Космическая энергетика России: время переходить к практике

Работе заседания рабочей группы предшествовало обсуждение рассматриваемых проблем на следующих совещаниях: первый круглый стол по беспроводной передаче электрической энергии на Земле и в космосе под руководством председателя Комитета Государственной Думы по энергетике ФС РФ (21 ноября 2012 года); IV Международный форум «Энергосбережение и энергоэффективность — динамика развития» (Санкт-Петербург, 7-10 октября 2014 года); XIV Московский международный энергетического форум «ТЭК России в XXI веке» (19-20 апреля 2016 года).

На прошедшем заседании было отмечено, что в 1970-е годы советская космическая энергетика была мировым лидером. Однако за последние 20-25 лет в России наметилось отставание этой отрасли от мирового уровня.

Произошло это по той причине, что в указанный период отечественная космическая энергетика развивалась по принципу «необходимо и достаточно». Фундамент направления был заложен великими учёными и инженерами, уже покинувшими этот мир (С. П. Капица, Б. Е. Черток, А. Г. Иосифьян, Н. С.Лидоренко, В. А. Ванке и др.). После них космическая энергетика как отдельное направление, можно сказать, осиротело — ни Минэнерго России, ни Роскосмос не занимались его перспективным развитием. Но дальнейшее развитие космонавтики неизбежно потребует мегаваттных мощностей. Отечественная космическая энергетика должна быть готова к этим рубежам прогресса, поскольку Российская Федерация и впредь должна оставаться ведущей космической державой.

Интегрально космическая энергетика включает в себя три следующих сегмента технических средств: космическая солнечная электростанция (КСЭС), канал беспроводной передачи электрической энергии и приёмные, преобразующие и аккумулирующие системы. Над повышением эффективности каждого из этих сегментов работает ряд предприятий РАН, Роскосмоса и ведущих вузов России.

От РАН совместно с экспертной секцией «Космическая энергетика» Научно-консультативного Совета при депутате Государственной Думы Федерального Собрания Российской Федерации И. Д. Грачёве и МИРЭА в этой работе принимает участие Институт биохимической физики имени Н. М. Эмануэля в качестве координатора работ по развитию космической энергетики.

Необходимо также отметить, что перемещение процесса преобразования энергии (солнечной или ядерной) за пределы биосферы Земли существенно снижает нагрузку на биосферу и, в частности, приводит к снижению парникового эффекта. Экологические последствия такого энергоснабжения существенно ниже, чем последствия от использования традиционных энергетических источников, таких как тепловые, атомные и гидроэлектростанции.

Перенос солнечных электростанций в космос позволит круглосуточно в нужном месте получать электроэнергию. Канал передачи энергии является наиболее важным сегментом космической электростанции, а беспроводная передача энергии — чрезвычайно сложной задачей для современной техники. Проекты реализации такого канала на основе микроволнового и лазерного излучения разрабатываются во всех передовых странах мира, в том числе и в РФ (табл. 1).

Свои соображения о подходах к решению задачи практического создания КСЭС с учётом реалий сегодняшнего дня в ходе заседания в своих докладах представили Александр Сигов, академик РАН, президент Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики; Иван Редько, д.т.н., профессор, заместитель директора Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН; Дмитрий Айрапетянц, заместитель министра энергетики Московской области; Рашид Артиков, заместитель генерального директора НП «Российское теплоснабжение»; Сергей Нехаев, председатель правления МОО «Устойчивое развитие» и сообщества «СоКоммуникации», Владимир Матюхин, д.т.н., профессор, руководитель Центра аэрокосмической силовой фотоники МИРЭА; Виктор Зайченко, д.т.н., заведующий лабораторией Объединённого института высоких температур РАН; Игорь Костин, коммерческий директор ООО «Эконорм»; Алла Захарова, руководитель филиала «Группа компаний МКС», и другие специалисты.

Участники круглого стола указали на необходимость: создания природоохранных технологий для обеспечения стабилизации климата и замещения нефти, прежде всего в удалённых регионах России; организации системы глобальной аэрокосмической, а также астероидной и метеоритной безопасности Российской Федерации.

