Давным-давно — более 80 лет назад — один известный фантаст предложил построить в космосе огромную орбитальную солнечную электростанцию и оттуда микроволнами передавать получаемую энергию на Землю. Его концепция все еще активно обсуждается космическими агентствами и правительствами по всему миру. Но есть причины, по которым она вряд ли будет реализована. И тем не менее польза от таких станций может быть огромной — вот только не для Земли. Naked Science попробует разобраться в деталях.
Спасение человечества или еще одна утопия? / ©sciencephoto
В 1941 году Айзек Азимов опубликовал рассказ «Логика» (Reason). В нем в качестве декорации к сюжету фигурирует колоссальная солнечная электростанция, получающая электричество от фотоэлементов. Затем она вырабатывает с помощью этого электричества микроволны, направляемые на поля принимающих антенн (а точнее — ректенн) на Земле. На тот момент у Азимова не было высшего образования, да и рассказ, в общем-то, был совсем не про энергетику (а про робототехнику), поэтому деталей там не так много. Но именно в этот момент родилась идея, до сих пор не теряющая популярность.
Да что там популярность. В 2008 году Япония даже приняла специальный закон, в котором провозгласила строительство такой станции ключевой национальной целью. Китай тоже периодически заявляет о намерениях строить нечто подобное, США не оставляют эту тему. В чем причина такого интереса?
Все дело в том, что в мире есть два пути решения энергетических проблем: эффективные и те, что нам нравятся. В последнее столетие эти пути существенно разошлись. Тепловая энергетика не нравится практически никому, кроме компаний, добывающих ископаемое топливо: слишком много людей (сотни тысяч) от нее умирают каждый год. Атомная энергетика не нравится общественности, а солнечная, как показывают специальные научные работы, даже при самых щедрых допущениях не может покрыть основную часть потребностей человечества в электричестве. И это мы даже не погрузились в проблему тепла, а ведь на его генерацию наш вид тратит намного больше энергии, чем на выработку электричества.
Солнечные электростанции на Земле имеют такие ограниченные перспективы не просто так. Причина — в базовой физике. На нашей планете половину времени царит ночь, а электричество нужно и тогда, когда солнце не светит. Огромную часть дневного времени небо затянуто облаками, и в итоге за год солнечная электростанция в умеренном климате вырабатывает в 8 раз меньше энергии, чем атомная той же мощности. Потому что АЭС работает больше 8000 часов в году, а СЭС в районе, например, Москвы — около 1000. Причем слабее всего — зимой, когда электричество всего нужнее.
Теперь легко понять, почему Азимов так увлекся космическими солнечными электростанциями. На околоземной орбите нет облаков. Если вывести станцию на геостационарную орбиту, она будет работать весь год, кроме небольшого числа коротких затмений (по 72 минуты, близ равноденствия, когда Земля встанет между ней и Солнцем). При КПД солнечных батарей 40% — такой имеют фотоэлементы на арсениде галлия — с 1 квадратного метра станция будет вырабатывать 4400 киловатт-часов в год. Планета потребляет примерно 25 триллионов киловатт-часов, значит 6 миллиардов квадратных метров солнечных батарей хватит для удовлетворения всех ее потребностей. Это вроде бы много — 6 миллиардов, но в квадратных километрах это всего 6000 (примерно четыре площади Санкт-Петербурга). Правда, арсенид галлия дорог, а КПД кремниевых солнечных батарей ниже, всего 25%. Но и с ними примерно 10 000 квадратных километров солнечных батарей в космосе хватит на всех.
Плюсы космоСЭС кажутся такими самоочевидными, что иноземные сверхцивилизации многие ученые и фантасты стали представлять себе базирующимися именно на солнечных электростанциях в космосе — вспомним известную «сферу Дайсона». Особенно это ощущение усилилось после начала разработки Starship, крупного носителя, от которого ожидают цен вывода ~100 долларов за килограмм.
Это в десятки раз ниже современных цен на доставку грузов в космос, и, кажется, это должно позволить развертывание солнечной энергетики в космосе. Откроем западные научпоп-ресурсы, там прямо так и пишут: «Время космической солнечной энергетики может наконец настать. Старая научно-фантастическая мечта может стать реальностью в следующее десятилетие или около того, считает ряд исследователей».
Сама по себе солнечная батарея может быть очень легкой — буквально 100 нанометров толщиной. Но ей нужна подложка, обеспечивающая механическую прочность, проводник, отводящий ток, стеклянное покрытие, снижающее износ, и — в условиях космоса это очень важно — металлическая поверхность сзади, отводящая тепло в виде инфракрасного излучения. Если отвод тепла будет недостаточным, батарея начнет перегреваться и быстро деградировать.
Из всего этого следует: каждый солнечный киловатт в открытом космосе на сегодня не может быть существенно легче 6–7 килограммов. А с учетом передающей на Землю аппаратуры (пока еще даже не созданной), не менее 10.
Тогда его вывод на Starship будет стоить 1000 долларов (10 х 100). Да, это стоимость солнечных батарей с установкой на Земле. Поскольку на установку приходится половина стоимости СЭС, то формально цена за киловатт мощности космоСЭС растет вдвое. Но и отдача от нее растет едва ли не в десять раз, то есть коммерчески это более чем оправдано.
Однако есть нюансы. Вот вам первый: на геостационарную орбиту любой носитель выводит во много раз меньше грузов, чем на низкую околоземную. Значит, цена вывода туда во много раз выше, чем цена доставки на низкую орбиту. Получается, что почти в десять раз более высокая выработка будет перекрыта ценой доставки, почти в десяток раз удорожающей сами фотоэлементы.
