Энергия из космоса

Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. Само собой напрашивается решение: разместить солнечные энерго­станции в космосе, на около земной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесо­мость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

Как на самом деле будут вы­глядеть солнеч­ные кос­мические элек­тростан­ции (СКЭС), се­годня точно сказать нельзя. А к проектирова­нию СКЭС конструкторы приступили еще в конце 60-х гг. ХХ в.

Путь энергии от приемника электромагнит­ного излучение Солнца к розетке в квартире или блоку питания станка может быть различным. В самых первых проектах предлагался такой: солнечные батареи, вырабатывающие электричество – сверхвысокочастотный (СВЧ) передатчик на СКЭС – приемник на Земле – распределительные электрические подстанции. На практике это выглядело бы следующим образом: многокилометровые плоскости солнечных батарей на прочном каркасе; решетчатые антенны передатчиков; похожие на них (и тоже многокилометровые) приемники энергии на поверхности Земли… Вариант, как быстро выяснилось, далеко не идеальный.

Инженеры попытались вообще отказаться от использования солнечных батарей. Например, предлагалось с помощью различных преобразователей (скажем, зеркал) на станции превращать солнечный свет в тепло, кипятить рабочую жидкость и ее паром вращать турбины с электрогенераторами. Но и в таком варианте процесс получения энергии остается очень долгим: солнечный свет через тепло и механическое движение превращается в электричество, потом снова в электромагнитные волны для передачи на Землю, а затем опять в электричество. Каждый этап ведет к потерям энергии; приемные антенны на Земле должны занимать огромные площади. Но хуже всего то, что СВЧ-луч негативно влияет на ионосферу Земли, пагубно сказывается на десятках живых организмах. Поэтому пространство над антеннами необходимо закрыть для полетов авиации. А как уберечь от гибели птиц?

Те же проблемы возникают и при передаче энергии по лазерному лучу, который к тому же сложнее преобразовать снова в электрический ток. Полученную в космосе энергии более целесообразно использовать в космосе же, не отправляя ее на Землю. На производство тратится около 90 % вырабатываемой на планете энергии. Основные ее потребители – металлургия, машиностроение, химическая промышленность. Они же, кстати, и главные загрязнители окружающей среды. Обойтись без таких производств человечество пока что не в состоянии. Но ведь можно убрать их с Земли. Почему бы ни использовать сырье, добываемое на Луне или астероидах, создав на спутниках и астероидах соответствующие базы? Задача, безусловно, сложнейшая, и сооружение солнечных космических электростанций – только первый шаг к ее решению. С производством же электроэнергии для бытовых нужд справятся ветряки, бесплотинные ГЭС и другие экологически чистые энергоустановки.

Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение и причем не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на отдаленную от Земли орбиту. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную – орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно сделать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к «месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.

Но Солнце не единственный космический источник энергии, которым могут воспользоваться земляне. Не исключено, что на других небесных телах есть энергоносители, по своей мощности во много раз превосходящие имеющиеся на нашей планете. В поверхностных слоях лунного грунта, например, найдены запасы гелия-3, который на Земле отсутствует. Предполагается, что получить термоядерную энергию из этого изотопа проще, чем из других. Между тем считанные килограммы гелия-3 удовлетворят годовую потребность в энергии всего человечества.

Термоядерная энергия

Одним из перспективных источников получения электричества является освоение термоядерной энергии, т.е. энергии трития и дейтерия, содержащихся в неисчерпаемых количествах в воде океанов.

Во время химической реакции изменяются электронные оболочки атомов. В результате ядерной реакции иным становится строение атомного ядра – гораздо более прочного, чем атом. Поэтому при распаде тяжелых ядер (в реакции деления) или, наоборот, при слиянии легких (в реакциях синтеза), когда образуются ядра элементов средней массы, выделяется огромное количество энергии.

Например, при делении одного атома урана – реакции, используемой для получения энергии в современных атомных станциях, - выделяется около 1 МэВ энергии на каждый нуклон. (Нуклонами называют протоны и нейтроны, являющиеся составными частями ядер атомов.) В ходе реакции дейтерия D (тяжелого водорода, атом которого содержит в ядре нейтрон n) с протоном p синтезируется изотоп гелий-3, излучается γ-частица и выделяется примерно 5 МэВ энергии на один нуклон, т.е. в 5 раз больше:

1D2 + p → 2He3 + γ.

В природной воде один атом дейтерия приходится на 7 тыс. атомов водорода, но дейтерия, содержащегося в стакане воды достаточно, чтобы произвести столько же энергии, сколько можно получить при сгорании бочки бензина. В Мировом океане 4·1013 т дейтерия; его хватит всем жителям Земли на 4 тыс. лет.

Еще больше энергии выделяется в реакциях сверхтяжелого изотопа водорода – трития Т, в ядре которого два нейтрона:

1T3 + p → 2He4+ γ + 19,7 МэВ

1T3+1D2 → 2He4 + n + 17,6 МэВ

Трития в природе нет, но в достаточных количествах его можно получить в атомных реакторах, воздействуя потоком электронов на атомы лития:

N + 3Li7 → 2He4 + T

Однако осуществить эту реакцию весьма непросто: она начнется лишь в том случае, если ядра атомов сблизятся настолько, что возникнут силы ядерного притяжения (так называемого сильного взаимодействия). Это расстояние на пять порядков меньше размеров атома, и, пока электроны остаются на своих орбитах, они не позволят ядрам атомов сблизиться. Да и сами ядра до начала сильного взаимодействия расталкиваются кулоновскими силами.

Заключение

Итак, спор о том, что опаснее, а что выгоднее в производстве электроэнергии пока что не завершен. Да и вряд ли буде окончательно завершен в ближайшее время. Человечество постоянно совершенствует способы получения так необходимой ему энергии, в том числе электрической. Но будет ли у этого и другого нового способа будущее, и насколько они окажутся безопасными для человека и природы? Эти вопросы необходимо решать намного раньше, не дожидаясь аварий и катастроф, которые становятся более опасными по мере проникновения человеческого разума в тайны природы.