Перспективная продукция

Наиболее простой космической продукцией являются кремниевые пластинки, выпиливаемые из монокристаллического цилиндрического образца, которые используют в качестве заготовок при изготовлении интегральных микросхем (чипов). Образцы вытягивают из расплавленного кремния способом, аналогичным тому, каким в прошлом вытягивали сальные свечи. Затем образец разрезают на тонкие пластинки диаметром 50, 75 или 100 мм. Пластинки полируют, на них наносят микросхемы и вырезают отдельные чипы. Но при каждой операции обработки инструментом образца кремния часть его теряется, много кремния отбраковывается из-за структурных и других несовершенств. Выход готовой продукции (чипов) составляет только 33% первоначальной массы кремния и только 8% составляют товарную продукцию.

Специалисты фирмы «Макдоннел Дуглас» считают, что в космосе производство кремния будет более эффективным. Непрерывная лента толщиной 0,025 мм может быть вытянута из кремниевого слитка, расплавленного в солнечной печи. Считается, что при таком способе производства ленты будет использован весь кремний, а выход товарной продукции превысит 33%. По оценкам специалистов фирмы «ТРВ», если масса такой ленты составит лишь 10% требуемой по прогнозу на 1990 г., стоимость ее будет 440 млн. долл. в год. Годовая продукция составит около 20 т; такое количество кремния можно доставить из космоса на Землю за два полета МТКК «Спейс Шаттл». Дополнительной товарной продукцией могут стать элементы для солнечных батарей спутника.

Ожидается, что волоконная оптика, которая в настоящее время начинает широко использоваться для передачи сигналов и рассматривается как наиболее перспективный способ передачи информации, заменит медный провод и микроволновые линии. Но производимые на Земле волокна имеют трещины, обусловленные внутренними напряжениями, что ограничивает их применение. По оценкам специалистов фирмы «ТРВ», экономия при производстве оптического стекловолокна в космосе составит около 60 тыс. долл. на килограмм. По мнению специалистов фирмы «Сайенс аппликэйшн», в 2010 г. стоимость этой продукции составит 69-690 млн. долл.

Сферы из полистирола диаметром в несколько микрометров могут оказаться первой товарной продукцией из космоса. Сферы диаметром меньше 2 и больше 40 мкм, которые широко используются при калибровке электронных микроскопов, микрофильтров и медицинской диагностической аппаратуры, изготовить достаточно легко. Но осаждение и расслоение материала в процессе полимеризации препятствуют получению сфер диаметром 2-40 мкм с необходимой степенью круглости поверхности. В настоящее время существует потребность и в сферах этого диапазона размеров. Получение латексовых шариков во время второго полета МТКК «Спейс Шаттл» позволит впервые проверить эту идею.

Если к концу века будут созданы термоядерные энергетические установки с лазерной накачкой, то потребуются и мишени для таких реакторов. В этих установках реакция термоядерного синтеза поддерживается путем взрывов сфер малого диаметра, содержащих смесь дейтерия и трития, при воздействии на них коротких мощных импульсов лазерного излучения. Термоядерное топливо (смесь дейтерия и трития) должно быть заключено внутри сверхтонкой стеклянной оболочки. Ожидается, что изучение особенностей протекания такого процесса в космосе приведет к повышению эффективности работы термоядерных установок на Земле. Кроме того, применение выплавленных в космосе высококачественных стекол будет способствовать повышению уровня мощности лазеров, необходимому в данной схеме термоядерного реактора. Одним из потенциальных «товаров» будущего космического производства могут стать драгоценности. По оценкам специалистов фирмы «Сайенс аппликэйшн», стоимость этого вида продукции составит 52- 520 млн. долл.

