Штучне Сонце: плюси і мінуси проектів

Вчені давно замислювалися над тим, щоб було добре створити альтернативне джерело сонячного світла, яке було би особливо затребуваним в осінньо-зимовий період. Очевидно, що до повноцінного штучного Сонця ще далеко, проте багато що людству під силу вже зараз. Штучне Сонце: плюси і мінуси проектів.

Настала осінь, і скоро нас усіх чекають короткі дні і довгі темні ночі. А в деяких регіонах планети бувають і полярні ночі, коли Сонце вранці зовсім не з’являється з-за обрію або сходить лише на короткий час, іноді менше півгодини. На жаль, вуличні ліхтарі ніколи не замінять сонячного світла. Але чи можна знайти інше рішення? Чи можуть сучасні технології забезпечити нам штучне Сонце?

Звучить, звичайно, грандіозно, але насправді дещо ми вже здатні зробити. Мова йде про космічні дзеркала, які могли б відбивати сонячне світло і освітлювати певні регіони Землі в темний час доби. Подібні космічні “сонячні зайчики” знадобляться не тільки для освітлення міст, автострад і інших повсякденних потреб, але й, наприклад, для екстреного освітлення зони стихійних лих або бойових дій.

Світлий  “прапор” над світом

Перші досліди в області розробки “космічного прожектора” здійснила Росія. Це закономірно, враховуючи величезні простори і велику кількість північних міст. Проект “Знамя” був багатообіцяючим і почався цілком успішно.

Космічний корабель “Прогрес” став першим керованим космічним дзеркалом, яке освітило Землю

Російські вчені планували вивести на орбіту 20-метрове дзеркало, яке повинно було освітлювати Землю вночі. Оскільки монолітне металеве дзеркало такого діаметру на орбіту вивести неможливо, було вирішено використовувати дзеркало з тонкої світло відбивної плівки. Розгортання такого великого полотнища з найтоншого нетривкого матеріалу саме по собі є найскладнішою інженерною задачею. У підсумку була обрана досить “мудрована” конструкція: на борту вантажного космічного корабля “Прогрес М-15” встановлювалося вісім котушок з смугами світло відбиваючої поліетилентерефталатної плівки товщиною всього 5 мкм. Дана плівка сьогодні широко використовується практично повсюдно: від упаковки продуктів до створення металізованих сонячних вітрил.

На орбіті космічний корабель повинен був почати обертатися, а котушки поступово розмотувати плівку. Під дією відцентрової сили дзеркало розгорталося, а спеціальне гнучке кільце забезпечувало круглу форму дзеркала.

Проект “Знамя” довів ефективність космічного дзеркала в справі освітлення великих ділянок земної поверхні

4 лютого 1993 експеримент “Знамя-2” був успішно здійснений. Двадцятиметрова дзеркало з найтоншої алюмінізорованої плівки розгорнулося в штатному режимі і освітило Землю. Оскільки “Прогрес М-15” мчав по орбіті з величезною швидкістю, “сонячний зайчик” діаметром близько 5 км проносився по поверхні Землі так само швидко – із швидкістю 8 км / с. Тому “чарівного сходу” посеред ночі жителі Європи не спостерігали – лише яскравий спалах в небі. Пляма світла від “Прапора-2” пробігло від Франції до Білорусі, де його застав схід Сонця. Незважаючи на те, що над Європою була суцільна хмарність, багато людей бачили спалах світла. Німецькі метеорологи навіть зафіксували освітленість від світлової плями “Знамя-2″, вона склала приблизно 1 люкс (1 люмен на квадратний метр). Для порівняння, яскравість 60-Вт лампочки розжарювання становить 700-800 люмен. На перший погляд, космічне дзеркало світило зовсім тьмяно, але слід пам’ятати, що воно мало не таку вже й велику площу відбивної поверхні, так, до того ж, висвітлювало не кімнату в 10 кв. м, а коло діаметром 5000 м. У цілому учені порівняли світло від ” Знамя -2″ зі світлом повного Місяця, що для 20-м дзеркала дуже непогано.

Експеримент “Знамя-2” привернув увагу світової громадськості і довів можливість освітлення Землі за допомогою космічного дзеркала. Тому російські вчені підготували наступний експеримент цієї серії – “Знамя-2, 5”. Це був перехідний етап перед створенням “повнофункціонального” 200-м дзеркала, яке могло б висвітлювати на порядок більші регіони.

У ” Знамя -2, 5″ використовувалися ті ж технології, що і в першому експерименті, тільки дзеркало було на 5 м більше – діаметром 25 м. Воно повинно було дати світлову пляму розміром близько 8 км. 4 лютого 1999 дзеркало, встановлене на борту транспортного космічного корабля “Прогрес М40”, почало розвертатися, але зачепилося за антену і заплуталося в ній. Експеримент не вдався, і корабель затопили в океані.

Третій проект, “Знамя-3” так і не відбувся.

Майбутнє космічних дзеркал

У червні 2012 року в Італії пройшла 25-а міжнародна конференція ECOS 2012, присвячена перспективним шляхам розвитку екологічно чистої енергетики. На цьому заході також обговорювалися й переваги космічних дзеркал, які освітлюють  Землю.

