«Техника-молодежи» 1999 №9, обл, с.12-14

Энергоимпорт

Юрий Еськов
Прогресс человечества обоснованно связывается с ростом выработки энергии на душу населения. Эта же величина определяет и уровень жизни, и всевозможные, порой весьма успешные, мероприятия по энергосбережению принципиально этого не меняют. Да вот беда — уже нынешний уровень энергопроизводства фатален для экологии Земли, а ведь 5/6 населения нашей планеты испытывают острейший энергетический дефицит! Сокращение же численности человечества самоубийственно, но об этом как-нибудь в другой раз, сейчас речь об энергетике.

Тема эта для нас постоянная. Так, в № 6 за этот год мы рассказали о легко — по мнению автора — реализуемом проекте термоядерной электростанции. Однако это тоже не выход — греться все равно будет земная атмосфера, что нежелательно. Может быть, решение — идея, в разработке которой принимал участие сотрудник Исследовательского центра им.М.В.Келдыша (в недавнем прошлом — НИИ тепловых процессов).

О

создании космических электростанций (КЭС) и передаче производимой ими энергии на Землю заговорили в начале 70-х гг, когда мировой нефтяной кризис заставил искать альтернативные энергоисточники. Скоро стало ясно, что экономически эффективные, тем более конкурентоспособные, КЭС должны иметь чудовищную мощность, а значит, и размеры. Но создание конструкций массой в десятки тысяч тонн, размерами в десятки километров на геостационарной орбите представляет очевидные трудности, путей преодоления которых на существующей, либо создаваемой в обозримом будущем технической базе не видно.

Исследовались возможности доставки требуемых материалов с Луны, но зачем, собственно? На Луне прекрасно можно построить электростанции, солнечные например, а на Землю передавать только энергию, в виде микроволнового луча.

Первый (американский, 1990 г) проект лунной системы энергоснабжения Земли по микроволновому лучу предусматривал исключительно высокий уровень электрической мощности — 20 тераватт (20 млрд кВт), естественно, требовал громадных капитальных затрат, и был встречен энергетиками весьма прохладно.

Последующие, более приземленные проработки, проведенные в ИЦ им. Келдыша и в Отделении физико-технических проблем энергетики РАН в рамках научно-иследовательской работы под общим шифром «Лампа», показали, однако, что даже при значительно меньшей мощности системы (примерно 2,7 млрд кВт), она уже будет давать ощутимый вклад в энергоснабжение Земли в первой половине XXI в. и сможет продемонстрировать свои преимущества как ресурсосберегающая и экологически чистая технология. За 30 лет эксплуатации она позволит сберечь до 200 млрд т углеводородного топлива и сократить более чем на 600 млрд т выбросы в атмосферу углекислого газа.

Однако даже создание такой лунной энергостанции (ЛЭС), изготавливаемой на Луне, потребует больших грузопотоков на околоземную орбиту (до 5-6 тыс. т в год), и то — при создании принципиально новой транспортной системы, где все двигатели используют лунное топливо. В ее состав должны входить лунные грузовые и пилотируемые ракеты, а также межорбитальные корабли для быстрой транспортировки персонала с околоземной на окололунную орбиты с двигателями большой тяги, использующие кислородно-аллюминиевое или кислородно-кремниевое топливо. Грузовые перевозки между орбитами осуществляются с помощью электроракетных двигателей (ЭРД) малой тяги с энергоустановками большой мощности. В качестве последних предполагались либо солнечные энергоустановки (модульные СЭУ с газотурбинным замкнутым циклом при мощности модуля 750 кВт), а также легкие солнечные батареи (СБ) пленочного типа (например, на подложке из железа, мощностью до 10 МВт), либо еще более мощные ядерные установки (до 50 МВт). Однако сегодня все эти двигатели и энергоустановки находятся на начальной стадии разработки.

Для более быстрого начала работ по ЛЭС желательно дальнейшее сокращение уровня ее мощности, что снизит грузопотоки на околоземную орбиту.

Предполагается, что мини-ЛЭС будет развернута уже после создания пионерной лунной базы с персоналом 6-8 человек, при этом не потребует орбитальной инфраструктуры на окололунной орбите. Грузовые и пилотируемые лунные ракеты должны быть одноступенчатыми многоразовыми аппаратами на трассе «околоземная орбита — поверхность Луны — околоземная орбита». Это удовлетворяет новым, более жестким, требованиям по незасорению космического пространства, включая поверхность Луны.

Монтаж лунной энергостанции. Цифрами обозначены: 1 — луноход; 2 — солнечная энергоустановка; 3 — излучающее полотно; 4 — рулон; 5 ~ стойка.