Наконец одним из самых перспективных направлений представляется производство в космосе фармацевтических препаратов. По оценкам экспертов фирмы «Макдоннел Дуглас», стоимость изготовленных в космосе препаратов может составить около 23 млрд. долл. Некоторые из них не имеют выраженной в денежных знаках цены, поскольку они вообще не могут быть изготовлены на Земле, но позволят спасти жизни нескольких тысяч людей в год. Можно ожидать, что, когда для изучения биохимических процессов, протекающих в человеческом организме, будет разработана более чувствительная аппаратура, могут быть открыты некоторые уникальные препараты. Понятно, что в свете больших достижений в области генной инженерии может утратиться актуальность этого направления деятельности в космосе. Если удастся «настраивать» клетки ткани на производство определенного гормона, то будут решены многие проблемы производства необходимых препаратов. Но даже в этом случае, как считают эксперты НАСА, на борту космических аппаратов полученный препарат будет подвергаться окончательной очистке.

Наиболее подходящими образцами для производства в космосе являются следующие биологические препараты: эритропоэтин, вырабатывающий красные кровяные тельца и применяемый для лечения заболеваний почек и крови; антигемофилитические средства, вызывающие свертывание крови при гемофилии; урокиназа, тормозящая свертывание крови при инфарктах и тромбофлебитах, и бета-клетки, способные вырабатывать единственный препарат, применяемый для инъекций при сахарном диабете.

Генеральный директор фирмы «Макдоннел Дуглас» Э. Ф. Брэнал привел оценки специалистов фирмы, согласно которым для производства годового количества антигемофилитического препарата (AHF-8) в космосе потребуется около 20 электрофоретических установок, в то время как на Земле для производства такого же количества этого препарата нужно около 5000 установок. Для производства потребляемого в год количества эритропоэтина (136 г) в космосе потребуется 75 установок вместо 30 000 на Земле.

«Если бы даже пациент имел возможность приобрести лекарство по очень дорогой цене (затрачивая около 69 тыс. долл. в год), он не смог бы купить его в требуемом ему количестве, поскольку при существующей технологии на Земле его производство недостаточно, и маловероятно, что в обозримом будущем оно станет коммерчески выгодным»,- говорит Брэнал.

На бортовых электрофоретических установках эти лекарства могут производиться в больших количествах и более высокого качества. Годовую потребность в бета-клетках, составляющую около 2,27 кг, обеспечат две установки. Такое количество препарата на Земле изготовлено быть не может.

Уверенность фирмы «Макдоннел Дуглас» в перспективности производства материалов в космосе столь велика, что она первой подписала контракт с НАСА на совместное проведение работ по космическому производству. В настоящее время еще три фирмы ведут переговоры с НАСА.

Летом 1979 г. вступило в силу «Руководство о совместных программах НАСА и американских региональных фирм по производству материалов в космосе». Как следует из руководства, совместные эксперименты преследуют две цели: 1) осуществление научно-исследовательских программ, направленных на достижение и (или) удержание лидерства США в области космического производства; 2) стимулирование коммерческого применения технологии космического производства.

НАСА предлагает следующие формы совместного сотрудничества: предоставление времени для работы на борту МТКК «Спейс Шаттл» с назначением сроков полета и его стоимости администрацией НАСА; обеспечение оборудованием и технической консультацией участвующих организаций; участие в совместных исследованиях и демонстрационных программах, при котором каждая из участвующих фирм оплачивает свою долю.

В настоящее время НАСА рассматривает три варианта участия частных промышленных фирм в космическом производстве: при финансировании работ правительством, при совместном финансировании и финансировании всех работ частными фирмами.

Для развития промышленности в космосе необходимо обеспечить большие космические станции мощными энергетическими ресурсами. В начале 70-х гг. в НАСА была предложена идея создания модульной конструкции обитаемой орбитальной космической станции, а фирма «Макдоннел Дуглас» провела детальные ее проработки. Было предложено собирать станцию из блоков, предварительно изготовленных на Земле и доставленных на орбиту в грузовом отсеке МТКК «Спейс Шаттл». Однако из-за сокращения ассигнований на осуществление космической программы США и увеличения стоимости разработки МТКК «Спейс Шаттл» этот проект пришлось отложить. Советский Союз, со своей стороны, также рассматривал проблему создания крупной космической станции, основной блок которой выводится первыми двумя ступенями мощного носителя одноразового использования. К этому блоку с двух сторон пристыковываются лаборатории со специалистами, которых будут периодически заменять с помощью космических кораблей многоразового использования. Особый интерес представляет перспектива развертывания производства материалов и изделий в уникальных условиях невесомости и космического вакуума с использованием «неиссякаемого» источника энергии - Солнца. Эксперименты, выполненные во время полетов космических кораблей и станций «Аполлон», «Скайлэб», по программе ЭПАС («Союз» - «Аполлон»), «Союз», «Салют», а также проведенные на борту непилотируемых исследовательских ракет, свидетельствуют, что производство материалов в космосе - одно из наиболее перспективных направлений практического использования космоса.

