«Не зелёная» часть солнечной энергетики (СКЭС)

Б.В. Сазыкин, д.т.н.

Помните на PRoАТОМе обсуждалось интервью, данное А.Б.Чубайсом «Российской газете» с заголовком «Прикурить от солнца»? Тогда шла довольно оживлённая дискуссия, в конце которой уважаемые коллеги переругались. Я полагаю, что виноват в этом был сам Анатолий Борисович. Он не определился с личностной позицией по данной проблеме.

С одной стороны, он говорил, что «15 процентов ВИЭ - больше точно не надо. А 30 процентов для нас - взрывоподобный рост. Он нам не нужен, потому что у нас есть относительно недорогой газ». А с другой – утверждал обратное (в своей «непринужденной» манере): «предположим, мы ничего не делаем. Говорим: да ну ее, эту возобновляемую, у нас дешевого угля и газа полно. Вроде бы мы даже выигрываем по экономике. Все прекрасно. Но проходит 3-5-7 лет, и выясняется, что уже дешевле строить солнечные станции, чем угольные».

Цель данной статьи – обратить внимание чиновников от энергетики, военных и учёных на отставание России от США, Японии, Китая в области солнечных космических энергетических систем (СКЭС) приблизительно на 35 лет.

«Есть резон дойти до цели, той, которая в прицеле…»

Мотивация написания статьи. Проблема СКЭС не столько проблема недальновидности руководителей страны и обслуживающих их экспертов. И даже не проблема стоимости кВт*ч «космической» электроэнергии, она решается путем снижения стоимости вывода полезного груза на орбиту, а проблема безопасности и развития экономики страны (инновационные технологии), социума (интеграция), политики (смена приоритетов в целеполагании).

В последнее время появились настораживающие сообщения в прессе. Сообщение МК RU (06.09.2020 г.): «Засекреченный китайский многоразовый космический корабль вернулся с орбиты». В комментариях соцсетей сравнивают этот многоразовый космический корабль с американским космическим беспилотникомX-37B компании Boeing. Беспилотники такого класса могут вести военную разведку, осуществлять функции космической оборонной инспекции и функции противодействия космическим средствам ПРО. К сожалению, экспертами не отмечена ещё одна возможная функция многоразовых космических беспилотников – функция космического «буксира» крупногабаритных космических конструкций (ККК) при межорбитальных перелётах с низкой околоземной орбиты (НОО), доставляемых туда многоразовыми космическими кораблями типа «Шаттл», «Буран», намечаемый к запуску «Орёл»(РУССКИЙ ДОЗОР, 13.09.2020 г.), а также обеспечивающих операции сборки ККК на НОО. Тем не менее, известно [1] о применении X-37B в регулярных экспериментах США по передаче солнечной энергии на Землю микроволновым модулем. Модуль фотоэлектрической высокочастотной антенны (PRAM) был создан военно-морской исследовательской лабораторией США (NRL). Ещё настораживает контекст «оргштатных мероприятий», проводимых Дональдом Трампом. Речь идёт о создании в США отдельного вида вооруженных сил — космических войск. Министр обороны Джеймс Мэттис заявил: «Необходимо впредь рассматривать космическое пространство как один из театров военных действий, и создание боевого командования — один из шагов в этом направлении, которые сейчас можно сделать» (ИЗВЕСТИЯ, 08.09.2020 г.). Понятно, что сегодняшний театр военных действий – это (в основном) низкие и средние орбиты спутников. Следовательно, нужно подниматься выше – на геостационарную орбиту (ГСО, 36 тыс. км) и там устанавливать СКЭС.

