вернёмся в начало?

Способна ли космическая техника помочь преодолеть энергетический кризис? Этот вопрос можно поставить более конкретно: осуществима ли идея улавливания в космосе «неисчерпаемой» энергии солнечного излучения и передачи ее на Землю?

Космические солнечные электростанции (КСЭ) должны быть размещены в экваториальной плоскости на околоземной круговой орбите высотой около 35 880 км (геостационарная орбита). При таком расположении они движутся с той же угловой скоростью, что и Земля, и для наблюдателя, находящегося на Земле, будут казаться неподвижно парящими в небе, подобно уже применяющимся спутникам глобальной связи.

К. П. Феоктистов, советский космонавт и конструктор космических кораблей, полагает, что подобные электростанции могут быть созданы в ближайшие 20-30 лет. Чтобы построить одну такую станцию, потребуется вывести на орбиту около 100 000 т груза. Он считает, что один из возможных способов состоит в выведении конструктивных элементов в виде рулонов металлической ленты, из которой в космосе собираются панели площадью в несколько квадратных километров. При современной грузоподъемности ракет-носителей для решения задачи потребуется около пяти тысяч запусков. Создание в качестве первого шага средств выведения, способных доставлять на орбиту около 200 т полезного груза, - трудная, но разрешимая проблема.

Космические солнечные электростанции должны выдержать конкуренцию с другими более доступными источниками энергии, которыми в XXI в. могут стать:

1 Электростанции с ядерными реакторами деления.

2 Электростанции с ядерными реакторами синтеза.

3 Приливные электростанции.

4 Электростанции, использующие энергию волн.

5 Ветровые электростанции.

6 Наземные солнечные электростанции.

7 Электростанции, использующие энергию теплых океанских течений.

8 Электростанции, использующие энергию нагретых горных пород в глубине Земли.

Одни источники энергии могут оказаться перспективнее других, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Окончательное заключение, к сожалению, можно будет сделать только после длительного изучения всех возможных вариантов с учетом стоимости, безопасности и надежности.

КСЭ, предложенная Глезером Концепция геостационарной КСЭ мощностью 10 000 МВт. Вырабатываемая ею электроэнергия будет передаваться на Землю направленной на приемную станцию антенной диаметром 1 км в виде пучка, сформированного микроволновыми генераторами. Использование микроволнового пучка с длиной волны 10 см позволит обеспечить передачу энергии в любую погоду. Панели солнечных фотоэлектрических батарей в этом проекте имеют форму квадрата со стороной 4 км. Под углом к плоскости батареи расположены зеркальные концентраторы солнечной энергии. Цикл Брайтона Тепловая энергия солнечного излучения фокусируется в полостном абсорбере, где нагревает жидкий гелий, поступающий из теплообменника. Нагретый газ расширяется в турбине (вверху), вырабатывающей энергию для привода компрессора и генератора. Переменный ток напряжением 10 кВ, вырабатываемый генератором, преобразуется трансформатором в ток напряжением 328 кВ. В рекуператоре газообразный гелий охлаждается, затем поступает в теплообменник, где переходит вновь в жидкое состояние. Жидкометаллический охлаждающий контур рассеивает избыточное тепло в космическое пространство.

Схемы КСЭ

В 1968 г. П. Е. Глезер (фирма «Артур Д. Литтл») предложил концепцию космических солнечных электростанций. Идея заключалась в развертывании огромных солнечных батарей для улавливания солнечного излучения с целью фотоэлектрического преобразования его в электроэнергию.

Выработанную электроэнергию можно передавать на Землю в виде микроволнового излучения, где оно будет преобразовано обратно в электроэнергию и использовано в промышленных энергетических системах.

Концепция, навеянная фантазиями Жюля Верна и Герберта Уэллса, вначале была встречена инженерной общественностью с большим скептицизмом, но постепенно техническая идея, выдвинутая Глезером, получила признание, и космические солнечные электростанции заняли достойное место среди других энергетических систем, изучаемых правительственными агентствами.

