньше допустимой для человека дозы длительного сверхвысокочастотного воздействия, установленного советским стандартом (0,01 милливатта на квадратный сантиметр). По советскому стандарту допустимая доза длительного радиооблучения в тысячу раз меньше, чем по стандарту США (10 милливатт на квадратный санти-метр). В основу американского стандарта положен тепловой эффект сверхвысокочастотного излучения на ткани тела. Советский же стандарт учитывает возможное воздействие излучения на центральную нервную систему, которое может проявиться даже при низких интенсивностях.
Неполадки в системе наведения радиолуча из космоса не должны приводить к превышению норм облучения. Для этого система наведения должна быть исключительно точной и надежной, а в случае, если все же случится неисправность, то передатчики космической электростанции должны мгновенно отключаться.
Вопрос воздействия сверхвысокочастотного излучения на живые организмы очень важен, и в нем есть еще немало "белых пятен". В частности, как будет влиять радиоизлучение на птиц, пролетающих зону радиолуча? Есть предварительные сведения, что птицы чувствуют сверхвысокочастотное облучение при плотностях потока свыше 25 милливатт на квадратный сантиметр и стремятся покинуть опасную зону.
Смогут ли самолеты пролетать зону радиолуча? Не будет ли вреда пассажирам? Не повлияет ли пролет радиолуча на работу самолетной электронной аппаратуры?.. Вопросов много. Они неизбежны, когда дело касается крупного нового проекта.
Предлагали для передачи электроэнергии с орбиты и лазерный луч. Проект заманчивый. Для лазера не надо таких больших антенн для передачи электроэнергии из космоса на Землю. Но есть у лазерного излучения серьезный недостаток…
Один мой знакомый радиоинженер рассказал мне как-то такую историю. Он участвовал в разработке и испытаниях экспериментальной лазерной телефонной линии связи в Москве. Телефонный узел Г-6 на Зубовской площади (в то время в Москве были еще шестизначные номера) соединили с помощью лазерной линии с университетом на Ленинских горах, где были установлены антенные устройства для приема и передачи сигналов лазера, передаваемых с Зубовской площади. По вечерам, примерно в одно и то же время, связь ухудшалась. Долго ломали голову. А оказалось все просто. Трасса пролегала над каким-то вечерним учебным заведением. Во время перерыва открывались окна для проветривания аудиторий. Потоки теплого воздуха из окон да еще с табачным дымом поднимались на пути лазерного луча и ослабляли его. На языке специалистов это явление называется "рассеянием на неоднородностях атмосферы". Так что лазерная система чувствительна к состоянию атмосферы. Облака, разного рода турбулентности поглощают и рассеивают лазерное излучение. Коэффициент полезного действия лазерной линии электропередачи при плохой погоде упал бы до очень низкого уровня. Кроме того, эксплуатация энергетической лазерной линии большой мощности требует повышенной осторожности. Случайное отклонение лазерного луча из-за неисправности системы его наведения может создать серьезную угрозу безопасности людей.
Есть и другие проекты доставки дополнительной солнечной энергии на Землю — с помощью огромных отражателей, размещенных в космосе, увеличить уровень освещенности Земли как для целей ночного освещения (программа Лунетта, по терминологии американского ученого Эрике), так и для стимуляции фотосинтеза (программа Солетта). Эти проекты интересны, и есть уже инженерные оценки их эффективности, произведенные известным американским ученым К. А. Эрике в его книге "Будущее космической индустрии" (М., изд-во "Машиностроение", 1979 г.). Кстати, размещать рефлекторы в космосе для дополнительного освещения Земли предлагал еще в двадцатые годы один из пионеров космонавтики Юрий Васильевич Кондратюк. К недостаткам проектов относят их невсепогодность: облачный покров поглощает солнечный свет. Кроме того, возможны нежелательные экологические последствия, связанные с изменением ритмов флоры и фауны. Ведь природа за миллиарды лет эволюции приспособилась к суточному ритму смены дня и ночи. Например, исследования показали, что все растения помнят генетически заложенный в них 24-часовой цикл и предпочитают жить в естественном суточном ритме. Вывод неудивительный, но очень важный, скажем, для опытов в космосе, где длительность суток для орбитальной зелени определяется искусственно.
