РЕНТАБЕЛЬНЫЙ КОСМОС
РЕНТАБЕЛЬНЫЙ КОСМОС
Мы хотели бы попросить читателя эти наши размышления не рассматривать как попытку прогнозировать развитие космонавтики. К сожалению, слишком часто в нашей литературе интуитивные соображения специалистов (а иногда и неспециалистов), если они еще подкреплены простейшими расчетами, необоснованно объявляют научным прогнозом. А затем, не задумываясь, и программой развития.
На наших глазах в последние годы складывается новое научное направление — прогностика, которая вырабатывает разного рода аналитические и статистические методы оценки будущего.
И тем не менее предсказание, даже опирающееся на детальное знание области прогнозирования и оценочные расчеты, рискует не оправдаться. Слишком сложно, оказывается, предусмотреть на эти сроки все случайные события: открытия, изобретения, частные разработки, руководящие решения, изменение различных социальных факторов. Вот, например, Артур Кларк, известный ученый, а также писатель-фантаст и киносценарист, человек с энциклопедическими знаниями и богатейшей интуицией (это он в 40-е годы предвосхитил появление спутников связи), в 1962 году сделал специальный анализ и предсказал практическое появление ядерных ракетных двигателей в 1970 году, а высадку человека на Марс—до 1980 года. Как мы знаем, оба прогноза, как и многие другие, не сбылись.
В 1964 году известная американская фирма «Рэнд», создав специальную рабочую группу и применив новейший тогда метод экспертных оценок «Делфи» и ЭВМ, разработала прогноз развития космонавтики. Как оказалось, оправдалась только небольшая часть из 30 позиций, да и то та, что была ориентирована на ближайшие три-пять лет. В целом же картина, построенная на конец 70-х годов (то есть прогноз на пятнадцатилетие), разительно отличается от реальности.
Все это к тому, что и наши соображения о будущем космонавтики, быть может, через несколько лет кому-то покажутся неубедительными или даже забавными. И тем не менее мы решились на этот маленький риск. И в оценке будущего освоения Луны, и в рассмотрении возможности полета на Марс, и в своих точках зрения на орбитальные колонии. Правда, мы нигде не пытались называть более или менее точные сроки и этим надеемся уберечь себя от будущих сарказмов наших нынешних молодых читателей.
Сначала поговорим о некоторых из тех задач, которые видятся нам в освоении космоса человеком, хотя и не в близкой перспективе, но достаточно реально. И в решении которых к тому же истинно нуждается наша планета.
Мы полагаем, что после получения достаточного опыта долговременных полетов на орбитальных станциях предстоит создание на орбитах существенно более крупных объектов. Возможно, это будут гигантские солнечные электростанции для снабжения энергией наземных потребителей.
Как известно, солнечную энергию можно преобразовать в электрическую разными способами, в частности, используя тепловой поток. Но наиболее простым в нашем случае представляются полупроводниковые преобразователи светового солнечного излучения, то есть солнечные батареи типа тех, которые применяются на абсолютном большинстве современных космических аппаратов. Уже сейчас получен огромный опыт длительной эксплуатации их в условиях космоса.
Применяются обычно кремниевые элементы — тонкие, небольшого размера, площадью несколько квадратных сантиметров слоистые пластинки из кремния (по существу, стекло, только очень дорогое), при попадании на которые солнечного света возникает всем известный фотоэффект: образуется разность потенциалов. С одного элемента можно снять очень небольшую мощность, причем КПД преобразования энергии у такого элемента невелик — максимум 10–12 процентов (у экспериментальных — до 18). Чтобы получить практический источник питания, элементы в большом количестве соединяют последовательно и параллельно. В результате с одного квадратного метра солнечной батареи можно получить мощность максимум 140–170 ватт (мощность солнечного потока за пределами атмосферы около 1400 ватт на квадратный метр). На станции «Салют-6», например, смонтировано три панели площадью по 20 квадратных метров.
Понятно, что такие батареи дают ток только при наличии солнечного освещения и тем больший, чем отвеснее падают лучи на их поверхность. Поэтому для повышения токосъема на многих космических аппаратах устанавливают механизм ориентации батареи на Солнце, работающие независимо от ориентации аппарата. Такие механизмы имеются, в частности, на многих спутниках «Космос» и станциях «Салют». В период прохождения в тени применяют буферные химические аккумуляторы, которые в остальное время подзаряжаются от солнечных батарей, а также сглаживают возможные колебания напряжения при изменении нагрузки.