В 1972 г. НАСА заключило с фирмой «Артур Д. Литтл» контракт на сумму 197 400 долл., направленный на изучение основных технических проблем создания космических солнечных электростанций. К этой работе были подключены и другие наиболее крупные аэрокосмические фирмы. Перед фирмой «Грумман аэроспейс», построившей лунную кабину космического корабля «Аполлон», была поставлена задача разработать космическую платформу для солнечной электростанции.

Вверху. Рисунок КСЭ с фотоэлектрическими преобразователями энергии в процессе сборки на геостационарной орбите. Ферменная конструкция кажется непрочной. Однако следует иметь в виду, что условия невесомости в космосе открывают возможности использования более ажурных конструкций, чем на Земле.

Вверху. Разработанная фирмой «Боинг аэроспейс» схема сборки космической солнечной электростанции с фотоэлектрическим преобразователем (солнечной батареей) на низкой околоземной орбите. Вверху справа изображены причалы «Орбитера» на сборочной платформе; слева - верхняя ступень тяжелой ракеты-носителя в момент разгрузки материалов и элементов конструкции. После сборки электростанция доставляется на геостационарную орбиту.

Одна из наиболее крупных фирм США, проявившая интерес к будущему солнечной энергетики («Боинг аэроспейс»), намеревается довести концепцию космических солнечных электростанций до инженерной реализации. Она рассматривает конструкцию размером с небольшой город и мощностью, в два раза превышающей мощность самой крупной в США гидроэлектростанции Гранд-Кули. Потребуется 45 таких гигантских спутников, чтобы производить электроэнергию в количестве, вырабатываемом в США в настоящее время. Это позволит высвободить нефть, уголь и их производные для других нужд.

Большие платформы, висящие на геостационарной орбите, 99% времени будут освещены Солнцем и только в течение коротких периодов времени весной и осенью будут заходить в тень Земли.

Субсидируемая из частных фондов, предназначенных на проведение научных исследований,

Внизу. Специалист за работой на прессе для изготовления металлических конструкций. Смонтированный на «Орбитере», этот автоматический пресс может выдавливать из свернутой в рулоны ленты из мягкого металла трехгранные элементы для сборки спутника.

а также по контрактам НАСА и других правительственных агентств фирма «Боинг» сосредоточила свое внимание на двух основных схемах солнечных электростанций: фотоэлектрической схеме, впервые предложенной Глезером, и схеме с использованием теплового цикла Брайтона. Каждая электростанция должна производить 10 000 000 кВт, что достаточно для удовлетворения потребностей миллиона семей.

С учетом возможного прогресса в повышении к. п. д. солнечных элементов спутник с фотоэлектрическим преобразованием энергии будет иметь прямоугольную форму длиной около 24,8 км и шириной около 5,2 км (площадь около 129 км²). На такой огромной площади будет смонтировано около 14 млрд. солнечных элементов. Полная масса космической станции будет составлять 80 000-100 000 т.

Основой конструкции станции, работающей по циклу Брайтона, являются четыре параболических концентратора солнечной энергии, каждый около 5,6 км шириной, имеющих вид огромных бочек, занимающих в космосе около 24 км. Каждый концентратор будет состоять из тысяч управляемых сверхтонких пластиковых отражателей, предназначенных для фокусирования солнечного излучения в куполообразном полостном абсорбере.

Рабочий газ, проходя через абсорбер, нагревается и расширяется в турбогенераторах электростанции, вырабатывающих электроэнергию, после чего перекачивается в большие оребренные радиаторы, в которых охлаждается перед возвращением в полость абсорбера.

Расчеты показали, что космическая электростанция, работающая по циклу Брайтона, будет иметь практически ту же полную массу, что и фотоэлектрическая электростанция.