Целью заседания рабочей группы является создание условий для консолидации сил промышленности, РАН и вузов. Такая консолидация позволит снять основные проблемы, а также решить главные задачи космической энергетики:

• создание прорывных технологий беспроводной трансконтинентальной транспортировки мощных информационноэнергетических потоков по стратосферным и космическим магистралям над территорией страны;
• создание демонстрационного образца солнечной аэрокосмической электростанции с дистанционной передачей энергии по лазерным магистралям;
• беспроводное энергообеспечение стратегически важных наземных, воздушных и космических объектов;
• ускоренное развитие высокоинформативных систем телекоммуникаций в северных и других труднодоступных регионах страны;
• мониторинг региональной безопасности, в том числе безопасности особо важных объектов (наземных и плавучих АЭС, плавучих газовых и нефтяных платформ, магистральных трубопроводов и пр.);
• создание стратосферных и космических солнечных электростанций мощностью 1-10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Таким образом, развитие систем беспроводной передачи энергии способно кардинальным образом повлиять на определяющие стороны жизни России. Это энергообеспечение, энергетическая и экологическая безопасность, обороноспособность, информатизация.

Ожидается, что, подняв в ходе своего развития престиж самой космической техники в решении важнейших социально-экономических задач страны, эта технология будет сопоставима с такой успешной отечественной отраслью, как атомная энергетика.

Актуальность развития этого направления подтверждается и тем, что в Японии принята «императорская» программа создания КСЭС, которую можно сравнить с программой создания атомной бомбы в СССР. Программа имеет высший государственный статус и приоритет. Сроки создания КСЭС намечены на 2025 год. Проект реализуется государственным органом — Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA). Финансирование — $ 21 млрд. Планируемая мощность электростанции — 1 ГВт. Массив солнечных батарей имеет площадь 4 км². Для реализации проекта правительство Японии учредило консорциум на базе корпораций Mitsui, Mitsubishi, NEC, Sharp, Hitachi и других компаний. Рассматривается два варианта технологии: прямое преобразование солнечной энергии в лазерное излучение (с использованием линз Френеля и NiYAG-лазера) и преобразование солнечной энергии в СВЧ-излучение. Космическая японская энергетическая система (Space Solar Power System, SSPS) предусматривает развёртывание на геостационарной орбите поля из солнечных панелей площадью примерно 4-6 км². Произведённую ими энергию вниз будет доставлять либо поток СВЧ-излучения, либо мощный и высокоэффективный лазер. Средняя выходная мощность такой системы должна составить 1 ГВт («на грунте», с учётом всех потерь при передаче из космоса), пиковая — 1,6 ГВт. Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли — порядка 70-75 %. Выпрямительная антенна (ректенна) на Земле должна принимать энергию микроволнового излучения от КСЭ с максимально возможной эффективностью. Одна из конструкций имеет форму эллипса с большой осью 13 км и малой осью 9,5 км. Плотность падающего микроволнового излучения — от 25 мВт/см² в центре и до 1 мВт/см² на периферии. Преобразование принимаемой энергии в постоянный ток осуществляется в элементах, встроенных в ректенну. Рассматривались различные микроволновые частоты, предложенные во многих исследованиях WPT и демонстрациях: 2,45; 5,8; 8,51; 35; 94; 140 и 170 ГГц. Размер приёмной ректенны при изменении частоты СВЧ мог изменяться от 10 км до 150 м, а плотность СВЧ-энергии может возрасти до 10 Вт/см².

Американская версия космической энергетической станции — SPS-ALPHA (Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array). В своём воплощённом виде система представляет собой гигантский космический «цветок» и является антенной решёткой с зеркалами, положение которых регулируется индивидуально. Задняя часть этого «цветка» является набором фотоэлектрических панелей. На обратной его стороне, направленной в сторону Земли, имеется множество СВЧ излучателей-передатчиков, которые отсылают на Землю в виде СВЧ-излучения энергию в диапазоне от десятков до тысяч (!) мегаватт мощности.

