Мысль получать электроэнергию для земных нужд в космосе родилась одновременно с началом освоения космического пространства. Ракетно-космические технологии развивались быстро, а прогнозы сокращения мировых запасов углеводородов становились все более пессимистичными. На этом фоне получение чистой энергии Солнца представлялось выгодным и легко реализуемым. Однако расчетный КПД космических электростанций, разрабатывавшихся в прошлом веке, оказался крайне невысок.
С появлением новых материалов и технологий интерес к реализации этой заманчивой идеи вновь вырос. Настолько, что, например, США в 2007 году приняли программу “Использование солнечной энергии космического базирования, как возможность стратегической безопасности”. Россия, несмотря на свои прошлые достижения в космосе, пока сильно отстает в этом направлении. Тем не менее и у нас существуют группы, занимающиеся теоретическими разработками в области солнечной энергетики.
О возможности получения и применения космической электроэнергии рассказал профессор МЭИ Олег Сенкевич, научный руководитель отмеченного грантом Минобрнауки проекта “Использование энергии космических электростанций для экологических нужд Земли с возможностью предотвращения природных и индустриальных катастроф”. Группа под руководством О.Сенкевича первая и пока единственная в мире разрабатывает принципиально новый подход к функционированию и использованию этих космических аппаратов.
— Олег Арсеньевич, для выработки электроэнергии в космосе обычно применяют солнечные батареи. В чем новизна вашего подхода?
— Если использовать только солнечные батареи, максимально возможная мощность станции, занимающей разумную площадь на орбите, составит несколько мегаватт. Но ее можно увеличить как минимум в 4-5 раз. Помимо солнечных батарей мы предлагаем создать трехступенчатую комбинированную энергетическую систему, которая включает в себя магнитогидродинамический генератор (МГДГ) неравновесной замагниченной плазмы, газотурбинную и паротурбинную установки. За счет чего они будут работать? Многие наверняка пробовали в детстве с помощью линзы поджечь деревяшку. На подобном принципе сейчас создаются высокоэффективные концентраторы солнечной энергии.
С помощью оптического волокна энергия передается на станцию, где происходит разогрев рабочего тела, состоящего из инертного газа и паров щелочных металлов, до температур порядка 4000 градусов Кельвина. Затем создается неравновесная плазма, в которой тяжелые части, например атомы, имеют температуру около 4000, а легкие, электроны, разогреваются до 15-20 тысяч градусов. После цикла с МГДГ разогретое рабочее тело поступает в теплообменник, нагревая инертный газ (например, гелий), за счет чего приводит в действие газотурбинный блок, также вырабатывающий энергию. В газовой турбине температура падает, но остается все еще достаточно высокой. Ее направляют в теплообменник паротурбинного цикла, где происходит испарение цезия, пары которого совершают работу в паровой турбине. Так помимо солнечных батарей мы получаем еще три модуля, каждый из которых вырабатывает электроэнергию, что, по самым осторожным прогнозам, повышает КПД станции в несколько раз.
Использование МГДГ и турбин позволит на каждые 10 килограммов веса установки вырабатывать около киловатта, а в долгосрочной перспективе это соотношение можно довести до 5 кг/кВт. Конечно, идеальным было бы соотношение 0,1-0,5 кг/кВт, но пока этого не удалось достичь никому. Однако появление в будущем новых материалов позволит решить и эту проблему.
Космическая электростанция может содержать и блок с преобразованием атомной энергии в электрическую, тогда суммарная мощность станции составит несколько десятков гигаватт.
— Как передать электроэнергию земному потребителю?
— Ее необходимо преобразовать в СВЧ-излучение и направить на Землю в специальный теплообменник-экран, который мы разрабатываем. Он представляет собой совокупность труб, заполненных теплоносителем, который разогревается и направляется в подземный резервуар-аккумулятор теплоты. И уже из него, по мере необходимости, теплоноситель поступает в парогенератор, где отдает свою энергию рабочему телу обычного паротурбинного цикла. КПД этих преобразующих станций составляет около 30-40%, что существенно выше других, известных сейчас способов преобразования СВЧ-излучения в электрический ток стандартных параметров. Особенно выгодно использовать эту технологию совместно с АЭС, так как это дает возможность работать реактору с постоянной нагрузкой как во время пиковых потреблений электроэнергии, так и в периоды ночных “провалов”.
Можно вырабатывать электроэнергию и сразу, минуя подземный аккумулятор теплоты. Преимущество подобных установок в том, что они могут быть созданы в местах, удаленных от существующих линий электропередачи и быть полностью независимыми. Строительство таких станций обойдется дешевле, а наличие аккумулятора позволяет выравнивать суточный график потребления электроэнергии и сглаживать неизбежные колебания мощности СВЧ-пучка, что существенно повысит их КПД.
— Но прежде чем запустить эти аппараты в космос, наверное, нужно создать определенную инфраструктуру на Земле?
— Да, конечно. Только в этом случае можно говорить об их максимально эффективном использовании. Но даже на сегодняшний день без промышленного преобразования микроволнового излучения в электрический ток на поверхности планеты существует ряд экологических вопросов, которые могут быть решены при наличии станции. Например, проблемы, связанные с воздействием на торнадо и ураганы или с уменьшением катастрофических промышленных выбросов в атмосферу. Не стоит забывать и о возможности применения этих установок в целях стратегической безопасности государства.
Для создания космических электростанций, прежде всего, нужны государственная программа и соответствующее финансирование. Она даст толчок и для развития исследований, и для разработки совершенных материалов, технологий, производств, и для создания новых рабочих мест.
Юрий ХОМЕНКОВ
Фото Сергея ЗенкОвича
Нет комментариев