Разные виды растений исторически различно приспособлены к длительности дня. Но стоит навязать любому из них несвойственный цикл — и цветения уже не будет. Даже 10-минутная ошибка грозит потерей плодоношения. Интересные эксперименты поставили в лаборатории биологической кибернетики Агрофизического ин-ститута ВАСХНИЛ в Ленинграде. Оказалось, что растения (если дать им такую возможность) могут самоуправлять своим световым днем согласно "врожденному" биоритму. Экспериментально было выяснено, что днем скорость водного тока в капиллярах растений отличается от ночной. Сделать это открытие помогли ученым специальные датчики, которые следят за перемещением воды в растениях, за ростом толщины побега, за температурой зеленого листа. Эти датчики, соперничающие по тонкости изготовления с лучшими ювелирными изделиями, не повреждают даже тончайшей травинки и позволяют вести непрерывные измерения. Если по сигналам от датчика скорости водного тока, прикрепленного к растению, автоматически включать и выключать электрическое освещение, то получится, что растение само устанавливает необходимую для себя границу дня и ночи. С помощью подобных датчиков ученые создали лабораторную систему самополива: растение само включало и выключало воду для орошения. Агрофизики считают, что если поливать растения согласно их собственной информации, то урожай будет максимальным.
Но главное звено в проекте солнечных электростанций — это не сама станция и не линия передачи электроэнергии на Землю, а транспорт. Именно стоимость транспортировки будет в значительной мере определять экономические показатели космических электростанций. Предстоит создать транспортную систему, способную доставлять крупногабаритные и тяжелые грузы на геостационарную орбиту за весьма умеренную цену. А перевезти предстоит немало: масса одной электростанции мощностью пять миллионов киловатт составит около 20 тысяч тонн.
Перспективным способом доставки представляется двухэтапная доставка. Сначала грузы от 200 до 500 тонн доставляются на низкую орбиту, а затем с помощью межорбитальных кораблей они доставляются на геостационарную орбиту.
Для доставки грузов на промежуточную орбиту потребуется создание космических кораблей многократного использования с грузоподъемностью от 200 до 500 тонн. Сейчас у специалистов пока нет единого мнения, каким должен быть такой корабль многоразового использования: крылатым (наподобие "Спейс Шаттл") или бескрылым, одноступенчатым. Во всяком случае, в проектах будущего рассматривают и тот и другой варианты. Нынешний "Шаттл" для этой цели не годится. Его грузоподъемность около 30 тонн.
Для межорбитальных кораблей предполагают использовать двигатели малой тяги, например, ионные, и среди них работающие на энергии солнечных батарей. "Тихим ходом", за несколько месяцев, межорбитальный буксир доставит грузы с низкой орбиты на геостационарную. Возможно, что предварительное развертывание конструкций удобнее будет сделать на промежуточной орбите на космической сборочной базе. Там же можно организовать и производство основных элементов конструкции из привезенных с Земли материалов и сделать большинство ручных работ, чтобы максимально автоматизировать сборку на далекой геостационарной орбите. Сами фотоэлементы придется монтировать на месте. По пути следования буксир пересечет радиационный пояс Земли, долгое пребывание в котором приводит к деградации солнечных батарей. Процесс монтажа фотоэлементов поддается автоматизации. В настоящее время освоен выпуск фотоэлементов в виде тонкой пленки, которую с помощью роликовых автоматов можно укладывать из рулона на ферменные конструкции. Подобным же образом можно монтировать на фермы зеркала-концентраторы в виде тонких лепт.