Развернуть солнечные электростанции на низкой орбите можно, но тогда половину времени они будут в тени Земли, то есть отдача падает сразу вдвое. Правда, она все равно будет выше, чем на поверхности нашей планеты. Но на практике главную проблему солнечных батарей — прерывистость их выработки — на низкой орбите не решить.
Чтобы электричество с орбиты могло конкурировать по цене с электричеством от наземных источников, нужно выводить грузы на геостационарную орбиту не дороже 200 долларов за килограмм. Это реально, только если Starship смогут выводить килограмм груза на низкую орбиту не за 100 долларов, а за кратно меньшие деньги. Пока такие оптимистичные оценки дает разве что сам Илон Маск. Несмотря на все его несомненные заслуги в области космоса, реализация такой стоимости выведения вызывает серьезные сомнения у всех остальных.
Впрочем, давайте допустим, что Маск прав, и можно добиться стоимости вывода 20 долларов за килограмм. Увы, и тогда снабжать Землю «по-азимовски» не выйдет. Потому что тут в действие вступает второй малоприятный нюанс: проблемы с доставкой электроэнергии из космоса на Землю. Микроволны действительно могут проникнуть через земную атмосферу, они могут достичь полей ректенн у нуждающегося в электричестве города или завода и снабдить его энергией.
Но если в атмосфере в этот момент будет влага, заметная часть микроволн поглотится. И чем больше влаги, тем больше будут потери. Значит, мощность, которую получит наземный потребитель, будет зависеть от погоды. В серьезную непогоду электричества на Земле вообще не будет, а ведь в некоторых частях планеты бури и ураганы не редкость.
Другие средства дистанционной доставки не лучше. Лазеры в оптическом диапазоне вообще почти «не пробивают» плотные облака. Микроволны были выбраны еще Азимовым не просто так: в случае земной атмосферы они действительно самое эффективное из доступных средств доставки.
Хорошо, давайте представим, что мы нашли некие волшебные микроволны (волшебные — потому что физика пока с такими не знакома), которым реалистично было бы передавать энергию через плотные облака и что угодно еще. Тогда мы упремся в третий малоприятный нюанс — физику распространения волн.
Наилучшие из имеющихся на Земле средства отправки микроволн не могут сделать луч даже в 0,9 градуса. Геостационарная орбита в 36 тысячах километрах от нас. Значит, пятно микроволн на нашей планете будет иметь диаметр… да, вы верно подсчитали. От 10 километров. Вопрос: как мы будем строить приемники таких размеров около каждого крупного города или завода? Сколько это будет стоить? Можно выбрать орбиту пониже геостационарной, но все еще дающей круглосуточное облучение солнцем (солнечно-синхронные)
Но что мы будем делать тогда, когда, по мере вращения Земли, поле ректенн около Нью-Йорка уйдет из поля зрения орбитальной солнечной электростанции? Поливать то же поле другой станцией? Кто все это будет координировать? Сколько будет стоить дублирование орбитальных СЭС для этих целей? Наконец, Тувалу, Вануату и прочие поселки Мирные, находящиеся вдали от крупных ЛЭП. Мы что, у каждого построим многокилометровые поля ректенн? Не слишком ли дорого обойдется такое удешевление?
На некоторую часть из этих вопросов ответ дать уже пробовали. Получилось, что гигаватт мощности принимающих микроволновых ректенн на Земле будет стоить 0,2 миллиарда долларов. Или 200 долларов за киловатт мощности. Это еще туда-сюда для мегаполисов, но для менее крупных населенных пунктов все плохо: микроволны нельзя сфокусировать в слишком малое пятно. То есть нам придется строить циклопические принимающие поля даже близ скромных потребителей энергии, иначе излучаемые орбитальными СЭС микроволны будут просто греть почву, а не превращаться в электроэнергию для землян.
Наконец, добавим еще один пункт: в космосе солнечная батарея деградирует зачастую в восемь раз быстрее, чем на Земле. Особенно это касается орбиты, лежащих выше магнитосферы Земли, то есть практически всех орбит, постоянно освещаемых Солнцем Это и не удивительно: там она не защищена земной атмосферой от коротких электромагнитных волн, способных повреждать полупроводники. То есть менять ее надо в восемь раз чаще, и выработка на единицу мощности в целом за жизнь будет равна земной. Похоже, энергетические проблемы Земли придется решать на Земле.
И тем не менее идея крупных солнечных электростанций в космосе далеко не такая безнадежная, как может показаться из первой половины этого текста. Определенно, передавать энергию на Землю таким образом непрактично. А если вместо этого передавать ее от околоземной орбиты в другие части космоса?
Нет, речь не идет о строительстве десятка километров полей ректенн для приема микроволн от орбитальных СЭС на Марсе, чтобы заправить там Starship, возвращающиеся к Земле. Это не имеет смысла: расходимость микроволн будет такой, что поля ректенн должны будут занимать чуть ли не всю поверхность Красной планеты, в противном случае основная часть энергии просто нагреет грунт, пройдя мимо получателя. Не будет это иметь смысла и для снабжения энергией колонии на Луне. Во-первых, от геостационарной орбиты до луны в десяток раз дальше, чем до Земли, и принимающие поля ректенн там придется делать по 100 километров в диаметре. Во-вторых, на Луне солнечная постоянная не сильно отличается от той, что на геостационарной орбите. В-третьих, выше уже написано, почему солнечные батареи вообще не лучший выход для запитывания крупных баз и колоний.