Исходя из объёмов финансирования и масштабности проводимых за рубежом работ, обозначилась перспектива потеря космического энергетического рынка для России, что чревато катастрофическими последствиями. Отсутствие паритета с зарубежными странами в столь важном и перспективном направлении для России недопустимо.

Участники заседания обратили своё внимание и на то, что проекты КСЭС стали разрабатываться сразу после начала космической эры. Как уже было сказано, в настоящее время США и Япония активно разрабатывают КСЭС гигаваттного уровня для начала рынка «космического электричества», который может изменить международный рынок энергетических ресурсов, в частности, снизить спрос на природные ресурсы России, а также породить угрозу её энергетической и национальной безопасности. В частности, при увеличении частоты СВЧ-излучения до десятков и сотен гигагерц принципиально возможно инициировать возникновение различных природных явлений в верхних слоях атмосферы.

Российскими специалистами предлагается существенное упрощение схемы КСЭС в целом, снижение её стоимости, повышение надёжности и эффективности. Для повышения оперативности и эффективности управления проектом предлагается его реализацию осуществить в три этапа. Причём на первом этапе развития космической энергетики предлагается внедрение проекта «Создание демонстрационного прототипа аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт на базе привязных аэростатов», с целью формирования необходимых научно-технических решений и приобретения отечественного опыта по их реализации для создания в перспективе АКСЭС гигаваттного класса. При этом АКСЭС находится в составе многофункционального энерготехнологического комплекса (МЭК), состоящего из основных энергетических установок: газопоршневой электростанции, модуля по производству из биомассы генераторного газа, модуля когенерации, САУ и модуля преобразования электроэнергии.

С целью ускорения реализации первого этапа проекта участники заседания пришли к единодушному мнению, что каждый из них может взять на себя обязательство по разработке и реализации того или иного модуля МЭК в соответствии со своими наработками. Должно быть подготовлено многостороннее соглашение по строительству первой аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт и письмо-обращение к президенту РФ по финансированию второго и третьего этапов проекта.

Заслушав и обсудив доклады, члены рабочей группы решили:

1. Считать создание солнечных аэрокосмических энерготехнологических комплексов России одним из важнейших направлений ТЭК страны в XXI веке.

2. Выйти с предложением к руководству страны о рассмотрении вопроса выделения финансовых средств на разработку национальной программы «Солнечная аэрокосмическая энергетика России».

3. Поддержать инициативу Александра Сигова, академика РАН, президента Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики о разработке «дорожной карты» развития космической энергетики.

4. Институту биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН (И. Я. Редько) совместно с МИРЭА (В. Ф. Матюхин) и МОО «Устойчивое развитие» (С. А. Нехаев) подготовить и подписать многостороннее соглашение по строительству аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт в составе МЭК.

5. Обратиться в Минэнерго России с предложением включить в план НИОКР на 2017 год разработку «Концепции создания автономной солнечной аэрокосмической системы энергоснабжения».

6. Рекомендовать создание на базе государственного университета «Дубна», МИРЭА, Звенигородской обсерватории Института астрономии РАН, ОИВТ РАН, МЭИ, Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН, МОО «Устойчивое развитие», «КЭР-Холдинга», ДКБА и ООО «Эконорм» экспериментального учебного полигона по отработке новых технологий МЭК, в том числе с использованием объектов космической энергетики.

7. Поручить заместителю директора Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН И. Я. Редько дополнить рабочую группу по разработке и строительству аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт в составе МЭК.

8. Поручить председателю совета директоров ООО «Устойчивое развитие» С. А. Нехаеву подготовить рекомендации по формированию современной финансовой инфраструктуры, механизмов и инструментария для внебюджетного финансирования объектов и проектов распределённой энергетики с использованием аэрокосмических солнечных электростанций.

9. Провести в первом полугодии 2016 года расширенное совещание по вопросам реализации проекта с участием привлекаемых предприятий.