Горизонты техники для детей, 1974 №4

Электростанция на орбите

Человек стремится заменить свои труд работой машин, особенно там, где нужны большие затраты силы и времени. Он хочет быстро передвигаться с места на место. Однако мы не всегда помним о том, что без энергии машины и оборудование были бы совершенно бесполезными, мертвыми предметами. Чем больше появляется машин, заменяющих труд человека, чем мощнее они, тем больше энергии необходимо для того, чтобы оживить их.

Дефицит энергии, особенно тепловой и электрической, все острее дает о себе знать. Добыча газа, нефти и угля не покрывает спроса на это сырье. Кроме того, их сжигание приводит к загрязнению окружающей среды. Не меньше хлопот вызывают радиоактивные отходы, образующиеся при работе атомных электростанций. В связи с этим все больше внимания уделяют тем источникам энергии, использование которых не создает угрозы для естественной среды. Таким источником является в первую очередь — солнце.

В последние годы предпринимаются попытки использования солнечной энергии в технике. Примером могут служить построенные в некоторых странах экспериментальные солнечные печи. Огромные вогнутые зеркала, являющиеся основной частью этих печей, позволяют собрать в одной точке энергию, падающую на поверхность всего зеркала. Получаемая благодаря этому высокая температура используется, в частности, для плавки тугоплавких материалов. Солнечная энергия используется также с помощью соответствующих устройств для опреснения морской воды, обогрева жилых помещений, перекачки воды в мелиоративных системах.

Нельзя забывать также о возможности непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Это возможно благодаря солнечным батареям, которые устанавливаются на космических кораблях. Солнечные батареи, точнее говоря — фотоэлементы — это особая разновидность полупроводниковых диодов. Они сконструированы таким образом, чтобы падающий на них свет мог доходить до барьерного слоя, т. е. границы двух областей диода, отличающихся своими электрическими свойствами. Благодаря этому в момент освещения диода на его выводах появляется электрическое напряжение, и диод может служить источником тока. Величина упомянутого напряжения зависит от характера полупроводникового материала, чаше всего используется с этой целью кремний. Один кремниевый фотоэлемент позволяет получить при наиболее благоприятных условиях освещения ток напряжением около 0,5 В. Более высокое напряжение можно получить благодаря последовательному соединений элементов, а их параллельное соединение повышает величину тока.

Разумеется, чем больше поверхность элемента, тем больше и напряжение получаемого тока. Из практических соображений применяются элементы площадью от 1 до 5 кв. см. Они соединяются в системы, площадь которых зависит от требуемой мощности.

Самая большая солнечная батарея была установлена на американской космической станции Скайлаб. Она состоит из 312 тысяч отдельных элементов общей площадью 220 кв. метров и может дать при наиболее благоприятных условиях освещения ток мощностью 24 квт. Такие большие солнечные батареи изготовляются в виде пластин, которые при старте с земли сложены гармошкой. Недавно были опробованы батареи фотоэлементов, прикрепленных не к жесткой основе, а к гибкой пластмассовой фольге. На этой фольге имеется также сеть медных дорожек, соединяющих отдельные элементы, выполненные в виде печатной схемы.

Такие солнечные батареи могут быть свернуты в трубку, благодаря чему их можно без труда поместить в головке несущей ракеты.

Как уже упоминалось, мощность тока, даваемого освещенной солнечной батареей, прямо пропорциональна ее площади. Это породило идею создания больших систем фотоэлементов, которые превратят поступающую «даром» солнечную энергию в электрическую. Электростанции, работающие на солнечной энергии, к тому же не будут загрязнять окружающую среду. Однако при ближайшем рассмотрении оказалось, что такая электростанция, расположенная на поверхности земли и работающая для нужд предприятий и жилых поселков, имела бы серьезный недостаток. Ночью, а также днем при плохой погоде наступали бы перерывы в доставке энергии. Применение аккумуляторов для обеспечения непрерывного снабжения энергией — дело слишком сложное. В то же время поместив такую «солнечную электростанцию» на соответствующую земную орбиту, можно обеспечить почти непрерывное освещение ее солнцем.