Наряду с этими разработками Советский Союз и США относят к космическому производству и такие важные проекты, как платформы связи (с. 66) и космические солнечные электростанции (с. 235). В США во время первого демонстрационного полета МТКК «Спейс Шаттл» планируется изготовление элементов конструкций с помощью специальной автоматической установки, которая будет размещена в грузовом отсеке МТКК.

Эта установка создана по принципу агрегата для производства цельнотянутых водосточных желобов для домов. Элементы конструкции изготавливаются методом прессования из плоской алюминиевой ленты, намотанной на барабаны; в этой же установке точечной сваркой прикрепляются поперечины, придающие жесткость конструкции. В других методах изготовления элементов конструкций используются некоторые композиционные материалы, которые практически не чувствительны к изменениям температуры, вызывающим деформацию конструкции.

Для космического производства проверялись и другие конструкционные материалы, включая стеклянные волокна, пропитанные полиэфирной смолой. Этот материал, сначала мягкий и эластичный, под действием ультрафиолетового солнечного излучения становится твердым и жестким. Прототип элемента конструкции размером 2,1 X 0,9 м, изготовленный фирмой «Хьюджес эйркрафт», в 1979 г. был испытан в Центре космических полетов им. Маршалла.

Эксперименты, выполненные в СССР ¹

Советский Союз проводит активные исследования в области космического производства. Первый из известных технических экспериментов был выполнен на борту космического корабля «Союз-6» в 1969 г. На установке «Вулкан» отрабатывались различные методы сварки электронным лучом.

На борту орбитальной научной станции «Салют-5» (июнь 1976 г.- август 1977 г.) впервые был установлен комплект приборов для проведения исследований по разработке научных основ космического производства. В этот комплект входили приборы:

1 «Сфера» - для осуществления процессов расплавления и последующей кристаллизации в невесомости образцов из четырехкомпонентного эвтектического сплава (висмут, свинец, олово, кадмий).

2 «Кристалл» - для выращивания из водного раствора кристаллов алюмо-калиевых квасцов.

3 «Диффузия» - для изучения процессов массопереноса в расплаве органических материалов (дибензил и толан).

4 «Реакция» - для расплавления никеля и марганца, а также пайки трубок диаметром около 15 мм из нержавеющей стали.

Эксперименты проводились экипажами кораблей «Союз-21» и «Союз-24».

Следующий этап работ по производству материалов в космосе проводился на борту орбитальной научной станции «Салют-6», которая была выведена на орбиту 29 сентября 1977 г. Из оборудования, выведенного на орбиту непосредственно со станцией или доставленного туда позже, а также выполненных экспериментов упомянем следующее:

1 Электронагревательная печь «Сплав».

2 Выполненный на электронагревательной печи «Сплав» эксперимент «Морава» (подготовлен специалистами Чехословакии).

3 Эксперимент «Сирена», проведенный с целью получения полупроводниковых материалов (подготовлен специалистами Польши).

4 Электронагревательная печь «Кристалл», предназначенная для получения монокристаллов различных материалов.

5 Эксперимент «Беролина» - еще одна попытка получить чистые полупроводниковые материалы (подготовлен учеными ГДР).

Электростанции в небе К. Гэтланд (Великобритания)

Способна ли космическая техника помочь преодолеть энергетический кризис? Этот вопрос можно поставить более конкретно: осуществима ли идея улавливания в космосе «неисчерпаемой» энергии солнечного излучения и передачи ее на Землю?