Каждая система имеет свои преимущества и недостатки, но обе можно рассматривать как примеры будущих крупногабаритных космических сооружений. Преимуществом фотоэлектрической станции является простота конструкции. Однако по современным представлениям солнечные элементы будут иметь более низкий к. п. д., чем тепловые установки, и более высокую стоимость производства. Станции, работающие по циклу Брайтона, являются сложными сооружениями, однако они имеют более высокий к. п. д. преобразования солнечной энергии.

Вверху. Рисунок КСЭ с фотоэлектрическими преобразователями энергии в процессе сборки на геостационарной орбите. Ферменная конструкция кажется непрочной. Однако следует иметь в виду, что условия невесомости в космосе открывают возможности использования более ажурных конструкций, чем на Земле.

Микроволновые пучки

В любой из рассмотренных систем энергия генерируется в виде постоянного электрического тока, который должен быть преобразован в энергию микроволнового излучения, передаваемого на Землю двумя передатчиками на каждой космической электростанции. Передающая антенна имеет поперечный размер около 1 км. Наземные приемные антенны преобразуют микроволновое излучение в постоянный ток.

Еще раз отметим беспрецедентные масштабы сооружений. Образующие электрические цепи выпрямительные антенны (ректенны) размером около 9,5 Х 13 км могут быть смонтированы в полосы высоко над поверхностью Земли, чтобы пространство под ними можно было использовать для нужд сельского хозяйства.

Выработанную спутниками электрическую энергию можно передавать на Землю также лазером, позволяющим теоретически сконцентрировать энергию в пучок, для приема которого на Земле потребуются устройства, имеющие размеры, исчисляемые метрами, а не километрами. К сожалению, использование лазерных пучков связано с большими трудностями. Во-первых, эффективность преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения и обратно очень низка. Во-вторых, поглощение лазерных пучков атмосферой и облаками в несколько раз уменьшает общую эффективность передачи энергии.

Аргументы против КСЭ

Критиков программы космических солнечных электростанций смущает возможное влияние микроволновых пучков на окружающую среду. Можно ли избежать неблагоприятного влияния КСЭ на флору и фауну и не ограничит ли это влияние мощность станции настолько, что она будет экономически нецелесообразной? Не будут ли микроволновые пучки, нагревая атмосферу, оказывать неблагоприятное влияние на окружающую среду? Что произойдет, если пучки отклонятся от заданного направления и случайно попадут на регионы с высокой плотностью населения?

Высказывают сомнения и радиоастрономы. Уже в настоящее время наземные и спутниковые системы связи создают помехи в части диапазона волн, которые астрономы используют для наблюдения Вселенной. Их, безусловно, беспокоит влияние, которое может оказывать на их исследования излучение со спутников мощностью не в десятки, а в миллионы или тысячи миллионов ватт.

Некоторые инженеры-энергетики утверждают, что лучшей альтернативой могут оказаться наземные солнечные электростанции в комбинации с другими источниками энергии. Другие отдают предпочтение ядерной энергетике как более реальной, в особенности если с помощью термоядерных реакторов удастся извлекать огромные запасы энергии из морской воды.

Советский Союз продолжает развивать атомную энергетику. Академик А. П. Александров, президент АН СССР, утверждает, что угольные тепловые электростанции наносят окружающей среде значительно больший ущерб, чем ядерные электростанции. О солнечных электростанциях он высказывается менее оптимистически. По его мнению, низкая средняя плотность потока энергии солнечного излучения, падающего на поверхность Земли, не позволяет надеяться на создание экономически конкурентоспособных больших наземных солнечных электростанций. Создание же таких электростанций в околоземном космосе вряд ли окажется целесообразным из-за высокой стоимости и экологических трудностей.

Перспективы развития КСЭ связаны с достижениями в области строительной механики и преобразования энергии. Естественно, возникает вопрос, будут ли космические конструкции размером с город конкурентоспособными с ядерными электростанциями? Будут ли они давать ощутимый вклад в энергетические потребности стран?