По-видимому, для проверки всех технических идей, операций по доставке, изготовлению и монтажу в космосе основных элементов первый опытный образец электростанции придется собрать на околоземной орбите. Согласно наметкам американских специалистов при современном уровне науки и техники первую промышленную электростанцию на геостационарной орбите можно создать к 1996 году. Затраты на разработку, доставку на геостационарную орбиту, монтаж и пуск на проектную мощность в промышленную эксплуатацию первой электростанции составит около 60 миллиардов долларов (напомню. что вся лунная программа "Аполлон" стоила около 25 миллиардов долларов). Из них 20–25 миллиардов долларов потребуется для разработки и создания технических средств собственно солнечной космической электростанции, а остальная сумма, то есть более половины средств, поглотит разработка системы космической транспортировки. Эти затраты окупятся к 2014 году, если в космосе будут функционировать 60 станций. Гарантированный срок службы каждой электростанции 30 лет. Ожидается, что доход за весь срок службы от каждой электростанции составит около 35 миллиардов долларов, тогда как эксплуатационные расходы за это же время — 4,2 миллиарда долларов.
Один из инициаторов создания солнечных космических электростанций, американский ученый Петер Глазер, так оценивает эту идею: "Даже на стадии разработки грандиозные масштабы программы развития космической энергетики — потребность в денежных средствах и материальных ресурсах, воздействие на окружающую среду, экономические и социальные последствия, международное политическое значение, влияние на национальные и межнациональные энергетические программы — выдвигают ее в ряд крупнейших технических программ, играющих важную общественную роль. Солнечная космическая энергетика сопоставима по значению с открытием деления и синтеза ядер, возникновением спутниковой связи, развитием межконтинентальной авиации; для ее создания потребуются столь же значительные усилия… Солнечные космические электростанции могут предоставить единственный удобный случай "заставить космос оплатить долги".
Насчет "единственного случая", наверное, Глазер намеренно "сгустил краски": космос уже дает прибыль. Взять хотя бы такие области, как метеорология, связь, навигация, которые в настоящее время уже немыслимы без спутников. Да и в других отраслях доля участия космических средств постоянно растет. Одно несомненно: космическая энергетика имеет хорошие перспективы в не столь уж отдаленном будущем. Эта уверенность звучит и в выступлениях советских ученых.
"Идеи космических электростанций меня привлекают потому, что они способны внести существенный вклад в земную энергетику, — излагает свою позицию летчик-космонавт СССР, профессор Константин Петрович Феоктистов. — Создание их — один из самых перспективных путей получения от ракетно-космической техники весомой отдачи в интересах всего человечества, превращение космонавтики в высокорентабельную сферу хозяйственной деятельности землян. И еще потому, что реализация этой цели — интереснейшая проектная задача. Хотя наверняка осуществлять ее будут те, кому сейчас на двадцать-тридцать лет меньше, чем мне.
…Остается добавить, что наличие в космосе огромного количества энергии и реальность ее утилизации, несомненно, приведет к развертыванию в нем промышленного производства. Проведенные на "Салюте-6" технологические эксперименты показывают, что получение на орбите уникальных сплавов, сверхчистых кристаллов, оптических стекол, биологических препаратов и многого другого может оказаться весьма выгодным в больших масштабах,
В будущем на высокие околоземные орбиты можно будет вынести особо "вредные" производства — некоторые виды металлургии, химической промышленности, атомную энергетику и отдельные технологические процессы.
Наличие мощных источников энергии в космосе позволяет при необходимости в разумных пределах влиять на земной климат.
Конечно, космическое производство и вся крупная хозяйственная деятельность на орбите будут максимально автоматизированы. Но для развертывания и поддержания их в космосе понадобятся люди. А это значит, нынешние усилия по созданию орбитальных станций и проведение на них разнообразных комплексных исследований — необходимый задел на будущее.
Не хочется, чтобы дело представлялось так, что "рентабельный космос" возникнет только после создания солнечных электростанций. Уже сейчас значительная часть всей космической деятельности приносит достаточно высокий экономический эффект…"
"В XXI веке, — с уверенностью говорит профессор МВТУ имени Баумана С. Д. Гришин, — на ночном небосводе ярко загорятся новые созвездия — энергетические спутники Земли…"
Ожидается, что в XXI веке космические электростанции будут удовлетворять 10–20 процентов мировых потребностей в электроэнергии, а в некоторых странах эта цифра может достичь 40–50 процентов. Это станет весомой, экологически чистой добавкой к наземной энергетике планеты. Мощные электростанции на Земле и в космосе, преобразующие энергию Солнца в электричество, будут в полную силу служить человеку. Не исключено, что XXI век люди назовут веком Солнца!
