CC BY
23Мельников В.М.
д.т.н., академик Российской академии космонавтики Международной академии информатизации, Заслуженный
деятель науки и образования, профессор, Российский университет дружбы народов
vitalymelnikov45@yandex.ru
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАДЕЛ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ КОСМИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Ключевые слова: космические солнечные электростанции, обесценивание природных энергетических ресурсов, волоконные лазеры, центробежные космические конструкции, наземные и космические эксперименты.
Keywords: space solar power plants, depreciation of natural energy resources, fiber lasers, centrifugal space structures, ground and space experiments
Введение
Президент В.В. Путин в своём докладе на юбилейной 70 Ассамблее ООН указал на главные проблемы современности: необходимость стабилизации климата и замещения нефти природоохранными технологиями. Космическая техника способна решить обе эти проблемы одновременно путём создания космических солнечных электростанций (КСЭС), транслирующих энергию на Землю1. В Японии после аварии сразу на 3 атомных реакторах (Фукусима, 2011г.) принята «императорская» программа создания КСЭС2. Сроки создания КСЭС в Японии намечены на 2040 г. Нефть, газ, уголь и уран заменит «космическое электричество». Реализация программы способна обесценить природные ресурсы России и других стран. Китай 02.12. 2019 г. объявил о планах создания КСЭС к 2035 г.3, проводит работы по их созданию с 2008 г. Американский миллиардер Джефф Безос, состояние которого оценивается в 200 миллиардов долларов, 18.02.2020 объявил о создании фонда под названием Bezos Earth Fund с уставным капиталом 10 миллиардов долларов, деятельность которого будет направлена на стабилизацию климата. Очевидно, что создание фонда связано с инициативой Китая. Дан старт гонке за «космическое электричество». Интенсивные работы по освоению солнечной энергетики ведутся в Канаде, Индии, Израиле, Корее, Евросоюзе, Англии и других странах. При перспективе обесценивания природных энергетических ресурсов России и всех стран, при огромном космическом потенциале Россия должна и может быть лидером этой гонки.
Преимущества использования КСЭС по сравнению с тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями, заключаются в трансляции экологически чистой без химической токсичности и ядерной радиации, а также дешёвой энергии (в 6 раз дешевле её выработки на Земле по японским оценкам4) непосредственно в район её потребления без прокладки линий электропередач и связанных с этим затрат и экологических нарушений, что особенно важно в проблеме освоения Арктики и континентального шельфа.
1. Краткая история разработки проектов КСЭС
Работы в области создания КСЭС проводятся с начала космической эры. Первый инженерный проект КСЭС был разработан П. Глейзером в 1968 г. в США5. В проекте была показана целесообразность создания энергетического объекта в космосе на мощность порядка 10 ГВт (потребность среднего региона) и передачи электроэнергии на Землю в СВЧ диапазоне (рис. 1).
Космическая электростанция Глейзера представляла собой платформу размером 5*13 км массой 12,3 тыс. т с фотопреобразователями из кристаллического кремния с КПД 13,7%, передающую энергию 5 ГВт с геостационарной орбиты на Землю СВЧ-лучом. Проект Глейзера инициировал во многих ведущих странах исследования и разработки, направленные на повышение эффективности и снижение стоимости КСЭС.
1 Грачёв И.Д., Сигов А.С., Редько И.Я., Матюхин В.Ф., Мельников В.М. Распределённая энергетика и солнечные космические лазерные электростанции // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2016. - № 3. - С. 76-78.
2 Сигов А.С., Матюхин В.Ф., Редько И.Я. Космическая энергетика России: время переходить к практике // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2016. - № 5. - С. 84-87.
3 http.//www.xinhuanet.com/english/2019-12/02/c_138599015.htm
4 Sasaki S. and JAXA Advanced Mission Research Group. SSPS development road map // 60th International Astronautical Congress 2009. IAC- 09.C3.1.4.
5 Glaser P.F. Power from the Sun: its future // Science. 1968. - Vol. 168, November. - P. 857-861.
Рисунок 1. КСЭС П. Глейзера (США, 1968 г.)
Совершенствование схемы КСЭС шло по пути увеличения концентрации излучения и значительного уменьшения каркасной рамы солнечной батареи, а также изменения компоновки с целью исключения из конструкции громоздких тоководов.
а) б)
Рисунок 2.
а) проект КСЭС США (2007 г.); б) проект КСЭС США 8Р8-А1рЬа (2012 г.)