Когда НАСА в 1977 г. призвало форсировать исследования, фирма «Боинг» объединила свои усилия с Центром космических полетов им. Джонсона, а фирма «Рокуэлл» - с Центром космических полетов им. Маршалла. Каждая группа пришла к заключению, что КСЭ могут быть созданы к 2000 г. и станут конкурентоспособными с другими системами.

В качестве преобразователей энергии фирма «Боинг» выбрала кремниевые фотопреобразователи, а фирма «Рокуэлл» - фотопреобразователи из арсенида галлия. Хотя последние позволяют повысить к. п. д. преобразования энергии до 40%, кремниевые фотопреобразователи обеспечивают меньший риск при более совершенной технологии. Обе группы старались разработать надежные установки, по возможности не требующие ухода и способные прослужить более 30 лет благодаря применению дублирующих систем.

Поддержание номинальной выходной мощности, которая может снижаться вследствие радиационного повреждения фотоэлементов, возможно либо путем увеличения площади батареи, чтобы компенсировать ухудшение энергетических характеристик солнечных элементов в процессе их эксплуатации, либо путем применения дополнительной защиты в виде более толстых стеклянных покрытий. Солнечные элементы, вышедшие из строя под действием солнечных вспышек, могут быть восстановлены на месте с помощью системы газовых лазеров на углекислом газе. При медленном движении луча лазера по поверхности батареи достигаются требуемая освещенность и плотность энергии. Природа радиационного повреждения - возникновение дефектов кристалла, и процесс восстановления состоит просто в повышении температуры кристалла до точки, при которой тепловая активность ликвидирует эти дефекты.

Рулоны солнечных батарей, подвергаемые восстановлению, будут выключены из системы на время проведения восстановительных операций.

Кроме того, следует иметь в виду, что огромные конструкции будут крайне уязвимыми к действиям противника. Если международные договоры, объявляющие вне закона антиспутниковое оружие, потеряют силу, то солнечные батареи большой площади станут неподвижными мишенями для шрапнельных снарядов.

Энтузиасты считают, что многие аргументы против космических солнечных электростанций чрезмерно преувеличены. Конечно, такие электростанции имеют недостатки, но они имеют также и важные преимущества.

Вверху. Рисунок, изображающий один из возможных вариантов центра запуска и возвращения космических солнечных электростанций, разработанных фирмой «Боинг». Под ректенной (в виде более темного круга вверху) расположен огромный водоем для посадки тяжелых ракет-носителей; одна из них совершила посадку и буксируется на один из четырех пусковых комплексов расположенных по периметру водоема.

Вверху. Тяжелый носитель, предназначенный для доставки материалов и элементов конструкции на орбиту, совершает посадку на поверхность воды. Носитель должен иметь тормозные ракеты для обеспечения мягкой посадки.

Для решения проблемы космических солнечных электростанций фирма «Боинг» рекомендует провести исследования в следующих направлениях:

1 Солнечные элементы. Максимальные усилия должны быть направлены на разработку технологии изготовления элементов солнечных батарей низкой стоимости с совершенными рабочими характеристиками при малой массе. Для этого необходимо изучить возможности уменьшения стоимости элементов посредством автоматизации их производства и применения перспективных преобразователей, таких, как тонкопленочные элементы из арсенида галлия.

2 Тепловые двигатели. Следует создать материалы, необходимые для регулирования температур спутников как с тепловыми двигателями, так и с солнечными фотопреобразователями, а также материалы для тепловых двигателей, предназначенных для космических солнечных электростанций. Хотя исследования показывают, что космические солнечные электростанции на основе фотопреобразователей имеют определенное преимущество по сравнению с электростанциями на основе тепловых двигателей, было бы желательно получить исчерпывающие данные по обеим системам для окончательное выбора.

