Журнал «Вокруг Света» №01 за 2010 год
Шрифт:
Георгий Бурба
На связи, но не на привязи
Сегодня слово «беспроводное» — едва ли не главный символ прогресса в электронике. Но если задача бесконтактной передачи информации в основном решена, то с передачей энергии все оказалось не так просто. А между тем, избавившись от электрических проводов, можно было бы поставлять на Землю из космоса экологически чистую энергию Солнца и экономить миллионы тонн меди на линиях электропередачи. И разумеется, мобильник можно было бы заряжать прямо в кармане, ликвидировав на
Когда речь заходит о беспроводной передаче энергии, необходимо сделать важную оговорку. С точки зрения физики выпущенный из орудия линкора снаряд, который топит другой корабль, тоже переносит на расстояние энергию — кинетическую и химическую. И, заметьте, совсем без проводов! Так что, когда мы говорим о проблеме беспроводной передачи энергии, мы имеем в виду только передачу электроэнергии.
Причем передача эта должна осуществляться достаточно эффективно, чтобы энергию имело смысл использовать в повседневных целях. Человечество уже сотню лет успешно передает электроэнергию на расстояние при помощи радиоволн. Передатчик их излучает, приемник снова переводит в электричество, и мы слушаем, к примеру, джаз. Другое дело, что КПД этой передачи ничтожно мал. Принятой по радио энергии не хватает даже для работы наушников, из-за чего нам приходится регулярно менять батарейки в приемниках. Энергия радиоволн способна донести информацию с границ Солнечной системы, от летящего там зонда «Вояджер», но ей не под силу зажечь даже обыкновенную лампочку.
И наконец, в разговоре о беспроводной передаче энергии выделяются две существенно различные задачи: в одном случае цель в том, чтобы избавиться от надоевших проводов, которые путаются под ногами, а в другом — передать энергию туда, куда тянуть кабель крайне накладно, а то и просто невозможно.
Прожектор передает энергию для пропеллера радиоуправляемой модели самолета (NASA, 2002 год). Но из нескольких киловатт мощности прожектора солнечная батарея принимает и пускает в дело лишь десятки ватт. Год спустя вместо прожектора уже использовался лазер, благодаря чему удалось повысить КПД и сократить размер солнечной батареи. Фото: TOM TSCHIDA/DERC/NASA (х2)
Космические электростанции
Вопрос энергетической безопасности человечества стоит довольно остро. Запасы угля, нефти и даже урана с торием сокращаются. Перспективы термоядерной энергетики пока туманны. Между тем есть прекрасный и совершенно бесплатный термоядерный реактор, рассеивающий энергию направо и налево, — Солнце, и гелиоэнергетика развивается очень бурно. Однако на Земле, где бы ни построить солнечную электростанцию, есть как минимум одна проблема — ночь, а еще облака, пыль и прочие неудобства.
Напрашивается логичный вывод — следует перенести электростанции в космос, где Солнце светит круглые сутки. Например, «подвесить» их на геостационарную орбиту. Первым идею солнечной космической электростанции (СКЭС), поставляющей энергию на Землю, высказал в 1968 году американский ученый чешского происхождения Питер Глейзер, создатель лунного отражателя-дальномера, оставленного на нашем естественном спутнике экспедицией «Аполлон-11». Опубликовав идею в журнале Sciencе, он, как истинный американец, запатентовал свою концепцию. В те годы казалось, что воплощение этой идеи — дело ближайшего будущего. Но срок действия патента давно истек, а престарелый Глейзер только сейчас стал получать обнадеживающие сообщения о возможной реализации своей идеи.
