Научная статья на тему 'ЛУННАЯ ЭНЕРГЕТИКА'

ЛУННАЯ ЭНЕРГЕТИКА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
35
7
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
лунная энергетика / электролиз воды / колонизация Луны / хранение газов / unar energy / electrolysis of water / colonization of the moon / gas storage

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Иванов Арсений Сергеевич, Шкарупа Игорь Леонидович, Устинов Игорь Константинович

18 июня 2009 года, ракета-носитель «Атлас-5» стартовал с космодрома «мыс Канаверал». На этот раз полезной нагрузкой был аппарат миссии LCROSS Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (Космический аппарат для наблюдения и зондирования лунных кратеров), вместе с этим аппаратом на ракете был, ныне уже знаменитый LRO Lunar Reconnaissance Orbiter (дословно орбитальный лунный разведчик), который смог создать невероятно подробную карту Лунной поверхности. Оба аппарата дали много знаний о нашем естественном спутнике, и в частности был найден ответ фундаментального характера на Луне есть вода в виде льда. Причем, получилось обнаружить воду не дистанционными нейтронными сенсорами, а физическим контактом со льдом одной из задач LCROSS было столкновение частью полезной нагрузки с Луной, ради получения искусственного кратера в нужном месте и в нужное время. Время появления кратера было подобрано так, чтобы аппарат прошел через пыль, поднятую с лунной поверхности. В этой пыли был обнаружен водяной лед, с который был обнаружен регистрирующей аппаратурой [1].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотрDOI: 10.24412/2071-6168-2024-2-133-134
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

LUNAR ENERGY

On June 18, 2009, the Atlas-5 launch vehicle launched from the Cape Canaveral cosmodrome. This time, the payload was the LCROSS Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (a spacecraft for observing and probing lunar craters), along with this device on the rocket was the now famous LRO Lunar Reconnaissance Orbiter (literally, the orbital lunar scout), which was able to create an incredibly detailed map of the Lunar surface. Both devices provided a lot of knowledge about our natural satellite, and in particular, a fundamental answer was found there is water in the form of ice on the Moon. Moreover, it turned out to detect water not by remote neutron sensors, but by physical contact with ice one of the tasks of LCROSS was to collide part of the payload with the Moon, in order to obtain an artificial crater in the right place and at the right time. The time of the crater's appearance was chosen so that the spacecraft passed through the dust lifted from the lunar surface. Water ice was found in this dust, which was detected by recording equipment [1].

Текст научной работы на тему «ЛУННАЯ ЭНЕРГЕТИКА»

УДК 523.34

DOI: 10.24412/2071-6168-2024-2-133-134

ЛУННАЯ ЭНЕРГЕТИКА

А.С. Иванов, И.Л. Шкарупа, И.К. Устинов

18 июня 2009 года, ракета-носитель «Атлас-5» стартовал с космодрома «мыс Канаверал». На этот раз полезной нагрузкой был аппарат миссии LCROSS - Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (Космический аппарат для наблюдения и зондирования лунных кратеров), вместе с этим аппаратом на ракете был, ныне уже знаменитый LRO - Lunar Reconnaissance Orbiter (дословно - орбитальный лунный разведчик), который смог создать невероятно подробную карту Лунной поверхности. Оба аппарата дали много знаний о нашем естественном спутнике, и в частности был найден ответ фундаментального характера - на Луне есть вода в виде льда. Причем, получилось обнаружить воду не дистанционными нейтронными сенсорами, а физическим контактом со льдом - одной из задач LCROSS было столкновение частью полезной нагрузки с Луной, ради получения искусственного кратера в нужном месте и в нужное время. Время появления кратера было подобрано так, чтобы аппарат прошел через пыль, поднятую с лунной поверхности. В этой пыли был обнаружен водяной лед, с который был обнаружен регистрирующей аппаратурой [1].

Ключевые слова: лунная энергетика, электролиз воды, колонизация Луны, хранение газов.

Наличие воды на Луне уже стало достаточно распространенной, осуждаемой, даже раздражающей темой, но тем и важно это открытие, что позволяет думать о развитии и заселении нашего спутника. Конечно, про воду на Луне предполагали задолго до 2009 года, иначе миссии бы просто не было, но тем и прекрасен современный научный подход - он требует эксперимента и точного доказательства ради утверждения каких-либо фактов. С этого момента мы можем не только учитывать наличие воды на Луне, но и рассчитывать на этот ресурс.