3 Передача энергии в микроволновом диапазоне. Биологическое влияние микроволнового излучения, а также нормы и инструкции по защите от него были исследованы министерством энергетики и НАСА. Было рекомендовано направить дальнейшие исследования на выяснение влияния микроволнового излучения спутниковых солнечных электростанций на ионосферу Земли. Необходимы также исследования в области усиления мощности микроволнового излучения и регулирования фазы для правильной оценки влияния системы передачи энергии на живые организмы и системы связи. Полученные данные послужат основой для более детальных изучений влияния микроволнового излучения на миграцию птиц, развитие растений, возможность использования Земли под ректеннами для сельскохозяйственных нужд. Хотя в предварительных исследованиях не была выявлена опасность микроволнового излучения для внешней среды, эта проблема должна быть полностью решена до перехода к стадии создания демонстрационной космической электростанции.

Вверху. Проект КСЭ массой около 50000 т с солнечным коллектором площадью 50 км2. Передающее устройство (справа) способно передать 5000 МВт электрической мощности на наземную станцию.

4 Космические конструкции. Долговечность материалов в космических условиях является весьма важным требованием. В отчетах фирм предлагается подвергать композиционные материалы, предназначенные для конструкционных элементов электростанции всесторонним испытаниям в больших вакуумных камерах, моделирующих космические условия.

5 Системы управления полетом. Важной технической проблемой является управление большими гибкими системами в космосе. Системы ориентации должны управлять положением в пространстве огромных солнечных батарей площадью около 100 км² для непрерывного слежения за Солнцем и направления микроволновых пучков на ректенны.

6 Методы строительной техники. Следует разработать автоматизированное строительное оборудование для околоземной сборочной базы. Примерами такого оборудования являются установки для сборки конструкций, развертывания солнечных батарей, средства транспортировки обслуживающего персонала и оборудования, системы контроля и отображения информации.

7 Транспортные системы. Следует создать бустерные двигатели для сверхмощных ракет-носителей, способных выводить на низкую околоземную орбиту большие полезные грузы при минимальной стоимости, а также высокоэффективные электроракетные двигатели для межпланетных транспортных аппаратов.

8 Система распределения энергии. Необходима значительно большая информация для создания преобразователей энергии малой массы и оценки взаимодействия с системами терморегулирования и аппаратурой высоковольтных выключателей. Преобразование электрической энергии в энергию микроволнового излучения потребует разработки клистронов (высокочастотных усилителей) с характеристиками, на несколько порядков превышающими характеристики современных систем.

