В 1957 году под руководством Г. М. Кржижановского была создана комиссия, которая разработала перспективный план научных исследований, направленный на создание Единой энергетической системы (ЕЭС) СССР [1]. Этот план предполагал значительный переход всей энергетической техники на новый, более высокий уровень. В рамках стратегии основное внимание уделялось нескольким ключевым направлениям.
Во-первых, планировалось развитие атомных электростанций различных типов и мощностей. Одним из важнейших аспектов становились сверхмощные конденсационные электростанции, способные производить до 2–3 млн кВт электроэнергии, с агрегатами мощностью до 1 млн кВт, работающими на сверхвысоких параметрах пара. Также рассматривались мощные теплоэлектроцентрали с агрегатами мощностью от 100 до 200 МВт и газотурбинные электрические станции, включая те, которые функционировали бы в комплексе с установками подземной газификации угля. Важным направлением стало внедрение новых методов комплексного использования топлива на энерготехнологической основе.
Кроме того, план предусматривал создание сверхмощных гидроэлектростанций на сибирских реках, оснащённых современными гидротехническими сооружениями и новыми типами гидромеханического и электрического оборудования. Также акцентировалось внимание на развитии дальних электропередач сверхвысоких напряжений как постоянного, так и переменного тока. Эти линии должны были обеспечивать пропускную способность до 2–3 млн кВт на одну цепь и иметь протяжённость от 2000 до 2500 км.
Наконец, в рамках данной стратегии предусматривалась комплексная автоматизация различных типов электростанций, а также автоматическое управление энергосистемами и ЕЭС с использованием электронных вычислительных машин. Это включало установку автоматических операторов на электростанциях и подстанциях, что должно было повысить эффективность и надёжность работы энергетической системы в целом.
Последующее развитие Единой энергетической системы (ЕЭС) во многом соответствовало направлениям, намеченным в перспективном плане. Однако в настоящее время энергетика многих стран мира переживает значительные изменения [2–8], которые приводят к созданию новой архитектуры энергетических систем.
Среди основных факторов, способствующих этой трансформации, можно выделить несколько ключевых аспектов.
Во-первых, наблюдается существенное снижение стоимости технологий производства и потребления электроэнергии. Это касается не только традиционных источников, но и возобновляемых, таких как ветровые и солнечные электростанции, а также распределённой генерации, электротранспорта, систем управления спросом и накопления энергии. Во-вторых, происходит растущая электрификация экономики, что также вносит свой вклад в изменения в энергетическом секторе. Третьим важным фактором является стремление уменьшить экологические воздействия, что становится всё более актуальным в условиях глобальных изменений климата. Четвертым аспектом является расширение цифровизации и автоматизации энергетических систем, что позволяет повысить их эффективность и надёжность. Наконец, пятым фактором является расширение доступности энергии благодаря внедрению инновационных технологий [9–20].
Технологические изменения сопровождаются созданием институциональной основы, которая определяет регулирующие, технологические и экономические правила для надёжного и эффективного функционирования энергетических систем в новых условиях. Эти изменения отражены в соответствующих нормативных документах.
Трансформация энергетических систем также включает интеграцию различных компонентов в комплексные энергетические системы. Это предполагает интеграцию распределённой генерации в централизованные энергосистемы, а также сочетание централизованных и децентрализованных подходов. Важным элементом является интеграция систем электроснабжения, теплоснабжения, топливоснабжения, охлаждения, возобновляемой энергетики, а также систем водоснабжения и транспорта, что позволяет более эффективно управлять энергопотреблением.
Создаются крупные региональные энергообъединения, что способствует формированию глобальной энергосистемы. Важной частью этой трансформации является развитие существующих и создание новых технологий в области электроэнергетики, включая технологии солнечной аэрокосмической энергетики.
Инновационные технологии в области распределённой энергетики, особенно на базе солнечных аэрокосмических энергетических комплексов с микроволновыми и лазерными магистралями передачи энергии, имеют потенциал обеспечить энергетическую безопасность и надёжное энергоснабжение на удалённых и труднодоступных территориях Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока, которые не охвачены централизованным энергоснабжением.
Панели солнечных батарей на выносной ферме Международной космической станции (МКС)
Потенциал солнечной энергетики настолько велик, что, по существующим оценкам, солнечной энергии, ежеминутно поступающей на Землю, достаточно, чтобы обеспечить текущие глобальные потребности человечества в энергии в течение года. Энергия, поступающая на Землю от Солнца каждую секунду, оценивается в 1,2×105 ТВт. Её годовой баланс превышает суммарную энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов, имеющихся на Земле.