Не без оснований солнечные батареи считаются выгодными для снабжения энергией Земли. Отсутствие вращающихся частей делает их эксплуатацию предельно простой, а ресурс практически неограниченным. Хотя со временем КПД батареи постепенно падает под воздействием ультрафиолетовых излучений и метеорной эрозии.
Столь подробно мы рассказали о работе солнечных батарей, чтобы читатель сам оценил достоинства космической электростанции большой мощности. Важнейшие, кстати, из принципиальных ее отличий от обычных бортовых солнечных батарей — это отсутствие необходимости в буферных аккумуляторах и наличие системы передачи на Землю выработанной энергии. Для этой цели выгоднее всего оказалось применить микроволновое излучение. Станция должна иметь, таким образом, специальный преобразователь и передатчик энергии с остронаправленной антенной, а также, конечно, средства ориентации на Солнце и аппаратуру управления.
На Земле должны быть сооружены приемник волн и преобразователь их в промышленную энергию. Чтобы станции могли иметь непрерывную и кратчайшую связь с наземными приемниками, их следует создавать на стационарной орбите, то есть на высоте 36 тысяч километров в экваториальной плоскости.
Главное на пути создания орбитальных электростанций — научиться строить в космосе гигантские конструкции, которые должны быть легкими и легко трансформируемыми после выведения на орбиту. Начинать, по-видимому, придется со сборки ажурной панели-блока размером, скажем, 100 на 100 метров. А затем, постепенно соединяя между собой такие блоки, наращивать площадь панели до десятков квадратных километров. С панели площадью около 50 квадратных километров можно будет снимать мощность до 10 миллионов киловатт. Наземная приемная антенна будет иметь диаметр порядка нескольких километров.
Возможно, не только сборку, но и изготовление блоков окажется выгоднее осуществлять прямо на орбите. То есть доставлять туда рулоны металлической ленты и потом ее резать, паять из нее стержни и собирать в ферменные блоки. Существуют и другие варианты технологии их изготовления.
Разумеется, на эти гигантские конструкции невозможно будет наклеивать обычные солнечные элементы — пластинки. Но в последние годы широко и не без успеха ведутся работы по созданию тонкопленочных рулонных солнечных батарей. Такие пленки будут просто натягиваться на фермы. Если сейчас каждый квадратный метр солнечных панелей имеет массу 5—10 килограммов, то масса пленочных солнечных батарей в перспективе будет несколько сот граммов на квадратный метр. С учетом массы фермы общая масса составит примерно килограмм на квадратный метр.
Каждый киловатт мощности вновь построенных космических станций согласно предварительным прикидкам может стоить около двух-трех тысяч рублей, что, оказывается, в полтора-два раза дороже, чем у наземных атомных станций, в 2–2,5 раза, чем у ГЭС, и в че-тыре-шесть раз, чем у тепловых. Но это учитывая затраты на постройку. Однако солнечная электростанция совсем не расходует невозобновляемых природных ресурсов. И это ее достоинство оказывается очень существенным — через пять-семь лет эксплуатации орбитальные источники энергии окажутся уже рентабельнее и тепловых и атомных.
Расчеты показывают, что в будущем космические электростанции могут внести существенный вклад в энергоснабжение на нашей планете.
Важнейшей из проблем создания таких станций является экономичная доставка на орбиту материалов или элементов конструкции для их монтажа. Общая масса станции мощностью 10 миллионов киловатт составит примерно 50–80 тысяч тонн.
— Возникает, Константин Петрович, вопрос: а реально ли создание крупных космических электростанций с точки зрения длительности и стоимости процесса транспортировки на орбиту элементов конструкции и сборки их там? Ведь для станции мощностью 10 миллионов киловатт понадобится порядка двух тысяч рейсов транспортных кораблей грузоподъемностью около 30 тонн. Если запускать даже по 100 кораблей в год, получится, что только доставка материалов может занять около двадцати лет, не считая окончательной сборки и отладки. Нельзя же так долго строить столь важный объект!