Когда П. Глезер в 1968 г. впервые предложил идею создания космических солнечных электростанций (КСЭ), энергия была дешевой и вырабатывалась в изобилии. Идея создания гигантских космических конструкций для улавливания энергии солнечного излучения и передачи ее на Землю была встречена с большим скептицизмом. Однако с тех пор ситуация заметно изменилась. На приведенных здесь рисунках показаны проектные решения по созданию фотоэлектрической космической электростанции, способной передавать значительное количество энергии на Землю в виде микроволнового излучения. Полагают, что это будет гигантское по замыслу предприятие. Предлагаемые способы создания солнечных электростанций включают широкий диапазон решений - от их сооружения непосредственно на геостационарной орбите до сборки больших секций на низкой околоземной орбите с последующей транспортировкой на геостационарную орбиту. Рассматривались две сборочные базы. База на низкой околоземной орбите предназначена для сборки и обслуживания больших межорбитальных транспортных кораблей с электроракетными двигателями. Функцией базы является также перегрузка тяжелых грузов, доставленных тяжелыми ракетами-носителями, на электроракетные межорбитальные транспортные корабли (ЭМТК). База также предназначена для пересадки экипажей с космического корабля «Спейс Шаттл» в пассажирские транспортные межорбитальные корабли (ПМТК). Таким образом, первой задачей является создание большого космического завода на низкой околоземной орбите, оборудованного рядом автоматических машин для производства элементов ферменных конструкций (см. с. 225). По мнению специалистов фирмы «Грумман аэроспейс», этот завод должен быть достаточно большим, чтобы принимать астронавтов-рабочих, иметь ремонтные мастерские и контрольно-испытательное оборудование, средства заправки топливом и причальные устройства для транспортных кораблей многоразового использования. Ректенна Выпрямительная антенна (ректенна) на Земле должна принимать энергию микроволнового излучения от КСЭ с максимально возможной эффективностью. Одна из конструкций имеет форму эллипса с большой осью 13 км и малой осью 9,5 км. Плотность падающего микроволнового излучения от 25 мВт/см2 в центре до 1 мВт/см2 на периферии. Преобразование принимаемой энергии в постоянный ток осуществляется в элементах, встроенных в ректенну. Подобные конструкции допускают возделывание расположенных под ними земельных угодий, поскольку они блокируют попадание большей части микроволнового излучения на Землю. Конструкция антенны КСЭ Основной проблемой является создание каркаса антенны, имеющего малую массу, так как возникающие под действием солнечного излучения термические напряжения могут вызвать деформацию конструкции. Фирма «Боинг» изучает следующие конструкции каркаса антенны: Тетраэдрическая ферма Максимальная эффективность; ненапряженные элементы; неквадратные элементы солнечной батареи; доступ к элементам затруднен. А-образная ферма Удобный доступ к элементам; квадратные элементы солнечной батареи; малая жесткость; применение напряженных элементов; вторичная конструкция является частью первичной конструкции. Попытка спроектировать конструкцию антенны, простую в обслуживании и ремонте. Пентаэдрическая ферма Удобный доступ к элементам; высокая эффективность; отсутствие напряженных элементов; квадратные элементы солнечной батареи. Подходящее компромиссное решение. Размеры КСЭ Сравнение Манхаттена с установленной на Земле ректенной (слева) и с КСЭ. Последняя имеет длину 21,3 км и ширину 5,3 км. Процедура сборки КСЭ на геостационарной орбите (по материалам фирмы «Боинг») 1 Тяжелые транспортные корабли многоразового использования (МТКК) запускаются с мыса Канаверал, шт. Флорида. 2 МТКК выводят на низкую орбиту астронавтов-монтажников, грузы, запасы пищи и расходуемые материалы. 3 Космическая платформа с оборудованием для астронавтов-монтажников, запасом топлива, установками для производства элементов конструкции и другим промышленным оборудованием. 4 Пассажирский межорбитальный транспортный корабль совершает частые перелеты на геостационарную орбиту, доставляя астронавтов-монтажников, инструменты и оборудование. 5 Электроракетный межорбитальный транспортный корабль, медленно набирая высоту, достигает геостационарной орбиты примерно через 140 сут. Доставляет секции КСЭ для окончательной сборки. 6 Геостационарная орбита. 7 КСЭ почти в завершенном виде. В верхней части конструкции показан один из возможных способов сборки или ремонта. 8 Полностью собранная КСЭ готова к эксплуатации. Антенны, расположенные сверху и снизу, шириной 1000 м фокусируют микроволновые пучки большой мощности на ректенну на Земле. 9 КСЭ излучают микроволновые пучки в развивающиеся страны. Наиболее целесообразно начинать сооружение КСЭ с создания на низкой околоземной орбите космического завода, где устанавливается оборудование для изготовления элементов силовых конструкций КСЭ (с. 225). Первой задачей является создание больших межорбитальных транспортных кораблей, доставляющих секции КСЭ на геостационарную орбиту, где проводится окончательная сборка. Элементы ферм малой массы могут быть изготовлены из графита и эпоксидных материалов, чтобы ограничить температурное напряжение, возникающее в элементах конструкции на высокой орбите. По завершении сборки конструкции (согласно проекту фирмы «Грумман») завод отодвигается от нее, как бы раскатывая огромные свернутые ковры солнечных элементов. Автоматически они натягиваются по верхней поверхности спутника, чтобы захватывать прямые солнечные лучи. Тяжелая ракета-носитель Функционирует между базой на Земле и низкой околоземной орбитой. Полностью многоразовый возвращаемый аппарат, имеющий две ступени. Топливо для бустерной ступени: жидкий кислород - жидкий метан, для орбитальной ступени: жидкий кислород - жидкий водород. Стартовая масса 11 000 т. Полезный груз 380 т (нетто) и 420 т (брутто). Стоимость одного полета 14 млн. долл. (в ценах 1979 г.). ПМТК Предназначен для доставки астронавтов-монтажников и грузов на сборочную базу на геостационарной орбите. Двухступенчатый, многоразовый. Топливо: жидкий кислород - жидкий водород. Тяга бустерной ступени 184 000 кгс, второй ступени 92 000 кгс. Полезный груз: отсек экипажа - масса 4 т, экипаж 2 человека; пассажирский отсек - масса 36 т, 160 пассажиров. Грузовой отсек - масса 96т. Запасы продовольствия на 480 чел.-мес. ЭМТК Предназначен для перевозки тяжелых полезных грузов между низкой околоземной и геостационарной орбитами. В этом огромном аппарате размером 1040 Х 1510 м используются солнечные электроракетные двигатели малой тяги. Для доставки на геостационарную орбиту 4000 т полезного груза требуется 180 сут, для возвращения на низкую околоземную орбиту 200 т требуется 40 сут. Начальная мощность 300 МВт. Площадь фотоэлектрических батарей 1.5 км2. Тяга электроракетного двигателя 340 кгс. Сухая масса 1460 т. Рабочее вещество электроракетных двигателей - аргон. В дополнительных ракетных двигателях, используемых в периоды пребывания аппарата в тени и для высокоскоростных маневров, применяется топливо: жидкий кислород - жидкий водород.