Эта энергия в 108 раз превышает уровень современного и будущего потребления в мире, если не учитывать процессы фотосинтеза, поглощения в океане, атмосфере и на суше. Использование лишь 0,0125% этого ресурса могло бы удовлетворить все сегодняшние потребности мировой энергетики. А 0,5% — способно полностью покрыть будущие нужды.
Преимущества технологий, использующих энергию Солнца, в том, что при работе солнечных установок практически не добавляется тепло в приземные слои атмосферы, не создаётся «эффект теплицы» и не происходит загрязнения воздуха.
Вблизи Земли интегральная плотность мощности солнечного излучения составляет 1340 Вт/м², пропускание атмосферы Земли, ограниченная полоса частот приёма солнечной батарей, а также влияние облаков и атмосферной турбулентности уменьшают реальный поток более чем в 3–10 раз.
Решить проблему доставки энергии Солнца из космоса на объекты, расположенные в труднодоступных областях на Земле, можно с помощью современных технологий солнечной аэрокосмической энергетики (САКЭ).
Массив приёмных антенн на поверхности Земли в системе САКЭ
Идею использования солнечной космической энергии ещё в 1968 году предложил американский учёный и инженер Питер Глейзер (Peter Glaser). На орбите надо разместить большие поля из солнечных батарей. Собранная энергия передаётся на Землю с помощью СВЧ-излучения или лазера. Здесь его принимает антенна, и принятое излучение преобразуется в электричество. Однако, как было отмечено выше, лазерное излучение при прохождении атмосферы также теряет свою энергию, а микроволны могут передаваться через атмосферу Земли на частоте от 2,45 до 5,8 ГГц практически без потерь.
Можно констатировать, что передовые страны мира, понимая стратегическую важность и необходимость использования солнечного космического излучения для национальной безопасности, приступили к проведению активной разработки технологий и проектов солнечных орбитальных электростанций. Разработку и создание солнечных орбитальных электростанций в настоящее время активно проводят страны Европейского союза, США, Япония и Китай.
Россия обладает колоссальным потенциалом солнечной энергии, однако использует его крайне ограниченно. Исправить эту ситуацию призваны солнечные аэрокосмические электростанции мощностью 0,1–10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям, о которых подробно рассказывалось в одном из номеров журнала «Вести в электроэнергетике».
По мнению российских учёных, эффективным путём решения указанных проблем в России может стать создание распределённой сети солнечных аэрокосмических электростанций мощностью 0,1–10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Это позволит обеспечить энергетическую безопасность и надёжное энергоснабжение отдалённых и труднодоступных территорий Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока, составляющих более 70% территории Российской Федерации с населением в 20 млн человек. Для электроснабжения этих территорий требуется установка порядка 50 тыс. дизельных электростанций суммарной установленной мощностью более 17 млн кВт.
По мере развития технологий солнечной аэрокосмической энергетики её потенциал планируется использовать в два следующих этапа:
1. Первый этап реализации предусматривает передачу энергии небольшой мощности (до 10 МВт), которой достаточно для энергообеспечения удалённых регионов России при многоканальном распределении электроэнергии между потребителями.
2. При реализации второго этапа САКЭ планируется достичь мощности передачи энергии более 1 ГВт, системы генерации в космосе способны будут обеспечить электроэнергией страну в необходимом объёме и на перспективу.
Важность развития новых энергетических направлений на базе аэрокосмической энергетики в России, помимо большого энергетического, экономического, экологического эффекта, связана с возрождением и дальнейшим развитием высокого технологического и индустриального уровня страны, созданием новых рабочих мест, подъёмом образовательного и интеллектуального уровня населения. Технологии САКЭ — это широкое междисциплинарное направление, объединяющее силовую адаптивную фотонику, СВЧ-электронику, оптику, лазерную физику, микрои наноантенные технологии и целый ряд технологий других смежных областей.
Система солнечной аэрокосмической энергетики состоит из нескольких ключевых сегментов, каждый из которых выполняет свои специфические функции:
1. Космический сегмент (КС) отвечает за приём солнечного света, его преобразование в лазерное излучение и направленную передачу этой энергии на одну из стратосферных платформ. Это позволяет эффективно использовать солнечную энергию, получая её в виде высокоинтенсивного лазерного потока.
2. Стратосферный сегмент (СтС) включает в себя одну или несколько высотных платформ, которые располагаются на высотах около 16–30 км. Этот сегмент выполняет функции перемещения и стабилизации платформ в заданных точках пространства. Он принимает лазерное излучение от космического сегмента, преобразует его в микроволновое (СВЧ) излучение и передаёт полученную энергию на наземные ректенны.