— Вопрос транспортировки — ключевой вопрос этой проблемы. Простой расчет показывает, что носители должны быть гораздо более мощными, чем существующие, чтобы выводить за один раз до 500 тонн. Тогда их понадобится лишь 100–150, и все грузы можно будет запустить за три-пять лет.
— Значит, всего лишь полтораста носителей, которых и в природе-то еще нет… А легко ли будет огромные ферменные панели ориентировать на Солнце, и не будут ли они быстро тормозиться за счет трения в атмосфере?
— Круговая скорость на стационарной орбите мала, а разрежение чрезвычайно велико — проблем с поддержанием орбиты не возникнет. Хотя момент инерции конструкции будет очень большой, ориентация тоже может быть вполне обеспечена.
— Для постройки станции там же, на высокой орбите, придется создать специальное производство. Значит, в космосе понадобится много людей. Для них нужно будет построить жилища. Колонии?
— Все производство должно быть автоматизировано и стандартизировано. Поэтому людей понадобится не очень много. Работать на орбите они смогут не более полугода за одну «командировку», и, следовательно, искусственная сила тяжести не понадобится. Современный опыт работы в открытом космосе (помните ремонтную операцию, проведенную Рюминым и Ляховым?) позволяет надеяться на эффективное участие человека и в непосредственных сборочных операциях.
— Надо полагать, огромные панели, находясь на высокой орбите, не будут затенять большие площади на Земле?
— Это совершенно исключено.
— А наземные приемные антенны? С ними не будет проблем? Большие площади, огромные концентрации энергии…
— Проработки показывают, что все проблемы лежат в области реального.
— И последний вопрос: не потому ли вам нравится эта идея, что, как вы сами рассказывали, в детстве вы думали о передаче энергии без проводов? Кстати, тогда вас смущало, что на микроволновый луч может наткнуться самолет и сгореть. А как теперь?
— Идеи космических электростанций меня привлекают потому, что они способны внести существенный вклад в земную энергетику. Создание их — один из самых перспективных путей получения от ракетно-космической техники весомой отдачи в интересах всего человечества, превращение космонавтики в высокорентабельную сферу хозяйственной деятельности землян. И еще потому, что реализация этой цели — интереснейшая проектная задача. Хотя наверняка осуществлять ее: будут те, кому сейчас на двадцать-тридцать лет меньше, чем мне. Что же касается самолетов, то им придется летать подальше от приемной станции.
Остается добавить, что наличие в космосе огромного наличия энергии и реальность ее утилизации несомненно приведет к развертыванию в нем промышленного производства. Проведенные на «Салюте-6» технологические эксперименты показывают, что получение на орбите уникальных сплавов, сверхчистых кристаллов, оптических стекол, биологических препаратов и многого другого может оказаться весьма выгодным в больших масштабах.
В будущем на высокие околоземные орбиты можно было бы вынести особо «вредные» производства — некоторые виды металлургии, химической промышленности, атомную энергетику и отдельные технологические процессы.
Наличие мощных источников энергии в космосе позволит при необходимости в разумных пределах влиять на земной климат.
Конечно, космическое производство и вся крупная хозяйственная деятельность на орбите будут максимально автоматизированы. Но для развертывания и поддержания их в космосе понадобятся люди. А это значит, нынешние усилия по созданию орбитальных станций и проведение на них разнообразных комплексных исследований — необходимый задел на будущее.
Не хочется, чтобы дело представлялось так, что «рентабельный космос» возникнет только после создания солнечных электростанций. Уже сейчас значительная часть всей космической деятельности приносит достаточно высокий экономический эффект. Весомость в этом отношении спутников связи, метео- и навигационных спутников, исследование природных ресурсов и многих других направлений весьма значительна. Длительные экспедиции на станции «Салют-6» приносят по нескольку десятков миллионов рублей экономического эффекта. Некоторые практические результаты, которые дают космические средства, вообще нельзя получить никакими другими способами.
Вообще-то дело иногда представляют так, что на космос тратятся слишком большие средства. На самом деле это не совсем так. Если разложить затраты любой страны, занимающейся космическими исследованиям.;, на всех ее жителей, получится лишь по нескольку рублей на человека в год. Ну и потом давно известно — не каждый научный результат можно оценить в рублях…
В этом разделе было немало различных цифр. Но мы надеемся, что читатель нас простит. Тема рентабельности — это из области экономики, а экономика не может быть без цифр.