Однако если мы перенесем потребителей энергии орбитальных электростанций в космос, то у нас упростится целый ряд казавшихся неразрешимыми проблем. Можно отказаться от микроволн с их огромной расходимостью луча. Да, они идеальны, чтобы пронести энергию через земную атмосферу, но если получатель энергии вне этой атмосферы, куда логичнее воспользоваться лазерами. У них намного ниже расходимость пучка — настолько, что даже за миллионы километров от орбитальной солнечной электростанции лазерные лучи смогут доносить до адресата киловатты на квадратный метр.
Это не очень хороший выбор, если вы собрались снабжать энергией какой-то относительно компактный объект: МКС или даже ровер на другой планете или астероиде. В космосе бывает очень непросто с теплоотводом. Поэтому условный луноход, который мы решим «взбодрить» дополнительными киловаттами от лазерного пучка, может начать перегреваться, что нежелательно.
Орбитальная станция или корабль на орбите, облучаемые микроволнами, будет нуждаться в дополнительных радиаторах охлаждения, что увеличит их массу. Тогда уж проще оснастить солнечными батареями саму станцию (корабль), благо задняя поверхность фотоэлементов в космосе автоматически работает как радиатор охлаждения. Что ж, в этом направлении польза от орбитальных СЭС невелика. Но остается еще один путь.
Традиционная проблема всех космических аппаратов — им нужно что-нибудь отбрасывать назад, чтобы двигаться вперед. Поэтому разогнаться быстрее чем на десятки километров в секунду очень и очень сложно. Между тем до системы Сатурна от нас почти 10 миллиардов километров, а до ближайшей звезды — 40 триллионов километров. Легко видеть, что на скорости 20 километров в секунду лететь к спутнику Сатурна Титану мы будем 15 лет, а к Проксиме Центавра — более полутысячи лет. Как-то уж очень долго, нельзя ли побыстрее?
Можно! Еще в 1899 году физик Петр Лебедев продемонстрировал в эксперименте, что свет способен оказывать физическое давление на другие тела, без «отдачи» в отношении самого космического корабля, разгоняемого источником светового излучения. А в 1925 году Фридрих Цандер предложил использовать этот физический факт для перемещения в пространстве космических кораблей.
До изобретения лазеров такой парус называли солнечным: космический корабль должен был развернуть в космосе огромную пластину из тонкого материала (чтобы общая масса корабля не была слишком большой) и затем дать Солнцу разогнать себя. Двигаясь при этом по спиралевидной орбите, чтобы не удалиться от светила чересчур быстро, корабль с солнечным парусом, по расчетам, мог разогнаться до сотен или даже тысяч километров в секунду в зависимости от размеров и массы паруса.
И все-таки его тяга была очень небольшой. В околоземном пространстве парус 800 на 800 метров получает от Солнца всего 5 ньютонов тяги, направленной вовне Солнечной системы.
Революцией в этом вопросе стало изобретение лазера. Оказалось, что с его помощью можно концентрировать излучение в пучок, который сохранит заметную плотность даже за 100 миллионов километров. Но и здесь возникла проблема: серьезный нагрев лазером, по расчетам, мог перегреть тот космический аппарат, который призван подталкивать лазерный парус. И даже если особо тонким парусом закрыть основную часть космического зонда, тот все еще оставался слишком массивным, чтобы его можно было быстро разогнать до разумных скоростей.
В Институте продвинутых исследований NASA еще в конце 1990-х подсчитали: одним из лучших применений лазерной передачи энергии в космосе может стать лазерный парус, причем экстремально тонкий. А несколько лет назад команда Филиппа Лубина из Калифорнийского технологического института решила, что самый простой способ снять все проблемы лазерного паруса — радикально переосмыслить, что означают слова «космический аппарат».
Лубин обратил внимание на то, что от исследовательского зонда, по сути, нужно не так много: оптические или ИК-сенсоры да система связи. Однако современная электроника уже позволяет создать матрицу мини-сенсоров на одной микросхеме, и туда же интегрировать микросхему связи. По периметру такой пластинки из кремния с нанесенной на него микросхемой может быть размещена антенна для связи с Землей — и все, исследовательский аппарат готов.
Лубин считает, что оптимальными параметрами для исследования Солнечной системы будет обладать зонд массой не более грамма, что вполне реально, если вспомнить, что типичная толщина кремниевой подложки — 300–800 микрометров. Условное название концепта — Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN). Несмотря на предельное облегчение зонда, с ним можно будет осуществлять обратную связь (за счет направленного излучения радиосигнала «зондом на кремниевой пластине») на удалении в несколько световых лет: мощности радиосигнала для этого хватит, хотя и скорость связи будет предельно малой.
Рассеивание лазерного пучка будет заметно снижаться за счет использования группы лазеров, работающих по принципу фазированной антенной решетки. Но даже в этом случае для отправки зонда к Проксиме Центавра потребуется громадная мощность. Если солнечная орбитальная электростанция будет излучать с общей мощностью лазерных передатчиков 1 гигаватт, то ближайшей звезды «зонд на микросхеме» достигнет через 193 года. Если мощность излучателей поднимется до 100 гигаватт, то всего за 21 год. Это немыслимо короткое время, никакими другими средствами на сегодня недостижимое.
Серьезной проблемой проекта оказалось то, что при переходе к демонстрационным аппаратам добиться граммовой массы пока не удается. Конечно, не в последнюю очередь тут дело в том, что группа Лубина не электронщики, поэтому их системы далеко не самые компактные в мире. Но есть и объективные трудности: чтобы зонд такого рода не вышел из строя под действием космический лучей, его приходится делать заметно более толстым (и с дублированием множества функций), чем обычную электронику.