В начале 2009 года американская корпорация Solaren подписала с калифорнийской энергетической компанией контракт о поставке 200 мегаватт электроэнергии космического производства с начала 2016 года. То есть всего через шесть лет фирма, где сейчас работают лишь около десятка человек, обещает не только построить электростанцию на геостационарной орбите, но и обеспечивать энергетические потребности четверти миллиона человек (200 МВт — это примерно пятая часть мощности Нижнекамской ГЭС, которая входит в десятку крупнейших ГЭС в России)! В том же 2009 году шестнадцать японских компаний, включая такого гиганта, как Mitsubishi,
Так что на бумаге (точнее, в Интернете) перспектива выглядит радужной. Но возьмем публикацию 30-летней давности — обзор В.А. Ванке, В.М. Лопухина и В.Л. Саввина «Проблемы солнечных космических электростанций», вышедший в журнале «Успехи физических наук» в 1977 году. О советских проектах в нем не упоминается, обсуждаются американские и японские: «...предполагаемый срок реализации — 90-е годы текущего столетия (эксперименты в космосе к 1985 году, прототип СКЭС к 1992 году, коммерческие экземпляры в 1997 году)». Выходит, ожидаемые сроки внедрения за три десятилетия так и не изменились и по-прежнему убегают за двадцатилетний горизонт. В космической энергетике, как и в термоядерной, научные и инженерные проблемы оказались более серьезными, чем представлялось первоначально. И самый сложный вопрос — доставка энергии на Землю. Ни провода, ни аккумуляторы для этого не годятся. Поэтому именно в контексте проектирования космических электростанций были впервые глубоко изучены проблемы беспроводной передачи энергии при помощи электромагнитных волн. Потери при этом происходят трижды: при переводе электричества в излучение, при прохождении излучения через атмосферу Земли и при обратном преобразовании его в электричество.
Для большинства видов электромагнитных волн земная атмосфера непрозрачна, поэтому широкого выбора у физиков не было. Направленная передача больших потоков энергии на большие расстояния возможна при помощи лазерного луча или пучка радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ). У обоих способов есть серьезные недостатки, причем лазер пока проигрывает соревнование.
Лазеры прямой наводкой
Казалось бы, лазер идеально подходит для передачи энергии на расстояние: он дает когерентный, почти не расходящийся пучок света с большой плотностью энергии, что облегчает прием луча и его преобразование в электричество. Однако именно высокая концентрация энергии делает эту технологию небезопасной. Конечно, не стоит представлять себе бьющий из космоса лазерный луч этакой невидимой (или даже, на оборот, пылающей) энергетической нитью, способной разрезать пополам случайно налетевший на нее самолет. Путь от геостационарной орбиты неблизкий — 36 тысяч километров, и даже идеально сформированный луч, пройдя такое расстояние, будет уже диаметром в пару сотен метров. Греть он будет в десятки раз сильнее полуденного Солнца, но реактивный самолет подвергнется такому облучению лишь на секунду и, скорее всего, выдержит (а вот пассажиры вполне могут получить ожог сетчатки). Иное дело — птица, случайно влетевшая в зону действия луча. Ее судьбе не позавидуешь, как и тем существам, по кому этот луч скользнет при малейшей ошибке в ориентации космической электростанции, например, из-за попадания метеорита или сбоя автоматики.
Но с проблемами безопасности можно было бы справиться, умей лазер эффективно передавать энергию. Не так давно японцы добились преобразования солнечного света в лазерное излучение с довольно приличным КПД — 42%. Существуют и приемники с неплохим КПД, превращающие лазерный свет в электричество. Но, увы, эффективные передатчики и приемники работают в разных спектральных диапазонах и совместно применяться не могут. Добавьте к этому невозможность использования лазерной передачи в пасмурную погоду — и перспективы этой технологии для космической энергетики станут еще более туманными. Зато лазерный канал можно использовать на Земле. Например, в японском Университете Кинки смогли 20 минут питать лазером двигатель мотодельтапланчика с размахом крыла около метра. Аналогичные работы проводились и в NASA.
Прототип космического лифта получает по лазерному лучу около киловатта энергии и с КПД 20% использует ее для подъема по свисающему с вертолета километровому тросу. В ноябре 2009 года на пятых ежегодных гонках космических лифтов этот аппарат, созданный компанией LaserMotive из Сиэтла, преодолел зачетный 900-метровый отрезок за 3 минуты 48 секунд (со средней скоростью 3,95 м/с), вы играв приз 900 000 долларов. Беспроводное питание — принципиальное условие соревнований, проводимых под эгидой Spaceward Foundation и NASA. Фото: /PHOTOLINK (x2