Двойное использование программ СКЭС. В настоящее время космическое командование США имеет в своем распоряжении порядка 350 спутников военного назначения, размещенных на НОО ина других орбитах, вплоть до ГСО – это, в основном, спутники связи и ретрансляции. Группировка спутников WGS на ГСО имеет пока около 10 спутников, обеспечивающих передачу потока данных на скорости до 2,2 Гбит/с всем устройствам современного стандарта C4ISR[2].В ближайшей перспективе оборонное ведомство США планирует вывести на орбиту группировку космических аппаратов, которая должна обеспечить решение информационных задач управления в интересах ПРО. В качестве потенциальных противников рассматриваются Россия и Китай, в связи с чем основными угрозами для группировок спутников, по утверждению военного эксперт аАлексея Леонкова, являются: кибернетическая атака на объекты космической инфраструктуры, находящиеся как на Земле, так и в космосе; работа комплексов РЭБ и РЭП, нарушающих связь и управление между элементами космической инфраструктуры; вывод из строя оптико-электронных систем космических аппаратов лазерным оружием; электромагнитный импульс, возникший в результате высотного или космического ядерного взрыва. Микроволновое HPM-оружие (High Power Microwave Weapons) не рассматривается. У России, тем более у Китая, HPM-оружия космического базирования просто нет... И, согласитесь, появление такого оружия не только ликвидирует «театр военных действий» в космосе, но и сделает вообще войну бессмысленной: нельзя вести современную войну «вслепую», без системы управления войсками.

По аналогии с атомным проектом СССР, программу создания космической солнечной электростанции (SSPS) нужно разделить на две программы: орбитальная часть – СКЭС, включающая подсистемы солнечных батарей, подсистемы ориентации и стабилизации солнечных батарей, подсистемы СВЧ–антенны, подсистемы ориентации и стабилизации СВЧ–антенны и т.д.(например, для схемы конструкции СКЭС типа Sun Tower), а также наземная,«зелёная» часть солнечной электростанции (СЭС). При таком подходе мы, во-первых, не нарушаем Договор 1967 года, который подписали США, запрещающий размещение в космическом пространстве оружияи, во-вторых, используем технологические достижения отечественных СЭС.

Достижения отечественных СЭС. В России построено около 25% от запланированных в 2013–2018 годах фотоэлектрических солнечных электростанций (СЭС).В строй введены СЭС общей мощностью приблизительно 550 МВт в 11 субъектах РФ. В табл. 1 представлены фотоэлектрические СЭС и их суммарная мощность по субъектам РФ[3].

По данным журнала СОК[3], лидерами управления основной части проектов СЭС являются:

· группа компаний «Хевел» — холдинг, работающий в солнечной энергетике и являющийся на данный момент крупнейшим в России. «Хевел» — компания, созданная группой компаний «Роснано» и холдингом «Ренова»;

· ООО «Солар Системс» — предприятие, учреждённое китайской компанией Amur Sirius Power Equipment Co., Ltd. В свою очередь, Amur Sirius является специализирующимся на работе с Россией подразделением китайской группы Harbin Electric Co., Ltd.

Таблица 1

Фотоэлектрические СЭС*и их суммарная мощность по субъектам РФ [3]

Научно-исследовательскими разработками СЭС занимаются: ОАО «НПП Квант» и ВИЭСХ (ВИМ) (Москва); ФТИ им. А.Ф.Иоффе (Санкт-Петербург); Самарский национальный исследовательский университет им. С.П.Королёва.

Проекты космических солнечных электростанций (SSPS)

Общая схема и проекты США. В 1968 г. П.Е. Глейзер предложил конструкцию SSPS. Идея состояла в развёртывании огромных солнечных батарей на основе кремниевых фотопреобразователей (или фотопреобразователей из арсенида галлия), размещённых на ГСО, затем преобразование электроэнергии в СВЧ излучение с помощью передающей антенны. Выпрямляющая антенна (ректенна) на Земле должна принимать энергию микроволнового излучения. Преобразование СВЧ энергии в постоянный ток осуществляется в элементах, встроенных в ректенну.

За инженерную реализацию идеи Глейзера взялись несколько крупных фирм США. Одна из них – «Боингаэроспейс» намерена была довести «идею» (какую из двух при двойном использовании??) до реализации, последовательно совершенствуя проекты. Облик фрагментов конструкции из ранних проектов фирмы (1977 г) показан на рис.1[4].

Рис.1. Проект фирмы «Боинг» (1977 г.) [4].