Питье, дыхание, огонь...что-то еще? Вода - удивительное вещество, оно жизненно необходимо подавляющему числу известных биологических видов, в том числе и человеку. Только этот факт делает ее стратегически важным ресурсом для планирования места колонии. Вода состоит из трех атомов - два атома водорода и один атом кислорода, если воду «разделить» на составляющие с помощью электролиза - когда электрическая энергия тратится на разделение воды на составляющие вещества. Кислород необходим для дыхания, водород может быть частью высокоэффективного ракетного топлива или использоваться в других целях.

В 1839 году была опубликована заметка британского ученого Уильяма Роберта Грове, в которой он описал опыт, где обнаружил «постоянное отклонение» стрелки гальванометра между двумя платиновыми электродами, погруженными в жидкость, омываемыми один - кислородом, другой - водородом [2]. Позже Грове обнаружил, что процесс электролиза обратим, водород и кислород можно объединять, но с выделение электроэнергии и тепла, таким образом, получилось создать первый электрохимический генератор - (ЭХГ).

Энергоснабжение колонии. У Луны настолько ничтожная атмосфера, что можно сказать, что её там совсем нет, из-за этого солнечный свет, который падает на поверхность спутника, не теряет свою энергию, и солнечные панели, расположенные на поверхности, будут вырабатывать электричество эффективней чем на Земле, и самое главное - не зависимо от погодных условий. Одна проблема - Лунные сутки длятся 28 земных. На лунном экваторе 336 часов светло, 336 часов темно, и пока на черном небе есть солнце, проблем с энергией нет, но как только светило уходит за горизонт, вариантов энергообеспечения становится немного. Это одна из причин, почему первые лунные колонии хотят строить у полюсов - там есть участки, которые освещены солнцем всегда, так и участки где солнца не было миллиарды лет, и там же есть доказанные запасы водяного льда у самой поверхности [3].

Но Луна чрезвычайно интересный объект для исследований несмотря на то, что Лунная поверхность запечатлена аппаратами в лучшем качестве и разрешении чем поверхность Земли! Исследований на поверхности, а тем более под поверхностью почти не проводилось. Геологоразведки Луны почти не было, карт скальных лунных пород, пещер и прочего не сделано.

Естественные процессы формирования планерных объектов солнечной системы, так и гравитационное влияние Земли привели к тому, что у Луны были периоды невероятной геологической активности - на видимой стороне естественного спутника есть хорошо заметные светлые области, называемые «морями», они ни что иное, как огромные разливы лунной лавы, которая застыла, эти участки отличаются гораздо меньшим количеством кратеров, этот фактор позволяет предположить, что эти «моря» заметно моложе, чем сама Луна. Принимая во внимание вышесказанное, можно констатировать, что на видимой стороне Луны может быть много доступных к добыче ресурсов. На Луне не ожидается добыть уголь и углеводороды, т. к. эти полезные ископаемые сформировались на Земле из-за жизнедеятельности растительного покрова (жизнь на Земле существует 3,5 млрд. лет), а на Луне этот этап развития отсутствовал. Из-за низкой лунной гравитации и высокой геологической активности у Луны могут быть обширные пещерные сети. Наибольшая плотность лунных «морей» сконцентрированы как раз ближе к экватору, в случае расположения там колонии исследователей ярко проявляется проблема с энергообеспечением, о которой говорилось выше.

Проблема имеет несколько вариантов решения:

Солнечные панели с аккумулированием излишек электричества.

Независимый источник энергии.

Независимый источник энергии — это либо РИТЭГ (Радиоизотопный термоэлектрический генератор), либо реактор - ядерный или термоядерный. Энергетических термоядерных реакторов, правда, пока не существует. РИТЭГ достаточно компактный, безопасный и стабильный источник энергии, который может работать десятки лет, но электроэнергии РИТЭГ производит недостаточно, поэтому такой генератор может быть включен в состав лунной станции как резервный источник питания. Ядерный реактор может быть достаточно мощным производителем электроэнергии, с достаточным ресурсом работы - 60 и более лет без перезагрузки топлива. Компактные ядерные энергетические установки эксплуатировали в космическом пространстве, создание для такого генератора для лунной

133

Известия ТулГУ. Технические науки. 2024. Вып. 2

станции уже скорее инженерная работа, которая точно будет выполнена. Но у ядерных реакторов есть ряд недостатков, главный из которых - радиационная опасность такой энергетической установки.

Солнечные панели с вариантом аккумулирования электричества - альтернативный вариант для ранних лунных колоний. В качестве аккумулятора могут быть использованы классические электрические аккумуляторы, вроде литий-ионных, но такой вариант сразу отпадает, так как на Луну придется привезти очень большое количество, а следовательно и массу таких элементов ради снабжения станции на время лунной ночи. В качестве альтернативного варианта аккумулирования электрической энергии может стать лунная вода.