Вверху. Микроволновое излучение, передаваемое на Землю, будет приниматься ректенной, которая преобразует его в электричество для обычного применения. Под ректенной размещены возделываемые поля среди естественных природных образований - цепей холмов.

Этапы создания КСЭ

Годовой план на 1981 г. с объемом финансирования в 25 млн. долл. (в ценах 1978 г.) предусматривал переход к проектированию реальных конструкций. Для подтверждения проектных данных потребуется 5-7 лет. В течение этого периода предполагается провести полный комплекс наземных и космических испытаний элементов солнечных электростанций, включающий три наиболее важные стадии:

1 Наземные испытания узлов и агрегатов.

2 Космические испытания с использованием многоразового транспортного космического корабля.

3 Испытания модельной системы мощностью 250 кВт - 1 МВт на низкой околоземной орбите.

Только после этих испытаний можно судить о степени риска при дальнейшей разработке систем. Если по завершении этого этапа будет признано целесообразным продолжить испытания, фирма «Боинг» предлагает разработать промежуточный вариант космической солнечной электростанции, способной передавать достаточную электрическую энергию с геостационарной орбиты наземной электрической сети.

В работах по созданию космических солнечных электростанций активную позицию занимают европейские страны. В частности, Британское аэрокосмическое общество выполняет в числе других работ серьезные исследования и конструкторские разработки космических энергетических систем. Примерами конструкций, разработанных Британским аэрокосмическим обществом, являются две наиболее мощные в Европе солнечные батареи - «гибридная» батарея, предназначенная для мощных спутников связи, и батарея для космического телескопа, который будет выведен на орбиту в середине 80-х годов с помощью космического корабля «Спейс Шаттл».

Британское аэрокосмическое общество отмечает, что такие крупные системы, как космические солнечные электростанции, приведут к развитию многих отраслей промышленности.

Как же выводить огромные конструкции на орбиту? НАСА и аэрокосмическая промышленность США рассматривают возможность сборки основных агрегатов солнечной электростанции на низкой околоземной орбите и доставки их затем на геостационарную орбиту с помощью связок ионных двигателей.