Космические солнечные электростанции (КСЭ) должны быть размещены в экваториальной плоскости на околоземной круговой орбите высотой около 35 880 км (геостационарная орбита). При таком расположении они движутся с той же угловой скоростью, что и Земля, и для наблюдателя, находящегося на Земле, будут казаться неподвижно парящими в небе, подобно уже применяющимся спутникам глобальной связи.

К. П. Феоктистов, советский космонавт и конструктор космических кораблей, полагает, что подобные электростанции могут быть созданы в ближайшие 20-30 лет. Чтобы построить одну такую станцию, потребуется вывести на орбиту около 100 000 т груза. Он считает, что один из возможных способов состоит в выведении конструктивных элементов в виде рулонов металлической ленты, из которой в космосе собираются панели площадью в несколько квадратных километров. При современной грузоподъемности ракет-носителей для решения задачи потребуется около пяти тысяч запусков. Создание в качестве первого шага средств выведения, способных доставлять на орбиту около 200 т полезного груза, - трудная, но разрешимая проблема.

Космические солнечные электростанции должны выдержать конкуренцию с другими более доступными источниками энергии, которыми в XXI в. могут стать:

1 Электростанции с ядерными реакторами деления.

2 Электростанции с ядерными реакторами синтеза.

3 Приливные электростанции.

4 Электростанции, использующие энергию волн.

5 Ветровые электростанции.

6 Наземные солнечные электростанции.

7 Электростанции, использующие энергию теплых океанских течений.

8 Электростанции, использующие энергию нагретых горных пород в глубине Земли.

Одни источники энергии могут оказаться перспективнее других, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Окончательное заключение, к сожалению, можно будет сделать только после длительного изучения всех возможных вариантов с учетом стоимости, безопасности и надежности.

Схемы КСЭ

В 1968 г. П. Е. Глезер (фирма «Артур Д. Литтл») предложил концепцию космических солнечных электростанций. Идея заключалась в развертывании огромных солнечных батарей для улавливания солнечного излучения с целью фотоэлектрического преобразования его в электроэнергию.

Выработанную электроэнергию можно передавать на Землю в виде микроволнового излучения, где оно будет преобразовано обратно в электроэнергию и использовано в промышленных энергетических системах.

Концепция, навеянная фантазиями Жюля Верна и Герберта Уэллса, вначале была встречена инженерной общественностью с большим скептицизмом, но постепенно техническая идея, выдвинутая Глезером, получила признание, и космические солнечные электростанции заняли достойное место среди других энергетических систем, изучаемых правительственными агентствами.

В 1972 г. НАСА заключило с фирмой «Артур Д. Литтл» контракт на сумму 197 400 долл., направленный на изучение основных технических проблем создания космических солнечных электростанций. К этой работе были подключены и другие наиболее крупные аэрокосмические фирмы. Перед фирмой «Грумман аэроспейс», построившей лунную кабину космического корабля «Аполлон», была поставлена задача разработать космическую платформу для солнечной электростанции.

Одна из наиболее крупных фирм США, проявившая интерес к будущему солнечной энергетики («Боинг аэроспейс»), намеревается довести концепцию космических солнечных электростанций до инженерной реализации. Она рассматривает конструкцию размером с небольшой город и мощностью, в два раза превышающей мощность самой крупной в США гидроэлектростанции Гранд-Кули. Потребуется 45 таких гигантских спутников, чтобы производить электроэнергию в количестве, вырабатываемом в США в настоящее время. Это позволит высвободить нефть, уголь и их производные для других нужд.

Большие платформы, висящие на геостационарной орбите, 99% времени будут освещены Солнцем и только в течение коротких периодов времени весной и осенью будут заходить в тень Земли.

Субсидируемая из частных фондов, предназначенных на проведение научных исследований, а также по контрактам НАСА и других правительственных агентств фирма «Боинг» сосредоточила свое внимание на двух основных схемах солнечных электростанций: фотоэлектрической схеме, впервые предложенной Глезером, и схеме с использованием теплового цикла Брайтона. Каждая электростанция должна производить 10 000 000 кВт, что достаточно для удовлетворения потребностей миллиона семей.