3. Наземный сегмент (НС) осуществляет приём СВЧ-излучения от стратосферного сегмента и его преобразование в электрический ток, что завершает процесс передачи энергии от космоса к земле.
4. Кроме того, система управления САКЭ обеспечивает дистанционное управление как всей системой в целом, так и её отдельными сегментами, что позволяет эффективно контролировать и оптимизировать процессы передачи энергии.
Для доставки и автоматического разворачивания в космосе без участия космонавтов планируется использовать плёночный сферический концентратор солнечной энергии, выполненный в виде замкнутой сфероидальной полости, наполненной нейтральным газом, верхняя часть которой прозрачна для солнечного излучения, а нижняя представляет собой зеркальную отражающую поверхность, концентрирующую солнечное излучение на поверхности фотоэлектрических преобразователей или на активных лазерных элементах.
Каждый из концентраторов солнечной энергии способен аккумулировать от 50 до 150 МВт солнечной энергии и концентрировать её на матрице лазеров или ФЭП. Плотность солнечной энергии концентратора солнечной энергии на матрице будет порядка 1000–1500 Вт/см². Диаметр сфероидального плёночного концентратора КС каждого модуля 150–350 м, а диаметр оптической системы формирования матрицы лазеров составит от 5 до 25 м. Ожидаемый КПД преобразования солнечной энергии в лазерное излучение составит порядка 40% (в перспективе 50–60%). Наращивание мощности САКЭ планируется осуществлять путём увеличения числа автономных модулей КС САКЭ и их стыковки между собой.
Лазерное излучение необходимо концентрировать на стратосферной платформе, находящейся на расстоянии порядка 36 тыс. км, при этом размер лазерного пятна не должен превышать разумные пределы (35–50 м), определяемые габаритами стратосферных платформ. Для передачи лазерного излучения большой мощности (25–50 МВт) требуется реализовать многолучевую диаграмму направленности с числом излучающих апертур от 10 до 50.
Такую систему можно построить либо по модульному принципу, используя на каждую излучающую апертуру свой формирующий телескоп, либо использовать один крупногабаритный формирующий телескоп, через который будут излучать все апертуры.
Силовой адаптивный телескоп космического сегмента САКЭ планируется построить на базе технологии плёночного шарового телескопа диаметром 10–25 м. Телескоп диаметром 25 м позволит сформировать общую апертуру из 30–50 модулей расходимостью менее 10–6 рад, что обеспечит фокусирование лазерных пучков на поверхности стратосферной платформы размерами не более 50 м.
Предлагаемая концепция аэрокосмической энергетической системы (САКЭ) обладает рядом значительных достоинств. Во-первых, она представляет собой гибкую и пространственно-распределённую солнечную энергетическую установку, работающую независимо от погодно-климатических условий, что позволяет доставлять энергию в любую точку на поверхности Земли. Это делает систему особенно привлекательной для обеспечения энергетических потребностей в удалённых или труднодоступных районах.
Кроме того, для реализации САКЭ не требуется создавать новые транспортные космические средства для доставки полезной нагрузки. Это упрощает процесс автоматического монтажа в космическом пространстве, снижая затраты и время на развёртывание системы. Также стоит отметить, что массогабаритные характеристики и стоимость космического сегмента значительно снижены, что делает проект более экономически оправданным.
Повышенная надёжность системы является ещё одним важным преимуществом. Модульная конструкция космического сегмента позволяет избежать полной потери работоспособности при выходе из строя одного или нескольких модулей. Восстановление системы осуществляется путём замены отдельных компонентов, что значительно упрощает её обслуживание.
Не менее важным является и тот факт, что транспортировка энергии к потребителю осуществляется с минимальной нагрузкой на окружающую среду, что соответствует современным экологическим стандартам.
Однако у данной концепции есть и недостатки. Одним из основных является необходимость дополнительного преобразования энергии, так как лазерное излучение должно быть преобразовано в СВЧ. В настоящее время суммарный коэффициент полезного действия (КПД) предполагаемой установки составляет 10–15%, но в перспективе планируется увеличить этот показатель до 25–40%.
Кроме того, для полноценной работы САКЭ требуется разработать дополнительный стратосферный сегмент и решить целый комплекс научно-технологических проблем, касающихся как космического, так и стратосферного сегментов системы. Это потребует значительных усилий и ресурсов, но в целом концепция обещает быть весьма перспективной и инновационной.
Комбинированный вариант построения САКЭ, использующий лазерную магистраль для доставки энергии на заатмосферную платформу, преобразование её в ток, питающий микроволновые генераторы, и транспортировка излучения микроволн на Землю, наиболее целесообразен для построения распределённой энергетики России и гибкого энергообеспечения труднодоступных объектов территории страны.
