Американские ВМС разрабатывают технологию добычи электроэнергии из космоса
Большие государства с развитой экономикой, говорящие на индоевропейских языках, всегда — и это правило без исключений — имеют большую армию, которая, как ружьё на стене, обязана начать стрелять. И она, разумеется, стреляет. Не смогли избежать такой закономерности и США, откуда и тяжесть вопроса топливного обеспечения их вооруженных сил. Так, Пентагон не просто крупнейший потребитель нефти на планете, а потребитель с чрезвычайно растущими аппетитами. В 2010 году оборонное ведомство этой страны купило топлива на $13,7 млрд, а уже в 2011-м — на $17,3 млрд. Кроме прочего, Пентагон доставляет топливо на театры боевых действий не сам, а через частные компании, берущие за это $25 за литр.
Очевидно, впрочем, что сохранение таких расходов необходимо, иначе нынешние планы США по сокращению военного бюджета до $490 млрд будет трудно выполнить: по прогнозам американского Минэнерго, уже через 20 лет нефть подорожает в полтора раза. Как избавиться от нефтяной удавки? Отдел научных исследований ВМС США предполагает для этого получать солнечную энергию с космических гелиоэнергетических платформ — с последующей её отправкой на Землю.
Американские исследователи рассчитывают на простой модульный прямоугольный блок, верхняя панель которого содержит фотоэлементы, преобразующие солнечный свет в электричество. Затем его превращают в радиоизлучение, и нижняя панель, функционирующая как передающая антенна, отправляет его точно в нужный земной район. Радиоволны могут показаться неочевидным выбором на фоне, скажем, лазеров, действующих в видимой части диапазона и способных благодаря когерентности передавать энергию с меньшим рассеиванием. Однако за этим решением стоит здравый смысл: если такой энергоисточник является основным, то он должен быть доступен в любую погоду, в то время как плотная облачность заблокирует лазерную передачу, причём в самый неподходящий момент.
Группа космической робототехники в составе Отдела научных исследований ВМС занимается созданием роботов-сборщиков, которые могли бы компоновать такие сэндвич-модули прямо на орбите. Чтобы предприятие имело экономический смысл, понадобится довольно большой квадрат из таких панелей — скажем, со стороной в один километр, что позволит получать сотни мегаватт солнечной энергии.
Второй тип разрабатываемого военными фотоэлементного блока предусматривает выполнение сэндвич-модуля с выставляемыми в космическое пространство охлаждающими боковыми пластинами, своим излучением рассеивающими тепло от солнечного нагрева в окружающее пространство. Так можно избежать падения КПД солнечных батарей за счёт перегрева и повысить долговременную живучесть «километрового» спутника.
Всё это может показаться довольно странным. Зачем переходить к космической гелиоэнергетике, когда Пентагон толком не принялся даже за наземную? Но любая ненефтяная по своему происхождению наземная энергия не всегда будет поставляться в нужное для военных время. Скажем, выработку атомных реакторов (весьма опасных на театре военных действий) трудно варьировать с большой скоростью, а потребление электричества на войне часто резко меняется. Солнце светит только полдня и во многих регионах может быть закрыто облаками, то есть его надо дублировать ТЭЦ, а это сохранение зависимости от топлива. Наконец, квадратный километр солнечных батарей в космосе получит столько энергии, сколько на Земле удастся собрать с десятка квадратных километров, да и перебросить энергию «оттуда» можно очень быстро и почти в любое место. Сделать то же самое в случае стационарных наземных станций вряд ли получится.
Пол Джаффе (Paul Jaffe), инженер из Отдела научных исследований ВМС США, замечает, что идея может показаться безумной, и всё-таки она вполне реализуема. Минбороны США уже убедилось на примере своих станций на Гавайях и в Калифорнии, что солнце экономит огромное количество топлива: стоимость тамошнего «солнечного» киловатт-часа плавает в районе 10 центов, то есть ниже того, что просят в большинстве штатов. Чуть хуже ситуация на передовых базах: американский корпус морской пехоты в Ираке вынужденно сочетал использование мощной экспериментальной гелиоэлектростанции с резервным дизель-генератором. В то же время, по расчётам инженера, при развертывании описанного выше километрового модульного спутника цена его киловатт-часа может упасть до уровня, получаемого на Земле.
Чтобы добиться этого, естественный солнечный свет имеет смысл сконцентрировать при помощи вспомогательной системы зеркал, которая будет размещаться за пределами упомянутого квадратного километра. Наземные испытания в вакуумных камерах показали, что разработанные г-ном Джаффе фотоэлементные модули вполне могут перенести концентрацию солнечного света, до десятка раз превышающую естественные значения на околоземной орбите и примерно соответствующие условиям Меркурия.
Вот только на передовых театрах боевых действий космическая электроподстанция окажется удобнее: она не потребует дорогостоящей автономной инфраструктуры, доставки тысяч тонн топлива, ожидания огромных уязвимых танкеров, без которых войска в самый решительный момент могут оказаться полупарализованными.
Кроме того, стоимость развёртывания космической гелиоэлектростанции вовсе не обязательно должна быть запредельной, подчёркивает разработчик. Нынешние модули, созданные его группой, довольно легки — вчетверо легче на единицу мощности, чем у ближайших конкурентов из Японии.
Передача энергии через атмосферу пока планируется на частоте в 2,45 ГГц, что, по словам Пола Джаффе, позволит устойчиво работать даже в сезон дождей над какой-нибудь тропической страной.
Как следует оценивать эту разработку? Сегодня — как довольно сложную в реализации. В мире, где запуск приличной ракеты стоит десятки миллионов долларов и это считается недорогим пуском, создание километрового массива на орбите выглядит мудрёно с чисто финансовых позиций. Однако, учитывая реальные шаги к частично многоразовым космическим аппаратам, ситуация может измениться уже в ближайшее десятилетие. И, быть может, тогда такие проекты будут выглядеть рутиной.
И последнее: стоит ли говорить, что подобные наработки военных довольно быстро станут достоянием гражданских отраслей, тоже озабоченных избавлением от нефтяной зависимости?
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.