Однако пластины диаметром 10 сантиметров и массой около 100 граммов в рамках такой технологии сделать уже можно. Если такой зонд надо доставить к Марсу, с этим может справиться лазер мощностью всего 100 киловатт, причем время путешествия будет всего три недели. Более дальние полеты потребуют больше мощности — к Плутону до 10 мегаватт. К системе Юпитера зонд долетит за 120 дней, а к Плутону — за три года. Для сравнения: зонд New Horizons летел к Плутону девять лет, в три раза дольше.
Возникает вопрос: а почему для всего этого нужна солнечная орбитальная электростанция, почему не атомная? В конце концов атомный реактор что на 1, что на 10 мегаватт электрической мощности создать не так сложно и можно вывести на орбиту «в сборе». Группируя модули такого рода, можно получить лазерные комплексы и на 100 гигаватт. Зачем упираться именно в солнечные батареи, ведь те при больших мощностях систем получаются намного более материалоемкими, чем атомные реакторы?
Последнее действительно верно. Один киловатт мощностей солнечных батарей сейчас весит как минимум 6–7 килограммов, то есть 10 мегаватт такой мощности потянут на 60–70 тонн. Определенно можно создать атомный реактор с большей удельной отдачей. По этой причине при колонизации других небесных тел атомные реакторы неизбежно выигрывают у солнечных батарей. Но в открытом космосе ситуация заметно отличается.
Недостаточно вывести на орбиту условные 10-мегаваттные реакторы и собирать из них лего для обеспечения энергией лазерных излучателей. От любого источника энергии в космосе придется рассеивать избыточное тепло. Реактор на 10 мегаватт будет давать его не менее 10 мегаватт, а это означает, что ему придется развернуть очень большие радиаторы охлаждения, никак не менее 1000 квадратных метров. К тому же эти радиаторы придется прикрыть противосолнечным экраном, иначе лучи нашего светила помешают реактору нормально охлаждаться. Сколько такие радиаторы будут весить? Кто будет следить за их корректным развертыванием в космосе? А ведь достаточно одной пластине «пойти не туда», и реактор включать запретят, чтобы не перегревать активную зону.
Сравним это с орбитальной солнечной электростанцией. Она состоит из множества модульных систем умеренной мощности, а не из установки сразу на 10 мегаватт. Одна не развернулась — можно послать взамен новую. Радиаторы охлаждения уже интегрированы в каждую солнечную батарею — задняя сторона каждого фотоэлемента активно излучает в ИК-диапазоне, охлаждая устройство.
Атомный реактор на поверхности Марса или даже Луны в конце концов можно разместить в зоне вечной тени, закопав в грунт, например. Небольшой излучающий радиатор-зонтик, воткнутый над таким реактором, может разогреваться хоть до красного каления в прямом смысле этого слова, у атомных реакторов прошлого уже были такие системы охлаждения. Причем при удвоении температуры радиатора его теплоотводящая способность растет сразу в 16 раз, а при учетверении — в 256 раз.
Но вот в открытом космосе мы не сможем обойтись таким «зонтиком». Чтобы радиатор отводил тепло от реактора на 800, например, градусах, придется держать нагретым внешние стенки реактора, и, по сути, он весь станет радиатором охлаждения. А ведь лазерным установкам тоже нужны системы охлаждения, и если их радиаторы охлаждения будут рядом с компактными и докрасна раскаленными радиаторами питающих их реакторов, то начнутся серьезные проблемы.
Конечно, можно разместить реактор на километровой штанге, прокинуть по ней кабель (кстати, его тоже надо будет охлаждать). Тогда радиаторы реактора будут мало мешать радиаторам лазерных установок. Но все это добавит системе сложности, материалоемкости, стоимости.
Иными словами, пока — во всем обозримом будущем — солнечные орбитальные электростанции остаются оптимальным выбором для обеспечения энергией лазеров, «дующих» в лазерные паруса космических зондов. И если у человечества дойдут руки до реализации всего этого, наши знания о дальней Солнечной системе и ближайших звездах станут намного больше уже в этом столетии.
Комментарии
Есть еще одна сложность с милипизерными зондами - трудно разобрать сигнал такой крохи на фоне помех. Это одна из проблем решение которых относят "на будущее".
Проблема передачи энергии на поверхность решается просто. Надо объединить идею орбитальной электростанции с похожим прожектом - космическим лифтом. Спустить на землю кабель)
За реалистичным описанием подобного лифта отправляю любознательного читателя к уже не раз упомянутому Киму Робинсону)), трилогия Марс. Особенно впечатляет сцена обрыва кабеля и его падения на поверхность с троекратным обвитием планеты и эффектом хлыста.. это полный и окончательный ппц.
На сегодняшнем этапе развития материаловедение, такой кабель выглядит, к сожалению, сильно малореальным.
Окружность Земли составляет 40 000 км. Тройное обвитие - 120 000 км. Надеюсь Ким Робинсон пояснил за каким чертом он засунул свой лифт так высоко когда геостационарная орбита где такому лифту самое место всего 36 000 км
Груз противовес, компенсирущий вес кабеля, должен находиться выше геостационарной орбиты. Раза в два. Робинсон грамотный чувак, поверьте.
то сто баксов за тонну, потом внезапно двести за килограмм.
почему для отвода десяти мегаватт тепловой мощности в вакууме необходим радиатор площадью около тысячи квадратных метров? какой материал предполагается для подобных радиаторов?