Предлагается поэтапный подход к созданию САКЭ, заключающейся в создании прототипов САКЭ с последовательно возрастающей размерностью для подтверждения принятых научно-технических решений и набора опыта по их реализации.
Представляется целесообразным сначала провести отработку технологий и устройств мощностью 1–10 кВт на Земле, затем стратосферных солнечных электростанций мощностью 10 кВт, 100 кВт и 1–10 МВт с трансляцией энергии на Землю и по результатам проведённых экспериментов определить оптимальные пути развития отечественных солнечных аэрокосмических энергосистем.
Развитие САКЭ требует создание фундаментального научного и научно-технологического задела России, который можно обеспечить только широким спектром поисковых НИР, выполняемых ведущими научными, образовательными и промышленными организациями.
Создание САКЭ с лазерными и СВЧ магистралями передачи энергии в настоящее время является реальной и крайне актуальной проблемой для обеспечения энергетической, экологической и оборонной безопасности России и могут стать фундаментом для построения распределённой энергетической системы Российской Федерации (в том числе информационно-энергетического обеспечения объектов Дальневосточного федерального округа и районов Крайнего Севера).
Учёные и инженеры России, понимая реальную угрозу безопасности Российской Федерации, предлагают определить разработку прорывных технологий солнечной аэрокосмической энергетики (САКЭ), как один из важнейших приоритетов обеспечения стратегической безопасности страны, поскольку отставание в этой области ведёт к необратимым последствиям в развитии целого ряда отраслей и технологий в промышленности и угрозе национальной безопасности России.
Однако неоднократные обращения в государственные учреждения за поддержкой развития САКЭ в РФ, в том числе в Минпромторг России (исх. №АС-19/79 от 9 апреля 2018 года), в Минэнерго России (исх. №АС-30/79 от 22 мая 2018 года), вице-премьерам России (исх. №АС-39/79 от 6 июня 2018 года, №19–1КЭ от 9 июня 2019 года, №19–3КЭ-1 от 15 июля 2019 года), пока результатов не дали.
По инициативе инженеров и учёных России вопрос о создании в России САКЭ обсуждался в Совете №14(3) по приоритетным направлениям стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. По результатам обсуждения было предложено считать целесообразным формирование специальной долгосрочной государственной программы под условным названием «Солнечная аэрокосмическая энергетика России». Вопрос о создании САКЭ в России был рассмотрен и поддержан на заседании секции Научного совета при Совете Безопасности (НС СБ) РФ 15 декабря 2021 года, ряде выездных заседаний Научно-экспертного совета (НЭС) при Комитете СФ РФ по экономической политике и профильных институтов.
О проблеме использования технологий САКЭ в интересах решения задач для различных видов Вооружённых сил Российской Федерации также докладывалось на форумах «Армия 2021» и «Армия 2022», «Армия 2023». Предложения были направлены заместителю министра обороны России А. Ю. Криворучко.
В обеспечении рекомендаций НС СБ РФ были подготовлены и направлены указанным НС СБ РФ ведомствам [Минпромторгу России (исх. №СЭ/4.03–1.22 от 25 января 2022 года), Минобрнауки России (исх. №СЭ/25.01–2.22 от 25 января 2022 года), ГК «Роскосмос» (исх. №СЭ/14.03–1.22 от 14 марта 2022 года), ФПИ (исх. №АС-4/79 от 25 января 2022 года), ПАО «ОАК» (исх. №СЭ/4.03–1.22 от 4 марта 2022 года) и Минобороны России (исх. №СЭ/16.01–2.22 от 16 февраля 2022 года)] предложения по постановке и проведению Научно-исследовательской и экспериментальной работы (НИЭР) «Магистраль», суть которой звучит как «Разработка технологических основ и конструкторско-технологических решений в интересах обоснования принципов построения солнечного аэрокосмического энергетического комплекса с дистанционной передачей энергии по лазерным и СВЧ-каналам». Однако до настоящего времени ни одно из вышеприведённых ведомств не проявило инициативу в развитии данного стратегического направления.
На заседании Совета при Президенте Российской Федерации по стратегическому планированию и нацпроектам 18 июля 2022 года, а также на форуме «Агентства стратегических инициатив» 20 июля 2022 года Президент России В. В. Путин, обращаясь к участникам заседания и инженерно-техническому сообществу страны, декларировал важность стратегических инициатив для развития научно-технического и оборонного потенциала России и пообещал свою поддержку важнейшим стратегическим инициативам развития нашей страны.
