Занимательно об энергетике

Но есть место, где царит вечное лето, где солнце сияет постоянно и щедро, где нет атмосферы, ослабляющей солнечные лучи, нет дня и ночи. Там можно использовать солнце, так сказать, на полную катушку, на все 100 процентов. Где расположен этот рай гелиотехников? Конечно же, в космосе!

Правда, космос тоже бывает разный. Для наших целей лучше всего выбрать так называемую геостационарную орбиту, удаленную от Земли на 35 800 километров. Ее период обращения ровно 24 часа, сутки! Тут предметы как бы зависают над Землей, стынут в недвижности.

Геостационарные или геосинхронные орбиты уже освоены: тут давно прижились трансляционные спутники связи. Сюда удобно поместить и гелиоэлектростанции.

Мы, люди, ощущаем тесноту Земли, ее крошечность и хрупкость. Но только космонавтам доступно иное ощущение — чувство бескрайности, беспредельности, неизмеримости космических просторов.

Тесно может быть на Земле, но не в космосе! Размещенная там солнечная батарея диаметром в 5 километров и дающая 5 миллионов киловатт электроэнергии (больше, чем Братская ГЭС!) при взгляде с Земли будет иметь такие же угловые размеры, как диск диаметром в 20 сантиметров с расстояния в 1 километр! Для космоса это песчинка!

И таких «песчинок» можно соорудить на геосинхронной орбите столько, сколько потребуется для полного обеспечения землян энергией.

Можно долго перечислять достоинства гелиостанций на орбите. Прежде всего поток солнечной радиации тут много больше, чем на Земле: выше в 15 раз (1,5 киловатта с квадратного метра). Площадку с солнечными батареями можно установить так, чтобы лучи солнца падали на нее оптимальным образом — вертикально.

В космосе не будет ни влаги, ни ветра, ни пыли. А они на Земле — досадная помеха для гелиоустановок. Кроме того, космос обладает привлекательными свойствами — невесомостью и глубоким вакуумом. Они позволят возводить гигантские инженерные сооружения с минимальными затратами материалов.

Гелиостанции вовсе не обязаны действовать в одиночку. Их симбиоз, скажем, с термоядерными установками даже очень желателен. (Для последних идеальный вакуум снимает проблему герметизации, а температура, близкая к абсолютному нулю, позволяет использовать сверхпроводящие магниты для удержания плазмы.)

Так вот, мыслим, к примеру, такой вариант. Гелиостанция дает энергию для мощной лазерной установки. А она, в свою очередь, будет инциировать процессы в установке термоядерной.

Конечно, рассуждать теоретически (на бумажный манер!) гораздо легче, нежели строить гелиоэлектростанции в космосе: туда прежде всего надо забросить с Земли тысячи тонн груза. Технических проблем немало (о них мы еще поговорим), но какие богатые перспективы сулят гелиостанции на орбите! Шесть таких станций мощностью в 10 миллионов киловатт каждая, как показывают оценки, могут полностью удовлетворить потребности в электроэнергии такой технически развитой державы, как Япония. 30—40 станций обеспечат энергией США.

Предтечи и проповедники

Можно подумать, что мысль о гелиоэлектростанциях лишь плод нашего времени: ничего подобного. Еще в глубокой древности человек с надеждой обращал свой взор к солнцу.

Извечное стремление завладеть хотя бы частицей колоссальной мощи солнца породило множество преданий и мифов в религиях всех народов.

Животворящий Ра — у древних египтян, веселый славянский бог Ярило, Гелиос и Аполлон — у античных греков и римлян.

Солнце подарило Земле жизнь. (К. Тимирязев говорил: «Человек вправе, наравне с самим китайским императором, величать себя сыном Солнца»), и, естественно, люди всегда питали к нему сыновние чувства, искали помощи и защиты. Однако тут было больше мистики, чем дела.

Но вот пришли времена Науки и Техники. В 1923 году в Калугу к К. Циолковскому пришло письмо от одесского школьника Валентина Глушко. Пятнадцатилетний подросток увлекся астрономией, мечтал о космических полетах.