"о сто баксов за тонну, потом внезапно двести за килограмм."
Сто за тонну -- это, конечно, опечатка. я поправил. 100 долларов за килограмм -- это стоимость вывода груза на низкую орбиту в 200 км. Поскольку минимальна разумная высота вывода солнечных батарей это солнечно-синхронная орбита (от 600 км), то цифру в 100 надо умножать минимум на два, до 200 долл. за килограмм, ведь топлива для вывода туда понадобится больше, а значит, партия батарей, доставляемых одним Старшипом, будет заметно меньше.
Спасибо, поправил
"почему для отвода десяти мегаватт тепловой мощности в вакууме необходим радиатор площадью около тысячи квадратных метров"
Потому что даже 2 тысячи квадратных метров на 10 МВт требуют отдачи в 5000 ватт на кв. м. Это довольно проблематично для места, где нет никакого теплоотвода, кроме излучения. Попросту говоря, такой радиатор быстро деградирует. Материал должен быть тугоплавким металлом, иначе ему теплоотдача в тысячи ватт на кв. м. не потянуть. Если обратиться к опыту МКС, то сложность теплоотвода становится еще очевиднее.
хоть тысяча, хоть пять тысяч - откуда такая цифра? что за материал должен использоваться для рассеивания такого количества тепла в инфракрасном диапазоне?
МКС не выделяет столько тепла - и то проблемы с теплоотводом известны. другими словами, использующиеся сейчас материалы под данную задачу не подходят.
т.о. повторяю вопрос: "откуда дровишки?"
"что за материал должен использоваться для рассеивания такого количества тепла в инфракрасном диапазоне?"
Тугоплавкий металл. Но отнюдь не только в ИК-диапазоне: при нагреве до достаточных температур металлические радиаторы начинают ощутимо светиться красным, а это уже видимый диапазон.
"МКС не выделяет столько тепла - и то проблемы с теплоотводом известны. другими словами, использующиеся сейчас материалы под данную задачу не подходят.
т.о. повторяю вопрос: "откуда дровишки?""
Расчеты охлаждения радиационным способом через металлические поверхности впервые были сделаны для проекта "Зильберфогель" еще в нацистской Германии. В наши дни радиаторы для систем охлаждения в открытом космосе разрабатывались в рамках проекта космического буксира (Россия). Дровишки, в основном, оттуда. В российском проекте радиаторы получились очень большими даже для реактора с мощностью в мегаватт. См. например: https://youtu.be/kxEGiCiYKiA Примерный пример расчетов площади радаиторов для 0,9 МВт электрчиеской мощности реактора можно увидеть вот тут: https://thealphacentauri.net/63374-nemnogo-o-rossiyskom-yadernom-buksire/
Как легко видеть, при электрической мощности реактора в 10 мегаватт нужно иметь радиаторы порядка 1000 кв. м. при их нагреве до +890 градусов (и это при выборе самого эффективного решения, если с турбинами -- будет кратно больше). Такая температура -- скорее верхний теоретический передел для панельных радиаторов, чем практичный выбор. Поэтому на практике она будет ниже, а площадь радиаторов обратно пропорциональна четвертой степени их температуры. Эрго, минимальная практичная площадь радиаторов для реактора на орбите с электрической мощностью в 10 МВт будет измеряться тысячами квадратных метров.
было бы полезно встречать подобные ссылки в тексте самой статьи или списке материалов под статьёй.
подытожим: т.е. для эффективного "пассивного" рассеивания тепла от работающего реактора длинными волнами, необходимо раскалить радиаторы, при этом стараясь распределять тепло равномерно, что сужает диапазон рабочих температур камеры реактора (равно как и теплоносителя); в это же время охлаждение рабочих узлов массива лазеров должно быть иного типа, чтобы по возможности достигались сверхнизкие температуры, но привычные способы (например, жидкостные) не подходят, т.к.конденсировать хладагент на перегретых радиаторах не получится, так?) и это не говоря ещё о массе других аспектов (давление в контуре, преобразование тепла в электричество для накачки лазеров, деградация материалов, техническое обслуживание этого чудовища и пр.).
Сказать, что это задача простая нельзя. В то же время, задача, скажем, полной многоразовости на Старшипе, на вид, посложнее даже будет. Дорогу осилит идущий. Высадка на Луне за 30 лет до нее тоже казалась всего лишь научной фантастикой -- проблем на пути туда было даже больше, чем для орбитального массива лазеров сегодня. И все же, тогда их решили.
В косм пространстве сия тряпка будет двигаться, скомкиваясь, слипаясь, крутясь и вращаясь. Примерно как простыня в текучем потоке воды в реке.
Но вам как гуманитарию, не учившему статику, кинематику, и динамику (в общем курсе теоретической механики), это можно не учитывать, важна движуха и хайп.
Также совершенно не понятно, каким образом обеспечивается пространственная жесткость этой тряпки в космосе.
Единственное, думаю, что эта тряпка не крутилась бы, если бы лазер был приложен точно к ее центру масс.
"В косм пространстве сия тряпка будет двигаться, скомкиваясь, слипаясь, крутясь и вращаясь. Примерно как простыня в текучем потоке воды в реке."
В космическом пространстве нет "потока воды в реке" -- плотность вещества ничтожна, там вакуум. Именно поэтому никакого "скомкиваясь" (кстати, в русском языке нет такого слова) и не будет. Вращаться парусу тоже проблематично: он ориентирован перпендикулярно потоку падающего на него излучения, из-за чего стабилизируется действующим на парус световым давлением.