Справа в тому, що наша планета отримує від Сонця 2×1014 КВт енергії, а на відстані геостаціонарної орбіти (35 786 км) – у 45 разів більше. Винос колекторів, які збирають енергію Сонця, в космос вирішує багато проблем. Перш за все, це економить корисний простір, оскільки величезні поля сонячних панелей на Землі будуть займати занадто багато місця, зажадають потужних опорних конструкцій, силових приводів для стеження за Сонцем і т.д. Але, на жаль, ККД сучасних сонячних панелей дуже низький, і вони за свій термін служби в космосі просто не окупляться. Інша справа дзеркало: відносно дешева і проста конструкція без складної електроніки може направляти додаткове сонячне світло на невеликі наземні колектори, а також висвітлювати міста і сільськогосподарські угіддя.

Цікаво, що щільність сонячної енергії в звичайний погожий літній день на нашій планеті в середньому дорівнює 1,36 кВт/м2. Таким чином, замінити сонячне світло сонячним ж “зайчиком”, взагалі-то, не так вже й складно. Створення великих дзеркал розміром з невелику країну до недавнього часу було фантастикою. Однак з появою сучасних комп’ютерних технологій створення масиву окремих автономних апаратів, що працюють в єдиній мережі, є технологічно виконаним завданням.

За цією формулою кожен може розрахувати діаметр дзеркала і висоту орбіти, необхідні для освітлення його рідного населеного пункту

Ключовим питанням залишається лише транспортування великої маси вантажів на орбіту. Вартість транспортування  тонко плівкового дзеркала сьогодні становить кілька тисяч доларів за кілограм. Якщо брати далеко не найсучасніше дзеркало проекту “Знамя” із щільністю 22 г/см2, то виходить вельми “сумна” сума, яка більшості країн не по кишені. Але сучасні технології дозволяють створити дзеркала з удвічі меншою масою. До того ж, в даний час розробляються проекти важких ракет-носіїв, на зразок американської SLS, здатної виводити на низьку навколоземну орбіту 140 тонн вантажу.

За розрахунками фахівців НАСА, транспортування дзеркала діаметром 1 км коштує 80 300 000 дол або 102,3 дол за 1 кв.м *. Для реалізації масштабних проектів потрібно радикальне зниження вартості виведення вантажів на орбіту: приблизно до 200 дол за кілограм вантажу.

Є й інший нюанс. Справа в тому, що чим вище орбіта, тим більше за розміром сонячний “зайчик” і менше енергії спрямовується на квадратний метр поверхні. Наприклад, при орбіті заввишки 800 км для передачі сонячного світла з щільністю енергії 1 КВт на 1 м2 земної поверхні і безперервного освітлення вибраної ділянки Землі достатньо лише кількох десятків дзеркал площею 1 кв. км (для порівняння, площа основи піраміди Хеопса дорівнює 0.05 кв. км, тобто в 50 разів менше). На геостаціонарній орбіті заввишки 35,8 тис. км для досягнення того ж рівня освітленості доведеться споруджувати дзеркало площею 150 тис. кв. км – це менше площі Білорусі (207 тис. кв. км) і складає приблизно половину площі Польщі. Це, безумовно, гігантське дзеркало, але воно змогло б безперервно висвітлювати величезний регіон: круг діаметром 3329 км – це територія від Смоленська до Новосибірська і від північної морського кордону Росії до китайського кордону з Киргизією, попутно світло накрив би весь Кавказ і Казахстан. При цьому дана територія за рік отримувала б додаткових 41200 Едж енергії, при нинішньому загально планетних споживаних  в 500 Едж.

Сучасні технології дозволяють розгортати в космосі набагато більш легкі і великі дзеркала, ніж 20-му “Знамя”

Правда, створення такого дзеркала є справою дуже неблизького майбутнього, оскільки при сучасних ракетних технологіях вивести на орбіту такий комплекс можна буде мінімум за кілька сотень років, та й то зусиллями всієї планети. Також досить важко спрогнозувати, наскільки радикально змінить клімат і функціонування біосистем таке дзеркало, яке створює “вічний літній день”.  Адже цикл дня і ночі дуже важливий для всього живого, до того ж додаткова теплова енергія створить абсолютно новий кліматичний фактор.

Переломний момент

Людству вже до снаги зібрати в космосі дзеркало, яке буде світити в десятки разів яскравіше, ніж повний Місяць. Вигода очевидна: для освітлення використовується “безкоштовна” енергія Сонця; висвітлити можна відразу великий регіон або місто; в кілька разів підвищити віддачу енергії наземних сонячних електростанцій; космічна система освітлення не боїться ніяких земних катаклізмів на зразок землетрусів і ураганів. Також подібне дзеркало могло б продовжити вегетаційний період корисних рослин.

Складнощі реалізації великих проектів космічних дзеркал і раніше полягають лише в недосконалості технологій виведення вантажів у космос. На геостаціонарній орбіті (оптимальної для дзеркала) треба споруджувати космічне дзеркало величезній площі. У свою чергу, на більш низьких кругових орбітах для безперервного освітлення ділянки Землі доведеться використовувати безліч окремих дзеркал, що також аж ніяк не здешевлює проект і до того ж впирається в проблему космічного сміття. Але, так чи інакше, у людства є цікава можливість підвищити комфортність свого проживання не в рамках окремо взятого приміщення, а великого міста або цілого регіону. У найближчому майбутньому, можливо, з’являться нові технології доставки вантажів у космос, будуть створені технології виготовлення космічних дзеркал за допомогою, наприклад, наночастинок на основі метаматеріалів. І тоді, нарешті, людство зможе реалізувати давню мрію і створити своє штучне Сонце в нічному небі.

Натхнення: http://rnd.cnews.ru