В ряде стран проводятся разработки систем беспроводной передачи энергии мощностью 10-106 кВт как наземного, так и космического базирования для широкого круга задач, в том числе стабилизации погоды и начала рынка «космического электричества», как альтернативы исчерпанию традиционных энергоресурсов. Центробежные волоконные лазеры с солнечной накачкой могут стать эффективной базой для широкого круга перспективных информационно-энергетических систем космической техники.
Введение
Научно-технический прогресс привёл к возможности создания новых технологий генерации и беспроводной передачи огромных потоков энергии [1], которые могут кардинально повлиять на социально – экономическое положение России:
- изменить структуру мирового энергетического рынка не в пользу ископаемых ресурсов (нефть, газ, уран);
- повлиять на энергетическую безопасность и обороноспособность;
- в 5-10 раз снизить стоимость электрообеспечения в регионах России (Сибирь, высокоширотные регионы, Камчатка, Дальний Восток), где отсутствуют кабельные сети или происходит их обесточивание (Крым);
- увеличить пропускную способность информационных систем.
Актуальность и состояние разработок
Энергетика является основой развития цивилизации, в неё вложено 6-7 триллионов долларов во всём мире, что превышает многократно вложения в любые другие направления человеческой деятельности. Непрерывно возрастающие потребности человечества, связанные с возрастанием численности и жизненного уровня населения, уже сегодня превышают цифру 20 ТВт = 20·1012 Вт. Окружающая среда не справляется с таким гигантским уровнем воздействия на себя, что выражается в участившихся ураганах, засухах, наводнениях. Проблема стоит столь остро, что даже В.В Путин в своей речи на юбилейной 70–й Генасамблее ООН сказал: «Среди проблем, которые затрагивают будущее всего человечества, и такой вызов, как глобальное изменение климата.» По данным ООН ущерб от природных катаклизмов составил 366 миллиардов долларов только в 2011 году, что многократно превышает стоимость самых крупных космических программ. Например, программа полётов на Луну обошлась США в 1969-1971г.г. около 28 миллиардов долларов. А именно космическая техника способна решить проблемы обеспечения землян электроэнергией и стабилизации погоды. К.Э.Циолковский в начале прошлого века начал развитие космонавтики именно с целью освоения солнечной космической энергии на благо человечества. Солнце является природным термоядерным реактором, практически бесконечным по времени существования и безграничным по количеству вырабатываемой им энергии. Если бы человечество не пыталось безуспешно создать в течение последних 60 лет термоядерный реактор на Земле, а вложило средства в солнечную энергетику, то социально-экономическая ситуация была бы сейчас совершенно иной. Нобелевские лауреаты академики Н.Н.Семёнов и Ж.И.Алфёров указывали на безальтернативность в перспективе для человечества использования солнечной энергии, поскольку природные запасы энергоресурсов иссякнут, по различным оценкам, через 50-100 лет и уже наши внуки вынуждены будут жить совершенно в других условиях. В Индии и странах арабского востока чрезвычайно остро стоит вопрос опреснения воды. Бывший президент Индии, доктор Абдул Калям, указывал на необходимость использования для опреснения воды в больших масштабах солнечную энергетику, в том числе космическую. Решением проблем может стать создание космических солнечных электростанций (КСЭС) для трансляции энергии на Землю. Существует мнение, что при переводе наземной энергетики на космическую произойдёт стабилизация погоды и климата в целом. Проекты КСЭС стали разрабатываться сразу после начала космической эры и отличались СВЧ концепцией передачи энергии и использованием жёстких каркасов площадью несколько десятков квадратных километров для крепления солнечных батарей. Первый масштабный проект на мощность 10 ГВт (потребление среднего региона), был выполнен инженером П.Глейзером в 1968 году в США [2]. Техника была не готова тогда, да и сейчас, к решениям, требующим вывода тысяч тонн груза на орбиту и создания приёмных устройств на Земле диаметром до 20 километров. В дальнейшем проекты совершенствовались, но кардинально ситуация не менялась. 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.