Технологическая процедура реализации SSPS фирмы «Боинг» (орбитальная часть) содержит следующие основные этапы.

1. С помощью тяжелых транспортных кораблей многоразового использования (ТКМИ) на НОО создается технологическая платформа, на которой осуществляется сборка отдельных крупногабаритных конструкций SSPS.

2. Межорбитальный транспортный многоразовый корабль (МТМК) доставляет астронавтов – монтажников и оборудование для сборки SSPS с технологической платформы на ГСО.

3. Электрореактивный межорбитальный транспортный корабль (ЭМТК) доставляет крупногабаритные конструкции с НОО на ГСО для окончательной сборки SSPS.

4. Окончательная сборка SSPS, ремонт, отладка, подготовка к эксплуатации подсистем, фокусировка и передача микроволнового пучка на ректенну.

Из более поздних проектов SSPS следует выделить проект SPS-Alpha, предложенный компанией Artemis Innovation Management Solutions (США). Проект был представлен на встрече NASA Innovative Advanced Concepts 2012 руководителем проекта Дж. Мэнкинсом [5]. По сути – это большая фазированная антенная решётка с зеркалами, положение которых регулируется индивидуально. Структурным элементом SSPS является гексагональная ферменная конструкция, на задней части которой расположены фотоэлектрические панели, а с обратной стороны размещены СВЧ-излучатели-передатчики, направленные в сторону Земли. Следует заметить, что эта идея излагалась автором данной статьи намного раньше, на ежегодных Гагаринских чтениях вначале 80-х годов прошлого века, а модель и результаты оптимизация гексагональной ККК были опубликованы в журнале «Космические исследования» в 1985 г. [6].

Проекты Японии. Япония занимается исследованиями в данной области, начиная с 80-х годов 20 века. Для создания SSPS объединились шестнадцать компаний, включая Mitsubishi Heavy Industries, которые, в основном, повторяют американский опыт.Япония рассматривает СВЧ-передачу электроэнергии по «базовому» и «прогрессивному» методам[5]. В «базовом методе» используется большая панель (ККК) размером 2500 X 2375 м. С одной стороны панели размещены фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, с другой - СВЧ-излучатели, передающие энергию на Землю. «Прогрессивный» метод отличается наличием двух зеркальных рефлекторов диаметром 2000 м, связанных с системой двух генераторов солнечной электростанции и с панелью передачи СВЧ-излучения. Но есть и оригинальный проект. На рис.2 представлен проект SunTower[5]. На рисунке «Башни» видны круглые системы плёночных фотопреобразователей, балочные конструкции системы ориентации солнечных фотопреобразователей и гексагональная СВЧ-антенна.

Рис.2. Японский проект Sun Tower

Но важно другое. В Японии определена новая политика освоения космоса и утверждены планы проведения исследований. И главное, принята и утверждена парламентом«Национальная программа разработки и создания солнечной электростанции Японии (SSPS)» гигаваттного класса к 2030 г. На эти цели выделено $21 млрд из государственного бюджета Японии. Текущие планы предусматривают поэтапное расширение исследований. Сначала будет продемонстрирована наземная передача энергии в киловаттном диапазоне мощности. Далее передача той же мощности из космоса. Исследования и эксперименты предусматривают создание опытного образца космической энергетической системы в диапазоне мощности в сотни киловатт, а к 2030 — в гигаваттном диапазоне [5, 7].

Китайская программа. Про программу КНР известно мало из-за её «двойного» использования. Предполагаемую космическую электростанцию (SSPS) государственное агентство «Синьхуа» описывает как «космические супераппараты на геостационарной орбите, оборудованные огромными солнечными батареями» [7]. Из доклада Китайской академии космической техники следует, что китайские власти начали финансирование этой программы еще в 2010 году. Китай планирует создать экспериментальную орбитальную солнечную электростанцию мегаваттного уровня мощности к 2030 году, а к 2050 году будет построена «экономически выгодная» станция гигаваттного уровня. И ведь построят!