Принимая во внимание особую важность технологий САКЭ для обеспечения оборонной и энергетической безопасности страны, аналог «атомный проект», в соответствии с Поручением Президента России №Пр-616 (п. 9а — см. врезку), инициативная группа инженеров и учёных России предлагает включить программу развития технологий солнечной аэрокосмической энергетики России в перечень приоритетных технологических национальных проектов России на 2024–2045 годы. Учёными и инженерами России предложено определить разработку прорывных технологий солнечной аэрокосмической энергетики (САКЭ) в качестве одного из важнейших приоритетов развития Российской Федерации.
В сущности, мы находимся на пороге рождения новой отрасли — аэрокосмической энергетики. Мероприятия по продвижению амбициозного мегапроекта САКЭ идут целенаправленно, хотя и непросто, что явствует из многочисленных обращений к руководству страны и протоколов заседаний.
В течение ряда лет учёные и инженеры России бескорыстно, в инициативном порядке, работают над этой проблемой, но в своём желании обеспечить технологический суверенитет и безопасность России наталкиваются на «глухую стену» непонимания по этой стратегически важной для страны проблеме. Отставание в этой области ведёт к необратимым последствиям и угрозе национальной безопасности России.
Чиновникам выгоднее подменять масштабные, проблемные проекты государственной важности на мелкие, ничтожные, в виде «грантов», размазывая государственные средства между второстепенными (коммерческими) организациями. Деньги расходуются большие, бездарно тратится бесценное время, а для государства ничего важного не создаётся, при этом не наступает никакой ответственности для чиновников никакой!
Вопрос о безответственности чиновников при решении вопросов государственной безопасности России давно «перезрел», и его необходимо решать. Предлагается на законодательном уровне принятие срочных мер по кардинальному повышению ответственности чиновников всех уровней, в связи с чем, как один из возможных вариантов, предлагается рассмотреть возможность включить в Уголовный кодекс Российской Федерации в раздел «Должностные преступления» статей №14 («Крайняя необходимость»), №69 («Вредительство»), №93.1 («Хищение государственного или общественного имущества»), №170 («Злоупотребление властью или служебным положением») и №172 («Халатность») УК РСФСР.
Рекомендации
На основании проведённого анализа и сложившейся критической ситуации, также учитывая значительное (10–15 лет) отставание Российской Федерации в области развития технологий солнечной аэрокосмической энергетики от мировых держав, в соответствии с рекомендациями протокола круглого стола* «Нормативное регулирование процессов реализации инновационных проектов в области аэрокосмической энергетики, как источника возобновляемой энергии для народного хозяйства РФ», предлагается:
1. Поддержать инициативу российских учёных и специалистов о развитии в России распределённой солнечной аэрокосмической энергетики (САКЭ).
2. Принимая во внимание стратегическое значение развития САКЭ для обеспечения энергетической, экологической и оборонной безопасности страны, поручить Правительству РФ включить программу развития САКЭ в перечень приоритетных национальных проектов РФ на 2025–2045 годы с выделением финансирования для реализации проекта в 2025–2045 годы не менее $30 млрд.
3. Поручить Минпромторгу России открыть НИЭР с выделением финансовых средств (не менее 2,5 млрд руб.) на проведение первого этапа работ по программе САКЭ (НИЭР «Магистраль») с экспериментальной отработкой и демонстрацией технологий САКЭ на базе аппаратурного задела КрАО (пгт. Симеиз, Республика Крым) и РАН РФ (2025–2030 годы).
4. Поручить Госкорпорации «Роскосмос» открыть НИЭР «Рапира» по созданию космического сегмента САКЭ в рамках программы №10 с выделением финансовых средств не менее 3 млрд руб. на проект.
5. Поручить Минпромторгу и Минобрнауки России, госкорпорациям «Ростех» и «Роскосмос» подготовить предложения по организационной структуре (консорциум предприятий) для реализации программы САКЭ, а также определить источники финансирования для её реализации.
6. Поручить Минобрнауки России включить проведение фундаментальных и поисковых работ по созданию технологий САКЭ в интересах Министерства обороны РФ в рамках программы №6.
Для обеспечения интенсивного развития технологий программы «Солнечная аэрокосмическая энергетика России» предлагается перед Правительством РФ поставить вопрос о создании новой организационной структуры отрасли — Агентства по аэрокосмической энергетике Российской Федерации.
* Данный круглый стол был организован Фракцией КПРФ в Государственной Думе ФС РФ и прошёл 18 ноября 2024 года в городе Москве (протокол от 5 декабря 2024 года №5.2–24/3120).