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 угрожать её энергетической безопасности. В США такие крупнейшие корпорации и научные центры, как «Локхид-Мартин», «Боинг», JPL, «Центр Маршалла», «Центр Гленна», а также ряд университетов, планируют создать КСЭС гигаваттного уровня к 2016 г. На рис.1(а) представлена схема конструкции КСЭС США [3], где находящиеся на расстоянии 5-и километров концентрирующие зеркала размером 2,5х2 км через поворотные зеркала направляют поток солнечного света на «сендвич» - приёмный диск диаметром 500м, с совмещёнными солнечной батареей, СВЧ генератором и передающей СВЧ антенной. Схема заимствована из японских разработок середины 90-х годов прошлого века. Группа из 16 японских корпораций во главе с Mitsubishi Corporation планирует построить КСЭС гигаваттного уровня к 2025 г. в рамках проекта Solarbird. Общая стоимость КСЭС оценивается в 24 миллиарда долларов. Предполагается, что стоимость вырабатываемого «космического электричества» будет в 6 раз дешевле, чем на японских наземных электростанциях. На рис.1 (б) показана ячейка 100х100 м японского «сендвича», поддерживаемого в гравитационной
а)
б)
Рис. 1. Конструкции КСЭС США (а) и Японии (б).
стабилизации 4-мя 15-и километровыми тросами, скреплёнными с приборным контейнером. Разработки базируются на СВЧ концепции передачи энергии и жёстких каркасных многокилометровых конструкциях. Японцы также рассматривают лазерную концепцию КСЭС, но не отдают ей первенства, поскольку исторически отдали основные силы СВЧ концепции и хотят её реализации в первую очередь.
В настоящее время в силу чрезвычайной сложности конструктивно-технологической реализации схемы США (рис.1а) очевидно, что предполагаемые сроки её реализации не будут выполнены. У ряда ведущих специалистов НАСА сложилось мнение, что разрабатываемые в настоящее время проекты КСЭС не реализуемы и требуются новые идеи. Возможно существенное упрощение схемы КСЭС в целом, снижение её стоимости, повышение надёжности и эффективности. Кардинально положение изменилось в проблеме создания КСЭС в последние 3-5 лет в связи с успехами в разработке волоконных лазеров и возможности создании крупногабаритных космических бескаркасных конструкций из волоконных лазеров, формируемых центробежными силами [4]. Волоконные лазеры способны дать узкий луч, на пять порядков меньший по площади СВЧ луча на Земле. Нитеподобность волоконного лазера даёт возможность оптимально использовать центробежные силы для формирования бескаркасной плоской площадки из волоконных лазеров, перпендикулярной солнечным лучам. Отсутствие жёсткого каркаса резко упрощает и удешевляет конструкцию и возможность вывода её на орбиту ракетоносителем. Возможность солнечной накачки волоконного лазера исключает солнечные батареи.
Новые возможности беспроводных систем передачи энергии
В США по программе создания единой сетецентрической эшелонированной системы воздушно-космической обороны проводятся работы на основе лазерных информационно-ударных комплексов. В частности рассматривается схема, где лазерный пучок, питаемый от мегаваттной плавучей атомной электростанции (подводной лодки), через стратосферный ретранслятор может поразить наземные, стратосферные и космические объекты [1]. Управление осуществляется космической системой. По аналогичной схеме в Израиле создан высокоэнергетический лазер «Iron Beam» для уничтожения ракет, миномётных снарядов, воздушных целей. Он создаёт над районом Земли «купол» безопасности и перехватил сотню снарядов типа «Катюша», запущенных из сектора Газа [5]. Фирма Locheed Martin Space Sistems имеет 30 летний опыт создания высокоэнергетических лазерных систем. Лазер мощностью в 10 кВт отслеживает цель на расстоянии 5 км [6]. Компания Boing создала лазерный комплекс (10 кВт), поразивший 90 миномётных снарядов на расстоянии 1800 - 2700 м. Планируется увеличить мощность до 100 кВт [7]. Китай готовит космическую платформу с энергетикой в 30 кВт для генерации СВЧ (16 кВт) и лазерного луча (6 кВт) и приёма излучения на Земле [8]. Ещё в 2010г. европейская компания EADC-Astrium – ведущая по производству спутников и спутникового оборудования, объявила о планах создания платформы, аналогичной китайской, с инфракрасным волоконным лазером, питаемым через полупроводниковые лазеры солнечными батареями. Возможность передачи потока излучения в атмосфере Земли от самолётного фуллерен-кислород-йодного лазера мегаватного класса с электрической накачкой от турбин самолёта на расстояние до 200 км подтверждена в ходе испытаний в 2009 г. компанией Boeing по заказу Военно-воздушных сил США. Программа стартовала в 1996 г. и её бюджет составил 10-13 млрд. долларов.