"Но вам как гуманитарию, не учившему статику, кинематику, и динамику (в общем курсе теоретической механики), это можно не учитывать, важна движуха и хайп."
Вам, как человеку незнакомому с базовой физикой, вряд ли стоит высказываться на эту тему. Но если вы все же собрались, то сообщаю: в тексте есть иллюстрация общего вида японского аппарата с космическим парусом, который экспериментальным путем показал то, что я сказал выше -- что никакого "крутясь и вращаясь."
Если вы изучали теормех, то тратили свое время напрасно. Не получилось.
"Также совершенно не понятно, каким образом обеспечивается пространственная жесткость этой тряпки в космосе."
Примерно так же, как и у американского флага на Луне.
"Единственное, думаю, что эта тряпка не крутилась бы, если бы лазер был приложен точно к ее центру масс."
И опять вы думаете, не ознакомившись с базовой физикой по вопросу. Рассеяние лазерного луча в космосе будет таким, что размеры итогового светового пятна будут больше космического паруса. Поэтому давление от лазерного разгона будет распределяться по "лазерному парусу" равномерно.
никаких неравномерностей давления, никаких флуктуаций лазерного потока, на таких расстояниях? Сумлеваюсь. Малейший толчок случайной частицы в космосе - и пошла крутиться тряпка. Частицы ведь там есть в вакууме. Или уже все пропали? Микрометеориты, и прочие гости тоже все вашей статьи испужались?
Рулей нет у вашей конструкции и управления, самого контура управления как такового и петли обратной связи. В этом ее недостаток. Впрочем вам простительно как гуманитарию, курса автоматики и телемеханики не ковырявшему. Но вы зря учили так много ракетную теорию. Чего то все позабывали.
Или это такая новая струя в духе Цысиня с его кораблями-электронами? Или вы нас тонко троллите и разыгрываете в связи в 1-м апреля?
"никаких неравномерностей давления, никаких флуктуаций лазерного потока, на таких расстояниях?"
Конечно никаких. И если бы вы что-то знали о лазерах, то даже понимали бы почему.
" Малейший толчок случайной частицы в космосе – и пошла крутиться "
Для того, чтобы заметно изменить траекторию паруса, масса "случайной частицы" должна быть сопоставима с массой паруса. Что в вакууме имеет примерно нулевую вероятность -- там практически нет объектов нужной массы. Но если бы и встретился -- световое давление быстро стабилизирует парус обратно.
лазеры всегда светят на поверхность перпендикулярно? Оооо... не могли бы вы привести источник сего закона оптики ? Когерентность не стареет ? Фантастика. Нобеля сюда.
"лазеры всегда светят на поверхность перпендикулярно? "
Третий раз повторяю: лазерный луч своим световым давлением делает перпендикулярную ориентацию лазерного паруса неизбежной. Точно так же, как ветер, дующий сзади паруса обычного неизбежно надует парус ветровым давлением.
"пожалуйста, опишите механизм автоматического выравнивания паруса световым пучком удаленно. Что-то не вкурю."
Описал.
"Опыты Лебедева по световому давлению на косую плоскость, тем более, что-то другое говоря"
Нет, не говорят. Именно поэтому вы даже не попытались привести ссылки на такие опыты.
пожалуйста, опишите механизм автоматического выравнивания паруса световым пучком удаленно. Что-то не вкурю. Опыты Лебедева по световому давлению на косую плоскость, тем более, что-то другое говорят. Но вы конечно, умнее его. У него свет крутит пластину, а у вас выравнивает, потому что так надо.
случай, когда ваша тряпка чуток перекосится относительно направления лазерного потока, и выйдет из перпеендикулярности ему, тоже быть не может? Оооо... Идеальный мир описан в вашей статье...
"случай, когда ваша тряпка "
Тряпки -- они у вас в голове. А Лазерный парус не может перестать быть перпендикулярно к направлению лазерного луча, потому что кроме него никаких других заметных воздействий на этот парус в космосе нет. И быть не может: там вакуум. Но если бы это вдруг и случилось, воздействие лазерного луча само бы вернуло парус в перпендикулярное положение -- световым давлением. Как ветер, дующий в парус сзади, не дает парусу повиснуть.
Честно слово, мне страшно при одной мысли, что человек настолько не понимающий в технике имеет техническое образование.
Все-таки СССР был крайне неэффективной страной.
ракеты, спутники, межпланетные зонды и др. тоже в вакууме летят. У них что, нет рулей, нет контура обратной связи, нет коррекции курса? даже учитывая что они гораздо более вытянуты осью корпуса к оси движения традиционно?
Блестящий вы полемист. Вот только от инженерной практики вам лучше держаться в стороне.
" У них что, нет рулей,"
Безусловно у зондов и спутников нет рулей. Ибо никакие рули в вакууме не работают.
Скажите, зачем я тут провожу ликбез для дошкольников, если в тексте выше прямо назван аппарат, на котором все это проверяли? Вы загуглить слово IKAROS не можете, или что?
"Вот только от инженерной практики вам лучше держаться в стороне."
Ваше мнение о технических вопросах стоит ноль. В силу вашего высказывания о "GPS-маячках" на ББМ и пехотинцах НАТО -- по-прежнему подкрепленного нулем ссылок.
Газы, пыль, энергия звёзд, кипящий вакуум с субэлементарными частицами. И всё воздействует на "парус". Проще совместить герликон с синхрофазотроном. И гнать плазму из сопла с около световой скоростью.
Плавучий якорь не слипается и держит форму. Парашют тоже. Что мешает построить солнечный парус по этой схеме?