А в 1928 году, всего пять лет спустя, будущий академик, тогда студент Ленинградского университета, В. Глушко создал дерзкий проект космического корабля, использующего для полета энергию солнечных лучей.

Гелиоракетоплан. Громадных размеров диск должен был собирать солнечную энергию и преобразовывать ее в электричество. Оно-то, а не химические источники энергии, по мысли Глушко, должно было привести в движение ракету, помещенную в центре этого диска-коллектора.

Это был первый проект, предусматривающий крупномасштабное использование космической солнечной радиации.

Понятно, в наши дни контуры подобных проектов стали более отчетливыми. Идея солнечных космических электростанций (СКЭС) была в 1968 году сформулирована Питером Глейзером, одним из крупнейших американских специалистов в области атомной энергии, бывшим президентом Международного общества по изучению солнечной энергии. В 1971 году Глейзер даже получил патент на эту идею. И другие страны проявили интерес к подобным проектам. В Европе, например, возможности СКЭС анализировали французская фирма «Дорнье» и немецкий концерн «Телефункен».

Подобные проекты обсуждаются и в Японии. Это понятно: Япония почти полностью лишена собственных ресурсов ископаемого топлива и целиком зависит от его импорта. В Японии разрабатывается широкая программа исследований по использованию новых источников энергии, получившая название «Солнечный свет». Она ставит задачу обеспечить «энергетическую независимость» страны. По этим планам до 2000 года будут израсходованы 3,5 миллиарда долларов. Причем значительная часть ассигнований выделена на разработки в области фотоэлектрической технологии.

Сейчас (особенно в США) идет острая борьба между сторонниками и противниками идеи Глейзера. Вначале эта концепция была воспринята довольно скептически. На нее смотрели лишь как на смелую футуристическую фантазию. Дело далекого будущего. Однако прошло 10 лет, и взгляды начинают изменяться. Сейчас группа из 25 американских промышленных и технических организаций учредила совет по проблемам СКЭС. Возглавил его Глейзер. Ближайшая цель совета — развертывание кампании за принятие в конгрессе законодательства, которое предусмотрело бы создание в министерстве энергетики специального отдела космических электростанций.

Ректенны и прочее

Ну хорошо: допустим, гелиостанции выведены на геостационарные орбиты. Потекли реки космической электроэнергии. Но как передать ее на Землю? Не по проводам же!

Лазерный луч — вот что первое приходит на ум. Однако реальнее, как показывают оценки инженеров, другой путь — сверхвысокочастотное излучение (СВЧ).

Ничто не ново на этой грешной Земле! Старые идеи становятся новинкой, порой даже сенсацией лишь тогда, когда появляется в них великая нужда. Лишь тогда давно, казалось бы, забытая мысль становится «открытием», откровением.

Идея передачи энергии без проводов связана с именем выдающегося электротехника серба Никола Тесла (1856—1943). Высказанная на заре XX века, она на многие десятилетия опередила необходимый уровень развития техники. Только в годы второй мировой войны работы по СВЧ получили мощный стимул — появилась радиолокация. Начали совершенствоваться методы генерации сверхвысоких частот, методы приема и методы когерентного излучения направленных пучков сантиметровых волн.

(Выбор длины волны, равной 10 сантиметрам, обусловлен тем, что такие электромагнитные волны почти не поглощаются земной атмосферой. Поэтому передача, скажем, энергии из космоса на Землю будет осуществляться практически без потерь.)

Электроника сверхвысоких частот находит сейчас применение во многих областях: в измерительной технике (осциллографы, усилители, фотоэлементы), кибернетике (автоматы, счетно-решающие устройства, стабилизаторы), в связи (радио, телевидение, радиолокация) и так далее. Но мы-то говорим о другом — о том, что можно было бы условно назвать «энергетической электроникой», или «электроникой больших мощностей».

У нас в СССР это новое направление в последние десятилетия вместе со своими сотрудниками успешно развивает академик П. Капица. Он первый (работа была начата еще в трудные послевоенные годы: 1946— 1952) заговорил о возможности промышленной трансляции по СВЧ-каналам больших количеств электроэнергии.