Пентагон, как наибольший потребитель электроэнергии в США, активно рассматривает широкие возможности использования КСЭС в интересах министерства обороны США, поскольку его энергобезопасность, в перспективе сложностей с традиционными энергоресурсами, может базироваться на использовании КСЭС [9], которые, в том числе, могут уменьшить или исключить потребность в топливных транспортах, являющихся традиционными мишенями для противника.
Снижение спроса и стоимости природных ресурсов (нефти, газа, урана) на международном энергетическом рынке возможно в случае, если Япония и США первыми создадут КСЭС и начнут продавать электроэнергию в регионы России и всего мира по значительно меньшей цене, чем стоит выработка электроэнергии на Земле. Для России это, в первую очередь, регионы Дальнего Востока, Камчатка и Сибирь. Рынок гражданских самолётов в России на 80%, а рынки автомобилей, мобильных телефонов и компьютерной техники более чем на 90% заняты зарубежными производителями. В случае КСЭС орбитальный сегмент остаётся за производителем, и ему ничто не мешает по своему усмотрению прекратить подачу электроэнергии, т.е. угрожать энергетической безопасности страны.
Помимо альтернативы традиционным энергетическим источникам, таким, как тепловые, атомные и гидроэлектростанции, появляются новые возможности использования КСЭС, как систем беспроводной передачи энергии: энергоснабжение удалённых и труднодоступных районов при отсутствии необходимой кабельной сети (районы Крайнего Севера России, Канады, Гренландии, Арктики и Антарктиды, горные районы, пустыни, места стихийных бедствий и катастроф); решение проблемы пиковых нагрузок; зарубежные поставки; новые стратегия и тактика в решении оборонных задач; энергоснабжение Луны, Марса и других космических тел и аппаратов; решение проблемы астероидной опасности. Проблема электрообеспечения Крыма при наличии КСЭС не встала бы. На рис.2 показана возможность снабжения международной космической станции лазерным лучом от центробежной КСЭС.
Рис.2. Энергоснабжение МКС лазерным лучом от центробежной КСЭС.
В работе [10] отмечается, что 80% территории России с населением 20 миллионов человек не охвачены кабельными сетями электроснабжения. Доставка дизельного топлива в некоторые районы по времени затягивается до двух лет, а стоимость электроэнергии доходит до 100руб/кВт·час по сравнению с 3 руб/кВт·час в других регионах. В таких случаях беспроводное энергоснабжение особенно эффективно и позволяет снизить стоимость электроэнергии в 5-10 и более раз.
КСЭС также могут быть использованы в проблеме астероидной безопасности. Падение астероида в Челябинске показало актуальность проблемы. Оценки показывают, что воздействие лазерного излучения от КСЭС мощностью 1 ГВт на астероид массой 109 кг сообщит ему ускорение порядка 10-3 м/сек2. При длительном характере такого воздействия возможно эффективное изменение орбиты астероида.
Возможные российские приоритеты
Учитывая опыт зарубежных разработок, можно указать на возможные реальные российские приоритеты в области генерирования и беспроводной передачи энергии:
- использование волоконных лазеров, в том числе возможно с солнечной накачкой, которые будут существенно эффективнее СВЧ метода, используемого в проектах США и Японии;
- использование бескаркасных центробежных крупногабаритных космических конструкций, более эффективных, чем каркасные аналоги США и Японии.
Преимущества лазеров над СВЧ-системами следующие [9]:
- КПД преобразования электроэнергии в инфракрасный лазерный сигнал в полупроводниковых ИК лазерах доходит до 80%;
- на 5 порядков меньшая расходимость лазерного луча (10-6 радиана) по сравнению с СВЧ сигналом;
- реальные достижения в миниатюризации элементной базы (по световоду диаметром 250 микрон передаётся световая мощность 50 кВт);
- ресурс более 100000 часов;
- возможность приёма энергии в высокоширотных районных России от КСЭС, находящейся на геостационарной орбите;
- российские производители в направлении волоконных световодов сейчас занимают ведущие позиции в мире («ИРЭ Полюс», г. Фрязино, и ещё 11 фирм долларового миллиардера россиянина Гапонцева В.П. в разных странах мира с общей численностью 2500 человек; 85% мирового производства волоконной оптики).