Обзор проектов КСЭС до 2007 г., а также состояния разработки ключевых СВЧ-элементов приведён в работе1. Представленная на рис. 2 (а) американская конструкция 2007 года была отвергнута самими разработчиками после ряда лет проектно-конструкторской разработки в силу технической нереализуемости. Более поздний проект КСЭС 8Р8-Л1рИа (2012 г.), приведённый на рис. 2 (б), мало отличается от предыдущего в проектно-конструкторском плане. Диаметр жёсткой каркасной конструкции варьирует до 3 км.
Существенными преимуществами над американскими проектами обладает японский проект (рис. 3), основанный на модульности построения системы и использовании гравитационной стабилизации, исключающей необходимость подвоза рабочего тела для управления ориентацией солнечных батарей на Солнце. В данном проекте ориентация на Солнце не организовывалась в силу использования гравитационной стабилизации2, что на 36% снижало освещённость солнечных батарей, зато упрощало решение ряда других вопросов, в том числе точность наведения СВЧ-луча на наземную приёмную ректенну. Базовая модель представляет собой генерирующую и излучающую панель, подвешенную на 4 тросах и находящуюся в гравитационной стабилизации. Практическая конфигурация КСЭС состоит из большого числа единичных тросовых панелей размером 100*95 м и толщиной 0,1 м, подвешенную за углы на
1 Ванке В.А. СВЧ-электроника - перспективы в космической энергетике // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. - № 6. - С. 12-15.
2 Sasaki S. and JAXA Advanced Mission Research Group. SSPS development road map // 60th International Astronautical Congress 2009. IAC- 09.C3.1.4.
4 тросах длиной 5-10 км, исходящих из одного контейнера 010*15 м. Вес единичной системы порядка 5 т, излучаемая мощность 2,2 МВт. Отработка технологии вывода модели системы размером 17x17 м на орбиту уже была проведена.
/
Рисунок 3.
Базовый сегмент японской КСЭС размером 100х95х0,1 м и мощностью 2,2 МВт
За последние годы произошло изменение базовых концепций создания КСЭС: СВЧ-диапазон генерирования и передачи энергии начал уступать место лазерному, соответственно меняются системы наведения и управления энергетического луча и космического аппарата в целом; концепция одной крупномасштабной (1-10 ГВт) станции поменялась на большое количество малых информационно-связанных и сверхточно управляемых космических аппаратов; место каркасных крупногабаритных конструкций стремятся занять бескаркасные центробежные1. Полупроводниковые и волоконные лазеры способны дать узкий луч, на пять порядков меньший по площади СВЧ-луча на Земле. Возможность солнечной накачки волоконного лазера исключает необходимость использования солнечных батарей2. Отсутствие жёсткого каркаса упрощает и удешевляет конструкцию и возможность вывода её на орбиту ракетой-носителем. В этой схеме возможно уменьшение массы КСЭС в 10 и более раз по сравнению с традиционными каркасными аналогами, соответственно снижается стоимость вывода системы на орбиту.
2. Опыт создания центробежных космических конструкций в РКК «Энергия»
Исследования возможности создания и использования крупногабаритных космических конструкций проводились в РКК «Энергия» с начала 80-х годов прошлого века по темам Министерства общего машиностроения (МОМ) «Русло», «Плато», «Знамя». Исследовались каркасные, электростатические, надувные, отверждаемые и центробежные конструкции. Наиболее перспективными были признаны центробежные конструкции, отличающиеся от аналогов рядом существенных преимуществ, таких, как простота конструкции и её низкая стоимость, возможность укладки в малый объём при транспортировке на орбиту и автоматизированное раскрытие при малых энергозатратах, управление ориентацией в пространстве на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела и проч. Был запланирован и осуществлён 04.02.1993 г. (рис. 4) уникальный космический эксперимент на транспортно-грузовом корабле (ТГК) «Прогресс» вблизи с орбитальной станцией (ОС) «Мир». Центробежная конструкция из плёнки майлар была диаметром 20 м и весила 4 кг. В космическом эксперименте (КЭ), носившем название «Знамя 2», было осуществлено раскрытие конструкции из уложенного состояния и переориентация раскрытой конструкции в пространстве с демпфированием возникающих при этом колебаний. Также был осуществлён этап по подсветке Земли отражённым солнечным светом. Солнечный «зайчик» фиксировался космонавтами на заснеженной территории Белоруссии.
1 Melnikov V.M., Koshelev V.A. Large Space Structures Formed by Centrifugal Forces. - Amsterdam, 1998. - 157 p.; Райку-нов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 447 с.; Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н.. Формируемые центробежными силами солнечные батареи. - М.: Черос, 2007. - 188 с.