Лунный энергетический дуализм. Как и электромотор, который может быть источником энергии, если вращать ротор принудительно, так и электролизер при модификации конструкции может не только потреблять энергию и разлагать воду на кислород и водород, так и соединять эти элементы превращая это в воду с выделением энергии (см. формулу 1):

н2 + 1о2 = Н20 + 242 кДж/моль, (1)

Если создать достаточно надежные хранилища для водорода и кислорода, воду, возможно, использовать как аккумулятор энергии. Электролизер обязан быть у Лунной колонии, как минимум, ради получения кислорода для дыхания, также его можно использовать для генерации энергии. Этим способом можно решить проблему энергоснабжения станции - днем солнечные панели будут вырабатывать энергию для потребности колонии, также и нарабатывать водорода и кислорода, ночью же водород и кислород будут использоваться для генерации электричества и для получения воды, вырабатываемое тепло будет использоваться для отопления обитаемых модулей и аппаратуры.

Предположим, ранняя лунная колония будет потреблять энергии столько же, сколько и МКС, тогда, необходимая мощность генераторов должна быть на уровне 50-80 кВт. Как было сказано выше, основой генерации станут солнечные панели, которые должны удовлетворять потребность станции, так и питать электролизер. Допустим, что колония находится примерно на экваторе Луны, тогда площадь солнечных панелей только ради удовлетворения потребности станции должна быть - 1367 Вт/м2 х КПД фотоэлемента. Плотность солнечной энергии на расстоянии 1 а.е. от Солнца составляет 1367 Вт/м2. КПД солнечных панелей находится на уровне 20%, получается, площадь солнечной электростанции, указанной мощности 185-300 м2. В качестве примера топливного элемента, пусть будет устройство с характеристиками идентичными с установками космического аппарата «Буран», (см. Таблицу 1).

Таблица 1

Характеристики ЭХГ «Фотон»[5]._

Характеристика ЭХГ «Фотон» для космического аппарата «Буран»

Мощность номинальная, кВт 10

Напряжение на одном ТЭ, В 0,95

Плотность тока, мА/см2 200

Электрохимический КПД, % 77

Ресурс, ч 6800

Расход водорода, кг/час 0,5

Для обеспечения колонии с потребностью 50 кВт электрической энергии в течение 400 часов, нужно иметь в запасе 780 кг водорода и 6200 кг кислорода. При нормальных условиях это 8640 м3 водорода и 4360 м3 кислорода. Если использовать электролизер с характеристиками промышленных установок, то, чтобы за 330 часов наработать необходимое количество разделенного вещества, нужно дополнительно иметь 145 кВт энергии, при таком условии будет происходить наработка 25-30 м3 водорода и 12-14 м3 кислорода в час [5].

У колонии солнечные панели должны генерировать 190-210 кВт энергии, при учете солнечной постоянной, итоговая площадь солнечного генератора для нужды лунной колонии составляет 630-690 м2. Для сравнения, суммарная площадь солнечных панелей МКС составляет 1680 м2.

В таком случае серьезной проблемой будет уже надёжное хранение запасов газов и воды, и чтобы вариант с предлагаемым аккумулированием энергии имел смысл - необходимо резервуары изготавливать на месте из местных материалов. Некоторые варианты лунной колонии подразумевают строительство обитаемых модулей из лунного реголита, можно предположить, что похожая технология может применяться для строительства объемов хранения воды, кислорода и водорода. Хранить водород и кислород целесообразно под большим давлением в капиллярах, изготовленных из лунного реголита. Это позволит эти хранилища иметь относительно небольшого размера.

Заключение. Энергетический дуализм с применением солнечных панелей и электролиза воды - предпочтительный вариант энергообеспечения малой экваториальной лунной колонии. В этом случае, ядерные энергетические установки избыточны, к тому же они потребуют дополнительный экипаж для обслуживания. Если использовать капилляры малого размера, изготовленные из лунного реголита для хранения водорода и кислорода под большим давлением, то это приведёт к тому, что не надо будет создавать резервуары больших объёмов для хранения газов и жидкостей. Для нормальной работы экипажа необходима вода, её добыча предусматривается в любых лунных станциях, и эту же воду можно использовать как аккумулятор энергии.

Список источников

1. LCROSS: Finding Water at the Lunar South Pole. by Brian H. Day.

2. Янга Г.Д. Топливные элементы: перевод с английского под редакцией. М.: Издательство иностранной литературы, 1963. 216 с.