Парашютные стропы по периметру обода парашютного кумпола обеспечивают равномерное распределение нагрузки на концы обода парашютного кумпола в потоке набегающего воздуха, этим обеспечивается стабилизация. Этими же стропами обеспечивается управление, чтобы парашютист в воду не упал или туда, куда ему не надо (примеры см. например в м\ф "Ну, погоди"). Ничего сего я не вижу в предлагаемой сферической тряпке в вакууме.
Что такое плавучий якорь не знаю. Похоже, он стоит на месте (раздел статика) Почему его кейс можно применить к разделу кинематика (движение тряпки в вакууме), мне неясно. Наверное, потому что я физику не знаю.
Почему вы легко применяете примеры, взятые из поля гравитации Земли, к космосу, где гравитации нет, для меня непонятно. Наверное, потому что я физику не знаю.
Малейший толчок в космосе - и вращение будет идти вечно, если не принимать спец меры по стабилизации. Хотя бы фильм "Гравитация" гляньте, там героиня неплохо крутилась, еле справилась.
Вот вам прямо сразу и чтобы со всеми подробностями.
https://youtu.be/Zycr-OYFZYk
Он не стоит на месте. Это водоплавающая разновидность парашюта. Он тормозит об окружающую его жидкую среду.
Потому что на солнечный парус действует излучение от источника света и действует примерно так же, как и набегающий поток воздуха на парашют. Ну или воды на тот же плавучий якорь.
Кстати это ещё один способ поддерживать эту конструкцию в плоском, нескомканном виде.
А в чём собственно проблема доставки электроэнергии от принимающей станции к потребителю?
До сих пор както же справлялись с помощью лэп, китайцы вот, через всю страну передают, а там на не одну тысячю километров их ветка растянулась, и потери относительно небольшие - меньше 10%, поэтому высказывание о строительстве принимающих ректенн прямо около потребителя выглядят лютым бредом, хватит одну крупную станцию в центре материка, и ветки лэп от него во все стороны, кроме того, требование по отсутствию влаги на месте расположения ректенн тоже выполнимы, возможно для автора статьи это новость, но наша планета имеет такую вещь как пустыни, и пустыни эти есть почти на всех материках, никакой влаги и туч там быть не может, строй ректены сколько хочешь!Поэтому всё упирается в цену самой солнечно-орбитальной электростанции, в отличии от цены доставки груза на орбиту, сами грузы (спутники) обычно выходят просто до ужаса дорогими, вот недавно запущеный джеймс вебб обошёлся бюджету в 10миллиардов долларов, та же ситуация будет с электростанцией, ведь это не просто сто тонн солнечных панелей и антенна - это всё должно развернуться настроиться сфокусироваться на земле и на солнце одновременно, и не дай бог антенна направленная на землю вдруг начнёт сдвигать луч, она же вызжет всё живое как какоето фантастическое инопланетное оружие, кстати эту установку ведь можно как оружие использовать? А значит ктото точно будет против...
Проблемы передачи энергии на большое расстояние в том, что любая ЛЭП теряет энергию, и стоит денег. Например, в КНР ЛЭП в 2000 км и пропускной способностью на 8 гигаватт стоит пять миллиардов долларов: http://www.chinatoday.com.cn/ctenglish/2018/ln/202102/t20210226_800237464.htm, столько же, сколько 100 миллиардов киловатт-часов. То есть ЛЭП на 8 ГВт стоит 2,4 млрд долл на 1000 км даже в Китае. Потери в ней (плановые) 3% от ежегодной прокачки в 30 млрд квтч, т.е. примерно 1 млрд квтч в год (еще миллиард долларов каждые 20 лет).
Если бы не это, вся Москвы бы от ГЭС на Лене уже давно питалась (от низовьев Лены до Мск всего 4,3 тыс. км), благо электричество от них было бы очень дешевым..Но нет: слишком дорого такую ЛЭП строить. Поэтому же, к слову, части США или Дальний Восток и средняя полоса России не соединены единой ЛЭП. Слишком дорого.
"Поэтому высказывание о строительстве принимающих ректенн прямо около потребителя выглядят лютым бредом,"
Определенно выглядят. Если не интересоваться тем, сколько такие ЛЭП стоят. Поле ректенн на 8 ГВт будет дешевле, чем тянуть ЛЭП на 8 ГВт на несколько тысяч километров -- благо ЛЭП такая при 4 тыс. км длины обойдется в 10 млрд долларов.
"хватит одну крупную станцию в центре материка, и ветки лэп от него во все стороны"
Ну, допустим, вы поставили станцию в центре России, от нее протянули десятки ЛЭП на 4 тыс. км, по 10 млрд долл. каждая. Получается, вы убили на ЛЭП... сотни миллиардов долларов. Это больше, чем стоит снабжать электричеством всю Россию много лет подряд. Такой проект не имеет экономического смысла.
"кроме того, требование по отсутствию влаги на месте расположения ректенн тоже выполнимы, возможно для автора статьи это новость, но наша планета имеет такую вещь как пустыни, и пустыни эти есть почти на всех материках, никакой влаги и туч там быть не может, строй ректены сколько хочешь!"
То есть, вы предлагаете строить ректенны в Гоби. Еще больше удлиняя потребные ЛЭП до западной части Еврзаии, и выводя их суммарную стоимость для континента уже в триллионы долларов. Это не окупится.
", и не дай бог антенна направленная на землю вдруг начнёт сдвигать луч, она же вызжет всё живое как какоето фантастическое инопланетное оружие, кстати эту установку ведь можно как оружие использовать?"