Работая над вопросом передачи электроэнергии с такой космической электростанции на поверхность нашей планеты, американский ученый Питер Глейзер предложил использовать с этой целью микроволны или радиоволны длиной от нескольких до нескольких сот миллиметров. На основе предложения Глейзера одна американская фирма разрабатывает проект крупной орбитной электростанции мощностью 10 тысяч Мвт. Этой энергии достаточно для снабжения Парижа или Москвы. По подсчетам специалистов, площадь солнечной батареи будет равна 8x8 километров. Кабель длиной 3 километра позволит направлять произведенную электроэнергию в микроволновый генератор. Возбуждаемые к нем микроволны будут преобразовываться в узкий пучок и направляться в намеченную точку на земле благодаря передающей антенне площадью 1,5х1,5 километра. Вторая, приемная антенна не находящаяся на земле, будет гораздо больше. 10x10 километров. Наряду с этим наземная станция будет оснащена преобразователем энергии микроволн в электроэнергию. Практика космических полетов позволяет надеяться, что орбитная электростанция будет успешно работать в течение по крайней мере 30 лет. По сообщению американских инженеров, орбитная электростанция может начать работу в 1990 году. Однако прежде чем это наступит, надо решить еще много проблем.

Прежде всего издержки по строительству электростанций должны быть достаточно низкими, с тем чтобы получаемая энергия была дешевле энергии из других источников. А для этого необходимо понизить издержки производства фотоэлементов в сто раз. Авторы проекта надеются, что благодаря массовому изготовлению фотоэлементов удастся снизить их себестоимость.

Предполагается поместить электростанцию на стационарной орбите, проходящей над экватором на высоте 36 тысяч километров. Благодаря этому она будет находиться почти неподвижно над одной точкой на поверхности земли. Не случайно здесь сказано «почти неподвижно». Ведь в результате освещения солнцем очень большой поверхности, давление света вызовет отклонения в положении электростанции на орбите. Однако это не приведет к серьезным осложнениям. Зато благодаря выбору стационарной орбиты, электростанция круглый год будет освещаться солнцем, за исключением двух перерывов (каждый всего лишь по 72 минуты) в момент весеннего и осеннего равноденствия, когда окажется в тени Земли.

Преобразование энергии микроволн в электроэнергию — дело не простое. Сейчас при таком преобразовании третья часть энергии превращается в тепловую и пропадает зря. Авторы проекта надеются сократить эти потери в три раза, в противном случае слишком большое количество тепла, выделяющееся в приемной станции, будет серьезно мешать ее работе. Предполагается также, что можно будет сделать приемные антенны, пропускающие дневной свет и полностью поглощающие доходящие до них микроволны. Это позволит устанавливать такие антенны на промышленных центрах — потребителях энергии космических электростанций.

По расчетам орбитная электростанция должна весить более 10 тысяч тонн. Для того, чтобы вывести такой огромный объект на орбиту, потребуется ракетоплан, т. е. строящийся сейчас космический транспортный корабль, предназначенный (в отличие, от прежних несущих ракет) для многократного использования и способный приземляться на обычных аэродромах. Он сможет совершить несколько сот полетов с отдельными частями электростанции, которые затем будут собираться в космическом пространстве. Стоимость транспортировки электростанции на орбиту составит одну пятую всех расходов по ее строительству.

Таковы планы, касающиеся электростанции совершенно нового типа. Время покажет, будут ли они осуществлены. Во всяком случае трудно себе представить, чтобы большинство электроэнергии поставлялось на землю из космоса. Для этого потребовалось бы по крайней мере несколько сот орбитных электростанций, т. е. пришлось бы опоясать ими практически всю планету.

ЕЖИ ВЕЖБОВСКИЙ