3. COSPAR Moscow 2014 COSMOS 40th SCIENTIFIC ASSEMBLY. «Прибор ЛЕНД изучает водные ресурсы Луны», 2014.

4. Матрёнин В.И., Овчинников А.Т., Поспелов Б.С., Соколов Б.А., Стихин А.С. От энергетики орбитального корабля «Буран» к энергетике космических кораблей и станций // Космическая техника и технология. 2013.

№ 3. С. 57-65.

5. Общая энергетика: водород в энергетике : учебное пособие для вузов / Р.В. Радченко, А.С. Мокрушин, В.В. Тюльпа; под научной редакцией С.Е. Щеклеина. М.: Издательство Юрайт, 2024. 230 с.

Иванов Арсений Сергеевич, инженер-исследователь, mr.arseny.ivanov@mail. ru, Россия, Обнинск, АО «ГНЦРФ-ФЭИ» им. А.И.Лейпунского,

Шкарупа Игорь Леонидович, канд. техн. наук, руководитель группы, shil2018igor@yandex. ru, Россия, Обнинск, АО «ГНЦРФ-ФЭИ» им. А.И.Лейпунского,

Устинов Игорь Константинович, канд. техн. наук, доцент, ustinovigorkir@yandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского Государственного Технического Университета имени Н.Э. Баумана

LUNAR ENERGY A.S. Ivanov, I.L. Shkarupa, I.K. Ustinov

On June 18, 2009, the Atlas-5 launch vehicle launched from the Cape Canaveral cosmodrome. This time, the payload was the LCROSS - Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (a spacecraft for observing and probing lunar craters), along with this device on the rocket was the now famous LRO - Lunar Reconnaissance Orbiter (literally, the orbital lunar scout), which was able to create an incredibly detailed map of the Lunar surface. Both devices provided a lot of knowledge about our natural satellite, and in particular, a fundamental answer was found - there is water in the form of ice on the Moon. Moreover, it turned out to detect water not by remote neutron sensors, but by physical contact with ice - one of the tasks of LCROSS was to collide part of the payload with the Moon, in order to obtain an artificial crater in the right place and at the right time. The time of the crater's appearance was chosen so that the spacecraft passed through the dust lifted from the lunar surface. Water ice was found in this dust, which was detected by recording equipment [1].

Key words: unar energy, electrolysis of water, colonization of the moon, gas storage.

Ivanov Arseny Sergeevich, research engineer, mr.arseny.ivanov@mail.ru, Russia, Obninsk, JSC «GNC RF-FEI» named after A.I.Leipunsky,

Shkarupa Igor Leonidovich, candidate of technical sciences, head of the group, shil2018igor@yandex. ru, Russia, Obninsk, JSC «GNC RF-FEI» named after A.I.Leipunsky,

Ustinov Igor Konstantinovich, candidate of technical sciences, docent, ustinovigorkir@yandex. ru, Russia, Kaluga, Kaluga branch of the Bauman Moscow State Technical University

УДК 004.896

Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-135-136

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫРАБОТКИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

С.В. Шабунин

В данной статье рассматривается, что важным фактором влияющем на прогнозирование выработки электрической энергии фотоэлектрической установкой является климатические условия, а частности температура окружающей среды. Предлагается спрогнозировать выработку собственной генерации используя интеллектуальную нейронную сеть. Модель прогнозирования будет учитывать изменение температуры окружающей среды. Рассматривается как изменение температуры окружающей среды влияет на выработку электроэнергии. Важно учитывать почасовое изменение температуры окружающей среды, что бы ошибка прогнозирования имела минимальные значения.

Ключевые слова: интеллектуальная нейронная сеть, прогнозирование, фотоэлектрическая установка.

Введение. Планирование распределения потоков электроэнергии является важнейшей задачей из-за высокого уровня неопределенности в интеллектуальной сети, существует острая необходимость в качественном методе обработки прогнозируемой выработки электроэнергии возобновляемых источников энергии фотоэлектрических панелей. Технология искусственного интеллекта - дает возможность повысить качество принятия решений задач прогнозирования.

Преобразование солнечной энергии в электрическую является перспективным направлением возобновляемой генерации электрической энергии. Солнечная энергия практически безгранична и не загрязняет окружающую среду. Широкое распространение солнечной генерации увеличивает роль прогнозирования выработки электроэнергии фотоэлектрических установок. Для эффективного прогнозирования выработки электроэнергии необходимо спрогнозировать поведение фотоэлектрической установки при изменении условий окружающей среды.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.