Отечественные разработки. Российские ученые активно предлагали создаватьSSPS в середине 80-х годов прошедшего века. Например, МИФИ и ЦНИИмаш неоднократно озвучивали отдельные результаты проектов на ежегодных Гагаринских чтениях, МАИ и НПО имени Лавочкина на Академических чтениях по космонавтике. Кроме проектов ЦНИИмаш и НПО имени Лавочкина были предложены концептуальные проекты РКК «Энергия», ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», проект МИРЭА.

Все проекты были выполнены с разной степенью «проработки», тем не менее, решались и вполне конкретные инженерные задачи [6 ,8]. Например, была предложена модель оптимального проектирования [6, 9], которая применена к разработке крупногабаритной (180 метровой) космической конструкции (ККК). На рис. 3 показан силовой каркас модели гексагональной ККК SSPS, базовым (периодическим) элементом которой является тетраэдр, состоящий из графитo-эпоксидных стержней кольцевого сечения.

Рис. 3. Силовой каркас гексагональной ККК

Разработанная теория была применена (надо сказать, довольно успешно) для решения задачи демпфирования колебаний ККК и управления ККК на орбите. Экспериментальная проверка полученных результатов[8], выполненная на малоразмерной модели (в наземных экспериментах, см. рис.3), позволила установить их адекватность реальному поведению управляемой конструкции и подтвердила эффективность системы демпфирования.

Проблемы, которые сегодня необходимо решать. Из всего множества нерешённых проблем по созданию SSPS ключевыми являются следующие:

· Снижение стоимости вывода полезного груза на орбиту. Целевой ориентир - $1000 за 1 кг полезного груза.

· Увеличение эффективности преобразования солнечной энергии в электроэнергию. Целевой ориентир - общий КПД (от солнечного элемента постоянного тока к конечному съёму постоянного тока с ректенны) должен быть более 50 %.

· Изменение политики России в области солнечных космических энергетических систем. Целевой ориентир – принятие государственной программы по созданию SSPS и развитию сетевойназемной электроэнергетики, включая СЭС.

Выводы

1. Создание солнечных космических энергетических систем, предназначенных для энергоснабжения орбитальных и наземных потребителей из космоса, представляет собой реальную, технически выполнимую в настоящее время задачу.

2. Необходима государственная программа поэтапного создания солнечных космических энергетических систем (СКЭС) в России, как это сделано в Японии и Китае.

3. Государственная программа должна реализовать системный подход комплексного развития распределённой энергетики «двойного» назначения (оборонной тематики и солнечной электроэнергетической системы).

4. Разработкой СКЭС заставить США сесть за стол переговоров о подписании Международного соглашения (США, Россия, Китай) о запрете размещения космического оружия.

Литература

1.Электронный ресурс:

https://zen.yandex.ru/media/so...

2.Алексей Леонков, военный эксперт журнала "Арсенал Отечества", 12 августа 2019 https://zvezdaweekly.ru/news/t...

3. Развитие и реализованные проекты солнечной энергетики в России. Обзор, опубликованный в журнале СОК №9, 2019, стр. 74-79.

https://www.c-o-k.ru/articles/...

4. Гэтланд К., Шарп М., Скиннер Д. и др. Космическая техника. М.: «МИР», 1986

5. О концепции развития аэрокосмической энергетики в России на период до 2045 года. Опубликовано в журнале СОК №10, 2016.

https://www.c-o-k.ru/articles/o-koncepcii-razvitiya-aerokosmicheskoy-energetiki-v-rossii-na-period-do-2045-goda

6. Сазыкин Б.В. Многокритериальная оптимизация крупногабаритной космической конструкции//Космические исследования. – 1985. – Т. 23, вып.1. – С.84-91.

7.Электронный ресурс:

http://www.assemblingonspace.r...

8. Разработка и испытание модели крупногабаритной конструкции: Отчет/ДНЕПРПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ, - ОНИС 528, №86-3-380/31. – 1987.

9. Sazykin B.V. Sequential decision making in multicriterial optimization of nonlinear systems// Philosophy of nonlinear control systems. – Boston etc.: CRC Press,1990. – P. 370-390.

Источник: https://proatom.ru/modules.php...