С учетом возможного прогресса в повышении к. п. д. солнечных элементов спутник с фотоэлектрическим преобразованием энергии будет иметь прямоугольную форму длиной около 24,8 км и шириной около 5,2 км (площадь около 129 км²). На такой огромной площади будет смонтировано около 14 млрд. солнечных элементов. Полная масса космической станции будет составлять 80 000-100 000 т.

Основой конструкции станции, работающей по циклу Брайтона, являются четыре параболических концентратора солнечной энергии, каждый около 5,6 км шириной, имеющих вид огромных бочек, занимающих в космосе около 24 км. Каждый концентратор будет состоять из тысяч управляемых сверхтонких пластиковых отражателей, предназначенных для фокусирования солнечного излучения в куполообразном полостном абсорбере.

Рабочий газ, проходя через абсорбер, нагревается и расширяется в турбогенераторах электростанции, вырабатывающих электроэнергию, после чего перекачивается в большие оребренные радиаторы, в которых охлаждается перед возвращением в полость абсорбера.

Расчеты показали, что космическая электростанция, работающая по циклу Брайтона, будет иметь практически ту же полную массу, что и фотоэлектрическая электростанция.

Каждая система имеет свои преимущества и недостатки, но обе можно рассматривать как примеры будущих крупногабаритных космических сооружений. Преимуществом фотоэлектрической станции является простота конструкции. Однако по современным представлениям солнечные элементы будут иметь более низкий к. п. д., чем тепловые установки, и более высокую стоимость производства. Станции, работающие по циклу Брайтона, являются сложными сооружениями, однако они имеют более высокий к. п. д. преобразования солнечной энергии.

Микроволновые пучки

В любой из рассмотренных систем энергия генерируется в виде постоянного электрического тока, который должен быть преобразован в энергию микроволнового излучения, передаваемого на Землю двумя передатчиками на каждой космической электростанции. Передающая антенна имеет поперечный размер около 1 км. Наземные приемные антенны преобразуют микроволновое излучение в постоянный ток.

Еще раз отметим беспрецедентные масштабы сооружений. Образующие электрические цепи выпрямительные антенны (ректенны) размером около 9,5 Х 13 км могут быть смонтированы в полосы высоко над поверхностью Земли, чтобы пространство под ними можно было использовать для нужд сельского хозяйства.

Выработанную спутниками электрическую энергию можно передавать на Землю также лазером, позволяющим теоретически сконцентрировать энергию в пучок, для приема которого на Земле потребуются устройства, имеющие размеры, исчисляемые метрами, а не километрами. К сожалению, использование лазерных пучков связано с большими трудностями. Во-первых, эффективность преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения и обратно очень низка. Во-вторых, поглощение лазерных пучков атмосферой и облаками в несколько раз уменьшает общую эффективность передачи энергии.

Аргументы против КСЭ

Критиков программы космических солнечных электростанций смущает возможное влияние микроволновых пучков на окружающую среду. Можно ли избежать неблагоприятного влияния КСЭ на флору и фауну и не ограничит ли это влияние мощность станции настолько, что она будет экономически нецелесообразной? Не будут ли микроволновые пучки, нагревая атмосферу, оказывать неблагоприятное влияние на окружающую среду? Что произойдет, если пучки отклонятся от заданного направления и случайно попадут на регионы с высокой плотностью населения?

Высказывают сомнения и радиоастрономы. Уже в настоящее время наземные и спутниковые системы связи создают помехи в части диапазона волн, которые астрономы используют для наблюдения Вселенной. Их, безусловно, беспокоит влияние, которое может оказывать на их исследования излучение со спутников мощностью не в десятки, а в миллионы или тысячи миллионов ватт.

Некоторые инженеры-энергетики утверждают, что лучшей альтернативой могут оказаться наземные солнечные электростанции в комбинации с другими источниками энергии. Другие отдают предпочтение ядерной энергетике как более реальной, в особенности если с помощью термоядерных реакторов удастся извлекать огромные запасы энергии из морской воды.

