Новая энергетика

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КЭС

Новая энергетика - Космическая энергетика

Проектный облик КЭС в настоящее время в основном определился. Это грандиозные сооружения, не имеющие аналога в истории космической техники. При полезной мощности в 5 млн. кВт масса станций на рабочей орбите оценивается в 20—60 тыс. т в зависимости от способа преобразования лучистой энергии Солнца в электрическую и массового совершенства энергоустановки и системы направленной передачи энергии из космоса на Землю.

Использование фотоэлектрического способа непосредственного преобразования лучистой энергии Солнца в электрическую на основе полупроводниковых солнечных элементов, обладающих коэффициентом полезного действия в диапазоне 10—20%, приводит к необходимости улавливания большого количества лучистой энергии, что влечет за собой построение солнечных коллекторов большой площади.

Турбомашинный, или, как его иначе называют, термодинамический, способ преобразования энергии солнечной радиации в электрическую с помощью системы — солнечная печь, турбина, генератор — характеризуется предварительным преобразованием лучистой энергии в тепловую. КПД турбомашинного способа может быть доведен до 40% и более, что приводит к уменьшению поверхности солнечного концентратора — устройства, обеспечивающего фокусирование солнечных лучей на теплоприемнике. В результате этого габариты солнечной электростанции с турбо-машинным способом преобразования оказываются умеренными, однако использование металлоемких систем — турбины, радиаторов, электрогенератора — приводит к возрастанию массы электростанции.

Передача энергии на Землю может быть осуществлена СВЧ лучом или лазерным лучом. Первый способ характеризует благоприятные условия прохождения луча через атмосферу, высокие КПД прямого и обратного преобразования, возможность использования созданных и отработанных СВЧ приборов. Преимущество лазерного метода заключается в возможности формирования узкого луча, малых размерах передающих и приемных устройств. Однако эффективность прямого и обратного преобразований в этом случае невысока, кроме того, поглощение лазерного излучения атмосферой может привести к снижению КПД передачи до недопустимого уровня. В целом передача энергии из космоса на Землю СВЧ лучом представляется на сегодняшний день предпочтительнее.

Для сборки, развертывания, доставки на рабочие орбиты и обслуживания КЭС в космосе потребуется создание специальных сборочно-монтажных, воздушно-космических и межорбитальных транспортных и эксплуатационных космических комплексов. В сочетании с наземной приемной станцией — ректенной (выпрямляющей антенной), наземным пунктом управления и грузовыми и пассажирскими ракетами-носителями сопутствующие космические комплексы образуют целую систему объектов вокруг КЭС. Создание всех этих комплексов представляет собой не менее сложную задачу, чем создание самих КЭС. Ключом к решению всей проблемы будут грузовые сверхмощные ракеты-носители (РН), с помощью которых элементы КЭС должны выводиться с Земли на низкую околоземную орбиту отдельными квантами массой от 100 до 600 т.

Эксплуатируемые в настоящее время ракеты-носители являются одноразовыми; это означает, что их ступени, выполнив свои задачи, падают на Землю и безвозвратно теряются либо почти полностью сгорают в атмосфере. При этом каждый запуск требует новой ракеты-носителя, чем и объясняется большая стоимость выведения полезного груза в космос — около 2000 долл./кг. Стоимость выведения складывается из расходов на создание материальной части РН, стоимости ракетного топлива, затрат на обслуживание РН на стартовой позиции.

В настоящее время ученые и инженеры изучают возможности использования многоразовых РН, с помощью которых ожидается существенное снижение стоимости выведения полезного груза. Каждая ступень, выполнив свою задачу, должна будет совершать мягкую посадку на Землю, вновь доставляться на стартовую площадку, ремонтироваться, заправляться и опять использоваться. Расчеты показывают, что уже с помощью частично многоразового носителя ожидается снижение стоимости выведения до 500 долл./кг, переход на полностью многоразовые РН, построенные с учетом новейших достижений двигателестроения, материаловедения, теории конструкций и других направлений ракетно-космической техники, позволит довести стоимость выведения полезного груза до величин 10—50 долл./кг. РН для выведения КЭС и других крупногабаритных объектов исключительно сложна. Можно представить, что перспективный сверхмощный носитель конца XX века будет одноступенчатой ракетой баллистического типа с двигательной установкой, работающей на жидком водороде и кислороде.

Стартует она вертикально и вертикально же совершает посадку на озеро, расположенное в районе стартовой позиции, откуда буксируется на старт для профилактического осмотра, ремонта и заправки. При массе полезного груза 250 т ее стартовая масса составит 6 тыс. т, сухая масса — 350 т. Для сравнения укажем, что стартовая масса РН — «Восток» составляла около 300 т при сухой массе 25 т и массе полезного груза порядка 5 т.

С помощью сверхмощных, высокоэффективных РН на низкую опорную орбиту планируется за год доставить все составные элементы одной КЭС, а также космические межорбитальные комплексы с необходимыми запасами топлива. Грузопоток с Земли в космос в объеме 500 т/сут может быть обеспечен с помощью системы из двух сверхмощных РН.

С учетом сказанного создание КЭС на околоземных орбитах представляет собой реализуемую задачу, на пути решения которой нет принципиальных теоретических трудностей. Однако с учетом большого объема финансовых и материальных затрат, серьезных экономических и социальных последствий задача является проблемой большого масштаба, решение которой должно осуществляться на основе международного сотрудничества. КЭС обещают принести значительную прибыль в случае разработки и создания космических и наземных технических комплексов с оптимальными параметрами. Для достижения этого требуется радикальное снижение стоимости производства солнечных элементов, резкое сокращение затрат на выведение полезных грузов на рабочие орбиты, разрешение возникающих экологических проблем и вопросов безопасности при развертывании и эксплуатации электростанций в космосе.