Нет, нельзя: микроволновое излучение не позволяет получить луч нужной плотности. Для этого нужны лазерные излучатели в видимом диапазоне, а они плохо сработают даже для Гоби, слишком большое поглощение.
Вообщето лэп не нужно строить с нуля, по крайней мере в богатых регионах лэп и так есть, поэтому я б не спешил говорить о сотнях миллиардов, от гоби стоит питать лишь китай, в европе должны быть достаточно засушливые места и поближе, если нет, то от ирака тянуться... Но следует задаться вопроссом, а кто в принципе способен на такой проект как орбитальная электростанция гигаваттного класса, и выходит, что лишь китай да США, в этих страннах пустыни в удобных местах есть, поэтому для себя они такие электростанции построить вполне могли бы, а европа серьёзно вкладывается в реакторы синтеза, вот пускай и дальше вкладывается...
"Вообщето лэп не нужно строить с нуля, по крайней мере в богатых регионах лэп и так есть"
Справочно: те ЛЭП, что есть, не в состоянии обеспечить удаленное энергоснабжение регионов в принципе. Они практически всегда дают мощность меньше, чем у энергосистем, которые соединяют. По той простой причине, что на полную мощность энергосистем ЛЭП строить нереально дорого. И да, справочно: Япония и США -- страны богатые, однако единых энергосистем там нет. Ибо строить ЛЭП нужной мощности дорого даже в маленькой Японии -- не то что в больших США.
" поэтому я б не спешил говорить о сотнях миллиардов,"
И я бы не спешил: в США стоимость крупных ЛЭП намного выше, чем в приведенном мною примере с Китаем. Выше настолько, что настроить ЛЭП по указанному вами сценрию там будет стоить как бы не триллионы долларов.
"Но следует задаться вопроссом, а кто в принципе способен на такой проект как орбитальная электростанция гигаваттного класса, и выходит, что лишь китай да США"
Но ни США, ни КНР такие проекты не нужны. Потому что выйдет, по указанным в тексте выше причинам, слишком дорого. И в основном даже не из-за ЛЭП.
"поэтому для себя они такие электростанции построить вполне могли бы"
Не могли бы, по причинам описанным в тексте выше.
//Проблемы передачи энергии на большое расстояние в том, что любая ЛЭП теряет энергию,
да вам батенька не угодишь. Теплоноситель в виде воды у вас нормально и ничего не теряет, хотя на самом деле он немасштабируем, и далее пары десятков км горячую воду не передашь. В эл-во, которое со времен оных гоняют на сотни и тысячи км, чем -то вам не угодило в плане передачи и потерь.
"Теплоноситель в виде воды у вас нормально и ничего не теряет,"
Приписывая мне слова, которых я никогда не писал, вы не добьетесь ничего.
"В эл-во, которое со времен оных гоняют на сотни и тысячи км, чем -то вам не угодило в плане передачи и потерь."
Тем, что ЛЭП на небольшие 8 ГВт стоит с ним два с половиной миллиона долларов на километр.
Александр, большое спасибо за Ваши статьи по самым разнообразным темам. Хотя сам я не технарь, а скорее гуманитарий, именно поэтому ценю Ваш вклад в популяризацию науки. Всегда читаю Вас с удовольствием, так же, как, например, Виталия Егорова по космосу или Брайана Грина по квантовой физике. Так держать!
Допустим, мы разгоним минизонд до скорости, позволяющей долететь до Альфы Центавра за десятилетия.
А как эта штука будет тормозить? С той - то стороны лазера не будет. А просвистеть через систему на скорости в несколько тысяч километров в секунду - это конечно прикольно, но не очень информативно :)
Диаметр пузыря гелиосферы в нашей системе -- более 30 млрд км. На скорости в 10 000 км/с проходить его -- 0,1 года. Этого достаточно, чтобы сделать не так уж и мало наблюдений. Да, тормозиться там было бы неплохо -- но пока нечем. А 0,1 года наблюдений в чужой системе -- это прилично.
И что можно будет наблюдать пластинкой кремния? Неуправляемой. Фото, спектры поверхности планет? Ну если удастся пролететь хоть в какой-то близости от планеты, конечно. Так-то шансы неиллюзорные не приблизится ни к одной хоть на пару миллионов километров, вернее просвистеть мимо в паре миллионов километров. А с чувствительностью "приборов" на кремневой пластинке наш посланец и с 10 тыс. км. , не то что с миллиона планету не обнаружит :))
Гелеосфера - это круто, слов нет, но интересны планеты, лучше в зоне обитания, а в ней спутник будет находиться часов 60-70, а потом посвистит дальше.
Так что, без торможения и маневра никуда.
"И что можно будет наблюдать пластинкой кремния? "
Если вы читали текст, то должны были заметить -- все. В оптическом диапазоне, по крайней мере.
"Ну если удастся пролететь хоть в какой-то близости от планеты, конечно. Так-то шансы неиллюзорные не приблизится ни к одной хоть на пару миллионов километров, вернее просвистеть мимо в паре миллионов километров. А с чувствительностью “приборов” на кремневой пластинке "
Чувствительность приборов на пластине может быть довольно высокой.
Комментарий удален пользователям или модератором...
Вы читали текст, под которым оставляете комментарии? Круче, чем что? В тексте же ясно показано, что орбитальные солнечные электростанции ничего крутого из себя не представляют, и как источник энергии на Земле смысла не имеют.
Круче чем любые другие ВИЭ... в том числе и СЭС, включая КосмоСЭС.
10 млрд км? Чего? До Сатурна 1,5 млрд км