Поскольку на лунной базе уже будет освоено производство из лунного сырья материалов для агрегатов лунного энергоизлучательного комплекса (ЭИК) — железа, кремния и алюминия, получаемый в больших количествах избыточный попутный кислород может использоваться в качестве окислителя для заправки транспортного космического аппарата (ТКА) в обратный рейс. На околоземной орбите ТКА заправляется метаном в оба конца, а кислородом только на прямой рейс. После посадки и разгрузки он заправляется кислородом, достаточным для старта с Луны и возвращения пустого ТКА на околоземную орбиту. Таким образом, попутно решается проблема создания одноступенчатого космического аппарата для кольцевого рейса с весьма большим запасом скорости (до 12 км/с).

Уровень мощности мини-ЛЭС, определяющий массу ее энергоизлучательного комплекса и, следовательно, требуемого производственного оборудования, должен быть минимальным. Однако имеются ограничения снизу, не позволяющие принять мощность, например, 5 МВт, как на первой АЭС в Обнинске. При умеренных размерах передающей системы, близких к габаритам СБ такой мощности, диаметр приемного устройства на Земле превысил бы 100 км (что явно нереально).

Первые ЛЭС даже при больших — по масштабам наземных электростанций — мощностях будут заведомо убыточными, по крайней мере, — до мощностей в несколько десятков миллионов кВт, и неконкурентоспособны. Поэтому принята ЛЭС с диаметром ЭИК 10 км, где масса еще приемлема (16 тыс. т), а мощность уже достаточно велика (600 МВт за 28-суточный цикл).

Основной целью мини-ЛЭС является отработка энергопередачи на столь большие дальности (400 тыс. км) и главное — демонстрация практической реализуемости этой системы, безопасности ее эксплуатации и экологической чистоты. Это крайне важно для убеждения обывателя, госчиновников и коммерческих структур (потенциальных инвесторов).

ЛЭС состоит из передающего энергоизлучательного одноканального комплекса, расположен иного на обращенной к Земле стороне Луны, пассивного плоского ретранслятора на геостационарной орбите и приемной выпрямительной антенны на Земле (ректенны). Все эти элементы круглой формы в плане и имеют диаметр, соответственно, 10, 1 и 10 км. Энергоизлучательный комплекс производит выработку электроэнергии на СБ, преобразование ее в СВЧ-излучение. формирование острого луча на передающей антенне, выполненной в виде фазированной антенной решетки (ФАР), и наведение на отражатель, направляющий его на ректенну. В ректенне осуществляется преобразование микроволнового излучения в постоянный ток, выдаваемый потребителю.

Длина волны 5,7 см, что разрешено Международным советом по электросвязи для использования в промышленности. Электронная система управления лучом обеспечивает его безынерционное наведение на отражатель или на ректенну.

Дистанционная передача энергии СВЧ-лучом является высокоэффективной в энергетическом отношении. Луч от ФАР непосредственно к ректенне идет практически без потерь (тн. КПД передачи в свободном пространстве составляет 99,99998%). Отражатель же перехватывает лишь часть энергии (около 13%), однако общий КПД в течение земных суток все еще высок (42%, не считая потерь на преобразование).

При электрической мощности всех СБ 10,5 млн кВт в лунный полдень и, соответственно, 5,2 млн кВт на выходе из ФАР, средняя мощность на выходе из ректенны за 14-суточный лунный день составит 1,3 млн кВт, что уже приемлемо для промышленного использования в энергоемких производствах, например, при электролизе для получения водорода или алюминия. За 28-суточный лунный цикл «день-ночь» средняя мощность составит 0,65 млн кВт

Уровень воздействия на ионосферу над ректенной в несколько раз ниже допустимого по условиям электрического пробоя. Вне охранной зоны он не превышает разрешенной для населения дозы микроволнового облучения (что гарантирует экологическую чистоту и безопасность).

Особое значение для снижения общей массы энергоизлучательного комплекса и потребных грузопотоков оборудования, а также простоты монтажа при отсутствии на Луне необходимой инфраструктуры имеет выбор схемы и конструкции СБ и ФАР. В ИЦ им.Келдыша и Московском радиотехническом институте РАН в ходе работ по «Лампе» предложена схема «излучающего полотна», в которой электрогенерирующие элементы СБ и ФАР выполнены в виде единой интегральной конструкции.

ФАР формирует узкий луч с расходимостью 10 мм на километр, обеспечивая боковое отклонение (сканирование) в пределах ± 20°. Типична ее пространственная структура с четвертьволновыми вибраторами. Основной недостаток такой излучающей системы — нетехнологичность из-за наличия громадного количества (десятки миллиардов) пространственных элементов высотой до 12 мм. Ее изготовление и монтаж на поверхности Луны при диаметре примерно 10 км, что в условиях малой численности персонала (порядка 20 чел.) даже при наличии автоматов почти наверняка нереальны.