Советский Союз продолжает развивать атомную энергетику. Академик А. П. Александров, президент АН СССР, утверждает, что угольные тепловые электростанции наносят окружающей среде значительно больший ущерб, чем ядерные электростанции. О солнечных электростанциях он высказывается менее оптимистически. По его мнению, низкая средняя плотность потока энергии солнечного излучения, падающего на поверхность Земли, не позволяет надеяться на создание экономически конкурентоспособных больших наземных солнечных электростанций. Создание же таких электростанций в околоземном космосе вряд ли окажется целесообразным из-за высокой стоимости и экологических трудностей.

Перспективы развития КСЭ связаны с достижениями в области строительной механики и преобразования энергии. Естественно, возникает вопрос, будут ли космические конструкции размером с город конкурентоспособными с ядерными электростанциями? Будут ли они давать ощутимый вклад в энергетические потребности стран?

Когда НАСА в 1977 г. призвало форсировать исследования, фирма «Боинг» объединила свои усилия с Центром космических полетов им. Джонсона, а фирма «Рокуэлл» - с Центром космических полетов им. Маршалла. Каждая группа пришла к заключению, что КСЭ могут быть созданы к 2000 г. и станут конкурентоспособными с другими системами.

В качестве преобразователей энергии фирма «Боинг» выбрала кремниевые фотопреобразователи, а фирма «Рокуэлл» - фотопреобразователи из арсенида галлия. Хотя последние позволяют повысить к. п. д. преобразования энергии до 40%, кремниевые фотопреобразователи обеспечивают меньший риск при более совершенной технологии. Обе группы старались разработать надежные установки, по возможности не требующие ухода и способные прослужить более 30 лет благодаря применению дублирующих систем.

Поддержание номинальной выходной мощности, которая может снижаться вследствие радиационного повреждения фотоэлементов, возможно либо путем увеличения площади батареи, чтобы компенсировать ухудшение энергетических характеристик солнечных элементов в процессе их эксплуатации, либо путем применения дополнительной защиты в виде более толстых стеклянных покрытий. Солнечные элементы, вышедшие из строя под действием солнечных вспышек, могут быть восстановлены на месте с помощью системы газовых лазеров на углекислом газе. При медленном движении луча лазера по поверхности батареи достигаются требуемая освещенность и плотность энергии. Природа радиационного повреждения - возникновение дефектов кристалла, и процесс восстановления состоит просто в повышении температуры кристалла до точки, при которой тепловая активность ликвидирует эти дефекты.

Рулоны солнечных батарей, подвергаемые восстановлению, будут выключены из системы на время проведения восстановительных операций.

Кроме того, следует иметь в виду, что огромные конструкции будут крайне уязвимыми к действиям противника. Если международные договоры, объявляющие вне закона антиспутниковое оружие, потеряют силу, то солнечные батареи большой площади станут неподвижными мишенями для шрапнельных снарядов.

Энтузиасты считают, что многие аргументы против космических солнечных электростанций чрезмерно преувеличены. Конечно, такие электростанции имеют недостатки, но они имеют также и важные преимущества.

Для решения проблемы космических солнечных электростанций фирма «Боинг» рекомендует провести исследования в следующих направлениях:

1 Солнечные элементы. Максимальные усилия должны быть направлены на разработку технологии изготовления элементов солнечных батарей низкой стоимости с совершенными рабочими характеристиками при малой массе. Для этого необходимо изучить возможности уменьшения стоимости элементов посредством автоматизации их производства и применения перспективных преобразователей, таких, как тонкопленочные элементы из арсенида галлия.

2 Тепловые двигатели. Следует создать материалы, необходимые для регулирования температур спутников как с тепловыми двигателями, так и с солнечными фотопреобразователями, а также материалы для тепловых двигателей, предназначенных для космических солнечных электростанций. Хотя исследования показывают, что космические солнечные электростанции на основе фотопреобразователей имеют определенное преимущество по сравнению с электростанциями на основе тепловых двигателей, было бы желательно получить исчерпывающие данные по обеим системам для окончательное выбора.