2 Boetti N. e.a. Solar pumping of solid state laser for space mission: a novel approach. - www.polito.it.articles; Мельников В.М., Бруевич В.В., Паращук Д.Ю., Харлов Б.Н. Волоконные лазеры с солнечной накачкой, формируемые центробежными силами, как новое направление в создании космических информационно-энергетических систем // Космонавтика и ракетостроение. 2014. - № 6. -С. 104-112.
а) б)
Рисунок 4.
Космический эксперимент «Знамя 2», съёмка с борта ОС «Мир»: а) центробежная конструкция на ТГК «Прогресс» в полёте над океаном; б) фото отражателя на фоне космического пространства
Подготовка эксперимента «Знамя 2» длилась 6 лет. К ней было привлечено 36 отделов РКК «Энергия» и большое число смежников. Было предложено и обосновано ключевое проектное решение по использованию падающей моментной характеристики двигателя постоянного тока для обеспечения устойчивости динамики раскрытия центробежной конструкции из уложенного состояния. Это послужило основанием для привлечения к разработке коллектива выдающегося электромеханика д.т.н. В. С. Сыромятникова, имевшего со своим коллективом богатый опыт разработки агрегатов стыковки (АС) «Штырь-конус» (используемых на космических кораблях «Союз» и «Прогресс»), и «Андро-гинно-периферийного АС» (использовавшегося в программе «Союз-Аполлон»). Агрегат раскрытия отражателя в КЭ «Знамя 2» был разработан на базе агрегата стыковки «Штырь-конус», что обеспечило его высокую надёжность и возможность создания в короткие сроки. Конструкция отражателя в КЭ «Знамя 2» создавалась как модель солнечного паруса1.
В 1994 г. Институт земного магнетизма РАН инициировал разработку проекта тросовой центробежной антенны диаметром 300 м для исследования ионосферы. Позже был выполнен проект «Знамя СБ», где вместо отражателя вводилась плёночная аморфнокремниевая батарея и химический накопитель на базе кислород-водородного генератора. В 2003-2006 гг. был выполнен проект 2620 МНТЦ, одобренный независимыми экспертами НАСА, ЕКА, Японии и Кореи, профинансированный правительством США и направленный на разработку центробежных плёночных солнечных батарей. В последние годы вышла книга о перспективах создания КСЭС с привлечением специалистов по волоконной оптике и волоконным лазерам, в том числе с солнечной накачкой2. Всего к настоящему времени по этому направлению выпущено 4 монографии3 и около 100 статей.
3. Конструктивный облик КСЭС и проблемные вопросы создания
В соответствии с концепцией создания КСЭС из большого количества малых информационно-связанных и сверхточно управляемых космических аппаратов приведённый на рис. 4 КА можно рассматривать как прототип единичного модуля будущей КСЭС. На рис. 5 приведена принципиальная схема компоновки единичного модуля центробежной КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой. В реальной схеме густота волокон должна быть выше, а диаметр охватываемой ими площади поверхности больше. Принципиальным преимуществом этой схемы является отсутствие солнечных батарей, и, следовательно, цикла преобразования солнечной энергии в электрическую на СБ и цикла преобразования этой электрической энергии в лазерную на твёрдотельных лазерах. Солнечная накачка сразу запитывает лазер. При этом не только исключаются два цикла преобразования с сопутствующими потерями, но сильно упрощается конструкция, и снижаются её массовые характеристики по сравнению с каркасной схемой на СВЧ, приведённой на рис. 2. В одной из публикаций4 указаны пути создания эффективных волоконных лазеров с солнечной накачкой.
1 Результаты работ изложены в книгах: Melnikov V.M., Koshelev V.A. Large Space Structures Formed by Centrifugal Forces. -Amsterdam, 1998. - 157 p.; Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 447 с.
2
Райкунов Г.Г., Комков В.А., Сысоев В.К., Мельников В.М. Космические солнечные электростанции - проблемы и перспективы. - М.: Изд. РУДН, 2017. - 283 с.
3 Melnikov V.M., Koshelev V.A. Large Space Structures Formed by Centrifugal Forces. - Amsterdam, 1998. - 157 p.
Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 447 с.
Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н.. Формируемые центробежными силами солнечные батареи. - М.: Черос, 2007. -
188 с.
Райкунов Г.Г., Комков В.А., Сысоев В.К., Мельников В.М. Космические солнечные электростанции - проблемы и перспективы. - М.: Изд. РУДН, 2017. - 283 с.
4 Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 447 с.
