Юрий Зайцев, эксперт Института космических исследований для РИА Новости.
Основным источником энергии для человечества до сих пор остается природное топливо - углеводороды (нефтепродукты, газ, уголь). Его использование оказывает исключительно негативное воздействие на окружающую среду, не говоря уже об ограниченности земных ресурсов. Частично решить проблему позволяет атомная энергетика, а также возобновляемые источники энергии (гидро, приливные, геотермические, ветровые электростанции). Но и тогда останется открытым вопрос транспорта, работающего, как правило, на жидких углеводородных соединениях. Словом, пока не найдено общей концепции и технологического решения этих взаимосвязанных энергетических и экологических проблем. Между тем, наиболее рациональным выходом из сложившейся ситуации может стать переход к энергоснабжению из космоса.
Как известно, Солнце всегда было первичным источником энергии для нашей планеты. Благодаря этой звезде, на Земле накоплены и запасы углеводородов, которые мы сегодня активно сжигаем. Для того, чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои нужды в энергоресурсах, требуется ежегодно 10 млрд. т условного топлива. Если энергию, поставляемую Солнцем на Землю за год, перевести в то же условное топливо, то эта цифра составит около 100 триллионов т. Взяв для своего внутреннего потребления хотя бы один процент, т.е. 1 триллион т этого самого условного топлива, человек решил бы многие свои проблемы на века вперед.
Наиболее простой способ преобразования энергии солнечного излучения в электрический ток - использование так называемого внешнего фотоэффекта, когда кванты света «вышибают» из поставленного перед ним материала электроны. Впервые получить электрический ток таким образом удалось в 1930 годы советским физикам из ленинградского Физико-технического института. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-гелиевых элементов еле дотягивал до 1%. Но уже с 1958 г. кремневые солнечные батареи стали основным источником электроэнергии на космических аппаратах. К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке и почти два десятилетия оставался на этом рубеже. И лишь к середине 90-х КПД удалось поднять до 15%, а к началу нового века - до 20%.
В основном этого удалось добиться за счет совершенствования технологий получения из кварцитов чистого кремния - основного материала для производства солнечных элементов. Кстати, самые крупные залежи особо чистых кварцитов находятся в России, и запасы их огромны. А недавно Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне продемонстрировал фотоэлемент с почти 50% КПД. Ученые назвали свое творение «звездной батареей». Она стала примером того, как при помощи нанотехнологии можно улучшить эффективность давно известных процессов.
В кремниевую пленку толщиной всего 0,5 мм научились внедрять мельчайшие частицы золота. При этом свойства материала изменились настолько сильно, что если в обычных фотоэлементах для получения одного электрона требуется 5-6 фотонов света, то здесь можно обойтись всего двумя, а в перспективе и одним. На практике это означает, что с 1 кв. м солнечной батареи можно получить около 600 вт, а в дальнейшем и 1 кВт электроэнергии. В отличие от обычного кремния полученный материал оказался чувствительным к широкому диапазону солнечного излучения - от ультрафиолета до инфракрасного диапазона.
Из того же вещества дубнинские ученые сделали и суперконденсатор. Цилиндрик диаметром 3 см может хранить в 900 раз больше энергии, чем автомобильный аккумулятор. И это тоже очень важно, поскольку солнечные электростанции работают только днем, а энергия нужна круглосуточно. Поэтому на ночь ее нужно запасать в достаточно емких «энергохранилищах».
Первая промышленная солнечная электростанция (СЭС) была построена в 1985 г. в СССР в Крыму, недалеко от г. Щелкино. Она имела пиковую мощность в 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора. Однако в середине 1990-х годов станция был закрыта, поскольку стоимость вырабатываемой ею электроэнергии оказалась довольно высокой. Одна из причин - недостаточная эффективность работы СЭС в земных условиях. Отсюда решение - строить такие электростанции в космосе.
Эта идея серьезно обсуждалась на Президиуме АН СССР уже вскоре после полета Юрия Гагарина и была признана заслуживающей внимания. В последующие годы проекты космических солнечных электростанций (КСЭС) стали рождаться как грибы после дождя, особенно в годы энергетического кризиса середины 1970-х годов. Но все они были «привязаны» к геостационарной орбите, заполненной почти до разумного предела информационными спутниками многих стран. Наличие там еще и электростанций могло стать серьезной помехой для их работы.
Надо сказать, что для России в принципе более предпочтительна для размещения КСЭС вытянутая 12-часовая солнечно-синхронная или приближающаяся к ней по параметрам орбита. В этом случае электростанция станет «восходить» над горизонтом дважды в сутки. Апогей ее орбиты будет находиться над Северным полюсом на высоте 40000 км, а перигей - в районе Южного полюса на расстоянии 500 км от земной поверхности. Энергия от одной такой КСЭС будет подаваться в течение 8 часов с апогейного участка, причем в наиболее нуждающиеся в ней северные районы страны. В остальные 4 часа происходит накопление энергии аккумуляторными станциями.
Для доставки на рабочие орбиты элементов КСЭС и их сборки, а в дальнейшем и обслуживания станции потребуется разработка монтажных, воздушно-космических и межорбитальных транспортных космических комплексов, что в целом представляет не менее сложную задачу, чем создание самих КСЭС. Но в любом случае солнечные электростанции в космосе представляются более дешевым и перспективным вариантом решения энергетических проблем на Земле, чем доставка с Луны пресловутого Гелия-3 для термоядерных электростанций.
Мнение автора может не совпадать с позицией редакции