Главное предложенное авторами технологическое упрощение комбинированной системы — «уплощение» системы «СБ+ФАР» путем уменьшения зазора между поверхностью СБ и диполем почти на 2 порядка за счет заполнения его веществом с высокой диэлектрической постоянной (порядка 100). Это сохранит радиотехнические свойства излучателя почти такими же, как и в исходной пространственной ФАР.

Несущая частота генерируется электровакуумными СВЧ-генераторами (клистронами или магнетронами) и разводится по волноводам, а управляющие фазой единичного излучателя сигналы — по полосковым линиям или световодам от лазера. Электропитание транзистора осуществляется с близлежащего участка СБ размерами 2x2 см, что сокращает длину тоководов и, соответственно, потери в них. В единичную ленту общего излучающего полотна радиотехнические элементы «впечатываются» в СБ обычными методами электронной оптики. Такая интегральная конструкция позволяет снизить удельную массу системы «СБ+ФАР» до 3 кг/квт излучаемой мощности, и изготавливать ее на лунном заводе в виде полносборного, готового к монтажу элемента антенного поля — рулонов, раскатываемых на простейшие опоры с помощью лунохода-установщика.

Общая масса излучающей системы — 16 тыс. т, из которых 7950 т кремния (различной степени обработки), 6 тыс. т железа, 1,2 тыс. т алюминия и 500 т титана добываются на месте, а 50 т электровакуумных приборов доставляется с Земли. Вырабатываемый попутно кислород применяется как топливо для транспортных кораблей.

Каждая лента изготовлена из гибкой стальной фольги толщиной 10 мкм (1), на которую нанесен электрогенерирующий слой аморфного кремния толщиной 1 мкм (2) и защитный слой силикатного стекла или плавленного сапфира такой же толщины, образующие собственно СБ. На ней с шагом 50 мм размещены радиотехнические элементы ФАР — полуволновые излучатели (3) и твердотельные полупроводниковые транзисторы мощностью по 0,2 Вт (4), работающие в режиме усилителей. От СБ на транзисторы ток подается по линиям 5, а задающая частота от генератора — по волноводу 6. Кроме того, имеются микроволновая или лазерная линия передачи данных системы управления лучом 7 и радиоотражающий экран-сетка 8. Из таких лент полуметровой ширины собирается вся сплошная поверхность энергоизлучательного комплекса.

Лунное сырье, общий объем переработки которого предполагается 50-100 тыс. т/год, имеет благоприятный химический состав (кислород — 42%, кремний — 21%, алюминий — 8%, железо — 12%). Завод для переработки грунта и получения материалов доставляется на поверхность Луны в виде модулей по 15-16 т. Лунные ракеты выводятся без топлива и полезной нагрузки; на околоземной орбите осуществляется их стыковка с полезной нагрузкой (кабиной персонала или модулем завода), после чего производится заправка обоими компонентами топлива.

В течении нескольких лет происходит наращивание лунной производственной базы и обитаемого комплекса. Срок развертывания ЛЭС — 10 лет. При 20-кратном использовании каждой достаточно всего двух лунных ракет. По грузопотоку на околоземную орбиту (600-650 т/год) количеству лунных ракет и темпу пусков масштаб транспортной системы вполне приемлем.

ЛЭС такой размерности, моделируя основные элементы полноразмерной ЛЭС, демонстрирует работоспособность и эффективность самого принципа дистанционного энергоснабжения, хотя (как уже сказано) и не будет конкурентоспособной — что всегда бывает с первыми образцами новой техники и технологии.

Реальность создания демонстрационной «мини-ЛЭС» опирается на достигнутый уровень ключевых технологий и элементной базы по солнечным батареям, СВЧ-передаче и двигателям транспортной космической системы. Уже созданы пленочные СБ на металлической подложке с аморфным кремнием при КПД до 8%; общемировое производство СБ превысило 50 тыс. кВт в год; получены образцы твердотельных СВЧ-приборов для ФАР мощностью несколько Вт и КПД до 60 %, а также ректенн с КПД преобразования до 90%. Есть большой теоретический задел по ФАР и способам управления лучом; на РЛС систем ПРО (см. «ТМ» №5 за этот год. — Ред.) работают ФАР с размерами в десятки метров при мощности в десятки тысяч кВт; получены обнадеживающие экспериментальные результаты по кислород-метановым ЖРД; грузопоток на околоземную орбиту, потребный для развертывания «мини-ЛЭС», даже ниже уровня, уже достигнутого ведущими космическими державами.

Наиболее сложным и наименее проработанным элементом является крупнотоннажное, полностью автоматизированное производство излучающих лент для энергоизлучательного комплекса. Некоторые элементы этих технологий в лабораторных масштабах целесообразно отработать на пионерной лунной базе. Но, как бы то ни было, создание «мини-ЛЭС» — вполне реальная и решаемая техническая задача.