Разработка эффективных волоконных лазеров с солнечной накачкой, работающих в окнах прозрачности атмосферы, является одним из ключевых этапов разработки, которая может быть реализована одной квалифицированной лабораторией, вместо того, чтобы создавать отрасль аэростатостроения для приёма лазерной энергии выше облачности для исключения потерь в атмосфере. Фирма Вестингаус в районе 2000 г. отказалась от использования привязных аэростатов для ретрансляторов сотовой связи по ряду технологических и эксплуатационных причин, в основном из-за террористической и грозовой опасности. На сегодняшний день (до создания волоконных лазеров с солнечной накачкой) может быть использована схема с плёночными солнечными батареями, запитывающими твердотельные полупроводниковые лазеры по поверхности батареи и соединёнными световодами или волоконными лазерами, сводящими лазерную энергию к центру системы и оптикой направляющие её к наземному потребителю. Для такой схемы нет принципиальных ограничений по элементной базе.
Рисунок 5.
Схема модуля КСЭС с волоконными лазерами с солнечной накачкой: 1 -волоконный лазер; 2 - штанга, раскрываемая из чечевицеобразного профиля; 3 - приборный контейнер, 4 - центробежная солнечная батарея для собственных нужд, играющая роль маховика
противовращения, 5 - лазерный луч
Ключевым этапом разработки также является создание системы управления большого количества малых информационно-связанных и сверхточно управляемых космических аппаратов. Такая задача поставлена многими космическими фирмами в мире, в том числе центром ВВС США БАРРА.
Безусловно, существует широкий круг других технических проблем, для решения которых необходима государственная программа создания КСЭС.
4. Космический эксперимент
На рис. 6 приведён вариант компоновки для демонстрационного эксперимента на ТГК «Прогресс» с волоконными лазерами с солнечной накачкой1. Целями космического эксперимента на ТГК «Прогресс» являются создание научно-технического и технологического заделов в области систем беспроводной передачи энергии для космической солнечной энергетики.
Решаемые задачи: разработка, изготовление, наземная отработка и вывод в космос прототипа КСЭС на базе бескаркасных центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой (если такие лазеры к моменту подготовки эксперимента будут созданы, если нет, то по схеме с солнечной батареей (см. п. п. 6) и современной элементной базы радиоэлектроники и лазерной техники; трансляция лазерного сигнала из космоса на наземную приёмную антенну. Ожидаемые результаты: развитие уникального российского опыта в создании бескаркасных центробежных крупногабаритных конструкций для снижения стоимости КСЭС, удобства наземной и орбитальной отработки, возможности управления в пространстве на гироскопическом принципе без затрат топлива; качественное повышение функциональных возможностей космических средств нового поколения; создание ряда инновационных продуктов для наземной энергетики (наземного сегмента КСЭС); новые технологии, в том числе автоматизированного раскрытия крупногабаритной центробежной системы СБ с волоконными лазерами или волоконных лазеров с солнечной накачкой на орбите и управления лазерным лучом с помощью пилот сигнала с наземной приёмной антенны.
1 Boetti N. e.a. Solar pumping of solid state laser for space mission: a novel approach. - www.polito.it.articles; Мельников В.М., Бруевич В.В., Паращук Д.Ю., Харлов Б.Н. Волоконные лазеры с солнечной накачкой, формируемые центробежными силами, как новое направление в создании космических информационно-энергетических систем // Космонавтика и ракетостроение. 2014. - № 6. -С. 104-112.
Рисунок 6.
Компоновка прототипа КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой для демонстрационного
эксперимента на ТГК «Прогресс»
Научно-техническим заделом для космического эксперимента на ТГК «Прогресс» является КЭ «Знамя 2» (рис. 4), а также выполненный в 2010 г. аванпроект на КЭ «Знамя СБ», планировавшийся к проведению на ТГК «Прогресс».
5. Формирование, транспортировка и приём лазерных пучков
В работе1 представлены результаты такого важного для создания КСЭС направления, как разработка экспериментальных методов создания узких лазерных пучков для систем беспроводной передачи электрической энергии в космосе и на Земле монохроматическим ИК-излучением. Разработаны и реализованы в экспериментальных исследованиях различные методы измерения характеристик широкоапертурных лазерных пучков. Показано, что погрешность измерения, например, характеристик эллипсоидального пучка может быть менее 1%. Созданы системы формирования лазерных пучков для передачи энергии в турбулентной атмосфере с возможностью компенсации уходов пучка из апертуры приемников-преобразователей в зависимости от состояния турбулентности. Для отработки систем беспроводной передачи энергии создана атмосферная трасса длиной 1,35 км.