Эти перспективные двигательные системы создают тягу, разгоняя ионы ртути до больших скоростей в электростатическом высоковольтном ускорителе. При этом первичной энергией является солнечная энергия, преобразуемая в электрическую. Расход рабочего вещества в ионных двигательных установках в десятки раз меньше, чем в обычных химических двигателях.

При ускорении ионов образуется ярко светящийся фиолетовый пучок высокоэнергетических частиц, а не горячая струя истекающих газов белого цвета, как в химических двигателях. Так как пучок истекающих частиц создается электрическим путем из ионизированного газа низкой плотности (плазмы), образующегося в газоразрядной камере, сила тяги каждого двигателя весьма мала. Однако небольшая сила, действующая непрерывно в течение длительного времени, позволяет в космических условиях поднять орбиту космического аппарата при его движении по спиральной траектории. Двигатель выключается после выведения космического аппарата на геостационарную орбиту.

Можно собирать большие конструкции непосредственно на геостационарной орбите. Однако существующий космический корабль «Спейс Шаттл» способен вывести оборудование и предварительно изготовленные детали для сборки агрегатов только на низкую околоземную орбиту. Сборка на геостационарной орбите потребует разработки более мощных носителей многоразового использования, способных выводить тяжелые полезные грузы.

В настоящее время трудно представить, что такие огромные инженерные сооружения, как солнечные космические электростанции, можно создать без использования промежуточной сборочной базы на низкой околоземной орбите, к которой могут пристыковываться космические аппараты. Усовершенствованные варианты современного «Шаттла» можно будет использовать для выведения в космос большого числа специалистов для работы на промежуточной сборочной базе, а космические буксиры - для доставки обслуживающего персонала на геостационарную орбиту. Итак, инженерная мысль должна найти способ ежегодного выведения в космос поистине поражающего воображение количества полезного груза - около 900 000 т!

Детальные исследования, проведенные к настоящему времени, показали, что подобные концепции могут быть реализованы в обозримом будущем, возможно, в конце текущего столетия. Естественно, предстоит еще много работы над проблемами выбора частот, не подверженных воздействию погодных условий, минимизации побочных эффектов рассеяния микроволнового пучка, эффективного преобразования энергии и для доказательства того, что облучение живых существ микроволновым пучком безопасно.

Специалисты в области космической техники утверждают, что для строительства солнечных электростанций не требуется фундаментальных технических достижений. Однако создание спутников размером с город связано с преодолением психологического барьера. Спутники столь больших размеров и масс кажутся нам пока мало реальными, а график пусков ракет-носителей, похожий на расписание полетов самолетов, невероятным.

Ни один из специалистов не смог назвать стоимость работ по созданию космических солнечных электростанций приемлемой, а правительственные круги вряд ли одобрят такие крупномасштабные проекты, прежде чем будут выполнены многие фундаментальные исследования. В отличие от уже осуществленных космических программ, например программы полета человека на Луну, продемонстрировавшей огромные возможности космонавтики, создание космических электростанций должно отражать экономические потребности. Они должны быть конкурентоспособными с существующими энергетическими системами и обладать высокой надежностью и безопасностью. Годовой доход от космических солнечных электростанций мощностью 10 000 МВт при цене электроэнергии 0,03 долл./кВт-ч будет составлять 79 млн. долл. за 30 лет, и это близко к стоимости в 1978 г. электрической энергии, вырабатываемой современной ТЭС на нефтяном топливе.

Если будут созданы солнечные элементы с более высоким к. п. д. преобразования энергии, решена проблема влияния электростанции на внешнюю среду и снижены издержки производства, то космические солнечные электростанции станут реальными.

Однако в настоящее время об этом говорить еще рано. Многое зависит от достижений в области использования термоядерной энергии. Пока ясно лишь одно. С ростом стоимости минерального и ядерного топлива будет возрастать и стоимость вырабатываемой из них энергии. Когда этих источников энергии будет недостаточно, настанет время природного термоядерного источника энергии - Солнца.

в начало назад