Последняя позиция очень важна при производстве крупномасштабных отечественных КСЭС и широкого круга информационно-энергетических систем для решения перспективных задач космической техники.
Оптоволоконные лазеры превосходят другие типы лазеров практически по всем существенным параметрам, важным с точки зрения их промышленного использования. Имеются совпадающие окна прозрачности атмосферы и диапазоны высокой чувствительности воспринимающих энергию на Земле гетероструктурных фотоэлектронный преобразователь (ФЭП), в том числе концентраторных (например =1,35 мкм) [11], которые имеют к лазерному свету КПД на 15-20% выше, чем к солнечному.
Преимущества центробежных бескаркасных космических конструкций над каркасными аналогами следующие [12]:
- отсутствие жёсткого каркаса, составляющего до 50% от стоимости всей системы (стоимость разработки, изготовления и отработки на Земле, вывода на орбиту и орбитальной сборки);
- возможность переориентации (слежения за Солнцем) на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела, поскольку сама центробежная система является тяжёлым гироскопом;
- возможность укладки в малый объём при транспортировке;
- имеется возможность эффективной наземной отработки и автоматизированного развёртывания и обратного свёртывания на орбите при необходимости изменения дислокации;
- имеется уникальный отечественный опыт наземной и орбитальной отработки (космический эксперимент «Знамя 2», проведённый 04.02.1993 , рис .3).
Рис.3. Космический эксперимент «Знамя 2» по отработке центробежной тонкоплёночной конструкции диаметром 20 м на транспортно-грузовом корабле «Прогресс М»
Многих конструкторов настораживает необходимость постоянного вращения центробежных солнечной батареи или тросовой конструкции с угловой скоростью ниже 1 рад/сек и необходимость использования подвижного контактора. В то же время в некоторых космических проектах закладывается съём электроэнергии порядка 1 МВт через вращающийся контактор в электрогенераторе при скорости вращения 30000-60000 об/мин. и ресурсе в 15 лет, что значительно сложнее.
В настоящее время различные производители в России и за рубежом выпускают лазерные установки на волоконных лазерах мощностью до 100 кВт для промышленной обработки металлов (например, резки стали толщиной 100 мм). Поскольку если даже традиционные способы сварки, пайки, резки, прошивания фигурных отверстий, гравировки и упрочнения металлов уступают место лазерным методам [13], то внедрение лазерной техники в космическую энергетику и информатизацию открывают новые широчайшие перспективы космонавтики.
Центробежные волоконные лазеры с солнечной накачкой.
Существенным российским приоритетом, предлагаемым Международным лазерным Центром МГУ им. М.В.Ломоносова в кооперации с ведущими институтами РАН, который может кардинальным образом упростить и удешевить КСЭС и в целом революционным образом повлиять на технологию беспроводной передачи энергии в космосе, являются предложения по повышению эффективности волоконных лазеров с солнечной накачкой [14]. За счёт специально подбираемых легирования волокна и вновь предложенного для этой задачи флюоресцирующего покрытия, поглощающего до 95% солнечного спектра, планируется осуществить эффективную солнечную накачку волоконного лазера, что позволяет исключить использование в энергосистемах солнечных батарей. Перпендикулярную солнечным лучам поверхность из волоконных лазеров целесообразно формировать центробежными силами, что позволяет исключить жёсткий каркас.
В 1996г. была проработана подобная конструкция применительно к тросовой системе [12]. На рис.4.показана центробежная тросовая система диаметром 300 м на ТГК «Прогресс М» (проект 1996 г., РКК «Энергия»), как прототип системы центробежных волоконных лазеров.
Концепции построения лазерных КСЭС
Возможны две концепции создания КСЭС с лазерным каналом: первая – на базе каркасных или бескаркасных центробежных солнечных батарей, которые питают распределённые по их поверхности твёрдотельные ИК лазеры, которые в свою очередь запитывают волоконные лазеры, передающие энергию к общему центру и, далее, к потребителю; вторая – на базе только центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой.