Проведён цикл работ по исследованиям возможности создания высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей интенсивного лазерного излучения в системах дистанционного энергоснабжения на основе полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые соединения типа А3В5 с «прямой» структурой зон являются наиболее перспективными материалами для создания таких ФЭП. Исследования проводились для двух диапазонов длин волн: Х~0,8 мкм для обеспечения максимального КПД тракта более 60% для условий функционирования в системах дистанционного энергоснабжения (размеры - 1^4 см2, непрерывный режим работы при плотностях освещенности 1^10 Вт/см2) и с эффективностью ~40% для мкм. Проведены экспериментальные исследования воздействия лазерного излучения на физические свойства полученных полупроводниковых структур. Разработаны подходы по созданию на основе высокоэффективных ФЭП приемников преобразователей интенсивного лазерного излучения в условиях неравномерной освещенности с минимальными потерями (не более 10%) из-за влияния турбулентности атмосферы и аберраций оптических систем формирования лазерных пучков.
6. Наведение лазерного луча на наземный сегмент КСЭС
Наиболее интересным вариантом наведения лазерного луча является такое, когда высокоточное наведение будет решаться путём использования систем обратной связи, базирующихся на использовании одномодовых волоконных лазеров и систем нелинейной оптики, которые позволяют высокоточно удерживать лазерный пучок на приемной площадке2. Инструментально эта система содержит помимо традиционных систем следующие компоненты - сигнальный лазер на борту космического сегмента КСЭС и уголковый отражатель на наземном фотомодуле. Отраженное сигнальное излучение поступает в комплекс волоконно-оптических усилителей и после усиления и обращения волнового фронта через адаптивную зеркальную систему попадает на наземные фотомодули, т.е. имеет место система самонаведения на «бликующий» отклик.
1 Тугаенко В. Ю. Периодические структуры в электромагнитных процессах в физике высоких энергий и космической энергетике больших мощностей. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва. 2019. - 232 с. - https://webttach.mail.yandex.net/massage_part_real/%D0%A2D1%83%D0%B3
2
Райкунов Г.Г., Комков В.А., Сысоев В.К., Мельников В.М. Космические солнечные электростанции - проблемы и перспективы. - М.: Изд. РУДН, 2017. - 283 с.
7. Перспектива использования графеновых нанотрубок в качестве солнечных батарей и лазеров с солнечной накачкой
В работе МИРЭА1 указано на новые приборы, разработанные инженерами в Georgia Institute of Technology (США) на основе графеновых нанотрубок. Они работают как антенны по поглощению солнечного излучения и поэтому получили названия «ректенны». Волновое излучение солнечного света поступает в нанотрубки и создаёт в них осциллирующий заряд, который проходит через диоды-выпрямители, изготовленные на верхней поверхности слоя нанотрубок. Выпрямители переключаются со скоростью выше петагерц, создавая постоянный ток небольшой величины. Линейные размеры нанотрубок должны соответствовать длинам волн солнечного спектра. В настоящее время КПД нанотрубок составляет около 1%, однако разработчики видят перспективу получения 70-80% КПД и использования нанотрубок как в наземных, так и в космических энергосистемах как альтернативу солнечным батареям. На базе нанотрубок возможно создание лазера с солнечной накачкой с КПД до 50%. В перспективе возможна разработка КСЭС на новой элементной базе.
Заключение
Накопленный проектно-конструкторский опыт создания бескаркасной центробежной конструкции в КЭ «Знамя 2» и последующих разработок центробежных конструкций, а также экспериментальные разработки по формированию, транспортировке и приёму лазерных пучков может быть серьёзным заделом в разработке КСЭС. Если Китай наметил создать промышленные КСЭС к 2035 г., то наша страна, запустившая первый спутник и первого человека в космос, имеющая огромный потенциал в космической сфере, должна лидировать в гонке за «космическое электричество». Проигрыш в этой гонке обернётся для страны серьёзнейшими экономическим и политическим кризисами. Будут обесценены природные ресурсы (нефть, газ, уголь, уран) России и других стран с вытекающими из этого последствиями. Для Роскосмоса наряду с уже принятыми направлениями космической деятельности на ближайшие годы необходима государственная программа создания КСЭС. В уже принятой программе освоения Луны оптимальное энергоснабжение лунных станций может быть осуществлено космическими окололунными солнечными электростанциями. При этом будет создана научно-техническая база для земных КСЭС, энергоснабжения космических аппаратов и других приложений дистанционной передачи энергии. В широко проводимую в России программу освоения Арктики и континентального шельфа жизненно важно включение этапов создания КСЭС, что даст возможность иметь паритет с другими странами или возможное лидерство в разработке КСЭС.
1 Сигов А., Матюхин В., Абашков И. Оптические ректенны аэрокосмических энергетических комплексов // Радиоэлектронные технологии. 2020. - № 4. - С. 53-57.