По первой концепции уже сегодня существует элементная база и разработаны за рубежом проекты КСЭС с каркасными солнечными батареями с достаточно подробной технико-экономической проработкой [15].
Во второй вновь предлагаемой концепции использования волоконных лазеров с солнечной накачкой для КСЭС отпадает необходимость в солнечных батареях, производство которых в России практически отсутствует, и жёстком каркасе, составляющем значительную часть стоимости КСЭС. Опыт создания таких каркасов также отсутствует в мировой практике.
Рис.4. Центробежная тросовая система диаметром 300 м на ТГК «Прогресс М» (проект 1996 г., РКК «Энергия»), как прототип системы центробежных волоконных лазеров.
Задачи создания КСЭС
Широкое поле использования КСЭС, а также значительная стоимость из-за масштабности системы, предъявляют серьёзнейшие требования к выбору наиболее рациональных схемных и проектно-конструкторских решений с учётом последних и предполагаемых в перспективе научно-технических достижений для обеспечения возможно более низкой стоимости изделия, простоты конструкции, её высокой надёжности, удобства наземной отработки и эксплуатации в космосе, наличия отечественной элементной базы и научно-технического задела. Круг задач чрезвычайно широк: от повышения эффективности волоконных лазеров с солнечной накачкой, налаживания их промышленного производства, создания систем управления лазерным лучом высокой мощности на космическом корабле до методик наземной отработки агрегата раскрытия системы волоконных лазеров на орбите и создания наземного сегмента приёма энергии, а также создания маломасштабного прототипа КСЭС.
Оптимальной организационной формой ведения работ по системам беспроводной передачи энергии является включение их в крупную государственную уже принятую программу, например программу освоения Севера, где возможны не только разработка и создание, но и широкое внедрение. Возможна самостоятельная государственная программа (Президентский проект). В состав такой программы на первом этапе должны войти следующие работы:
- формирование кооперации соисполнителей и разработка программы;
- проектно-поисковые исследования по разработке волоконных лазеров с солнечной накачкой;
- освоение технологии масштабного производства волоконных лазеров с солнечной накачкой;
- создание и испытания демонстрационного прототипа космической системы дистанционного энергоснабжения на мощность 10-100 кВт;
- создание трехуровневой системы наведения лазерного пучка на наземные фотопреобразователи (системы наведения и стабилизации космического сегмента; системы лазерного пилот-сигнала с наземной антенны; двухкоординатной зеркальной системы на космическом сегмента);
- разработка агрегата раскрытия поля волоконных лазеров на центробежном принципе;
- разработка наземного сегмента для приёма лазерного пучка на базе гетероструктурных ФЭП и концентраторных солнечных батарей.
Отрадно, что Госкорпорации «Ростех» в лице её генерального директора Чемезова С.В. доложила в октябре 2015 г. премьеру Медведеву Д.А. об актуальности проблемы создания КСЭС. Корпорация готовит первый космический эксперимент «Солнечный лазер» по трансляции лазерного луча на Землю, как прототип КСЭС. Это начало пути. Необходима консолидация сил промышленности, академии наук и ВУЗов на решение проблемы создания крупномасштабных КСЭС.
Заключение
Развитие систем беспроводной передачи энергии способно кардинальным образом повлиять на определяющие стороны жизни страны. Это энергообеспечение, энергетическая и экологическая безопасность, информатизация и др. Паритет России по отношению к другим странам должен основываться на последних и ожидаемых в ближайшем будущем отечественных достижениях в лазерной и космической технике. Направление центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой обещает привести к инновационной технологии создания новейших информационно-энергетических систем беспроводной передачи энергии для решения широкого круга перспективных задач космической техники. Россия может стать обладателем уникальной технологии в области космического электричества, значительным образом подняв престиж самой космической техники в решении важнейших социально-экономических задач страны. Влияние такой технологии на международное и социально-экономическое положение России сложно переоценить. Ожидается, что при развитии она будет сопоставима с такой успешной отечественной отраслью, как атомная энергетика. Эта технология может стать альтернативой исчерпанию традиционных энергоресурсов и способствовать стабилизации климата. В России накоплен мощный задел в области волоконных лазеров. Волоконно-лазерные технологии, разработанные российскими учеными, общепризнанны мировым сообществом, занимают видное место на лазерном рынке и активно используются в различных областях науки, техники и медицины.