3 Передача энергии в микроволновом диапазоне. Биологическое влияние микроволнового излучения, а также нормы и инструкции по защите от него были исследованы министерством энергетики и НАСА. Было рекомендовано направить дальнейшие исследования на выяснение влияния микроволнового излучения спутниковых солнечных электростанций на ионосферу Земли. Необходимы также исследования в области усиления мощности микроволнового излучения и регулирования фазы для правильной оценки влияния системы передачи энергии на живые организмы и системы связи. Полученные данные послужат основой для более детальных изучений влияния микроволнового излучения на миграцию птиц, развитие растений, возможность использования Земли под ректеннами для сельскохозяйственных нужд. Хотя в предварительных исследованиях не была выявлена опасность микроволнового излучения для внешней среды, эта проблема должна быть полностью решена до перехода к стадии создания демонстрационной космической электростанции.

4 Космические конструкции. Долговечность материалов в космических условиях является весьма важным требованием. В отчетах фирм предлагается подвергать композиционные материалы, предназначенные для конструкционных элементов электростанции всесторонним испытаниям в больших вакуумных камерах, моделирующих космические условия.

5 Системы управления полетом. Важной технической проблемой является управление большими гибкими системами в космосе. Системы ориентации должны управлять положением в пространстве огромных солнечных батарей площадью около 100 км² для непрерывного слежения за Солнцем и направления микроволновых пучков на ректенны.

6 Методы строительной техники. Следует разработать автоматизированное строительное оборудование для околоземной сборочной базы. Примерами такого оборудования являются установки для сборки конструкций, развертывания солнечных батарей, средства транспортировки обслуживающего персонала и оборудования, системы контроля и отображения информации.

7 Транспортные системы. Следует создать бустерные двигатели для сверхмощных ракет-носителей, способных выводить на низкую околоземную орбиту большие полезные грузы при минимальной стоимости, а также высокоэффективные электроракетные двигатели для межпланетных транспортных аппаратов.

8 Система распределения энергии. Необходима значительно большая информация для создания преобразователей энергии малой массы и оценки взаимодействия с системами терморегулирования и аппаратурой высоковольтных выключателей. Преобразование электрической энергии в энергию микроволнового излучения потребует разработки клистронов (высокочастотных усилителей) с характеристиками, на несколько порядков превышающими характеристики современных систем.

Когда П. Глезер в 1968 г. впервые предложил идею создания космических солнечных электростанций (КСЭ), энергия была дешевой и вырабатывалась в изобилии. Идея создания гигантских космических конструкций для улавливания энергии солнечного излучения и передачи ее на Землю была встречена с большим скептицизмом. Однако с тех пор ситуация заметно изменилась.

На приведенных здесь рисунках показаны проектные решения по созданию фотоэлектрической космической электростанции, способной передавать значительное количество энергии на Землю в виде микроволнового излучения.

Полагают, что это будет гигантское по замыслу предприятие. Предлагаемые способы создания солнечных электростанций включают широкий диапазон решений - от их сооружения непосредственно на геостационарной орбите до сборки больших секций на низкой околоземной орбите с последующей транспортировкой на геостационарную орбиту.

Рассматривались две сборочные базы. База на низкой околоземной орбите предназначена для сборки и обслуживания больших межорбитальных транспортных кораблей с электроракетными двигателями. Функцией базы является также перегрузка тяжелых грузов, доставленных тяжелыми ракетами-носителями, на электроракетные межорбитальные транспортные корабли (ЭМТК). База также предназначена для пересадки экипажей с космического корабля «Спейс Шаттл» в пассажирские транспортные межорбитальные корабли (ПМТК).

Таким образом, первой задачей является создание большого космического завода на низкой околоземной орбите, оборудованного рядом автоматических машин для производства элементов ферменных конструкций (см. с. 225). По мнению специалистов фирмы «Грумман аэроспейс», этот завод должен быть достаточно большим, чтобы принимать астронавтов-рабочих, иметь ремонтные мастерские и контрольно-испытательное оборудование, средства заправки топливом и причальные устройства для транспортных кораблей многоразового использования.

Этапы создания КСЭ

Годовой план на 1981 г. с объемом финансирования в 25 млн. долл. (в ценах 1978 г.) предусматривал переход к проектированию реальных конструкций. Для подтверждения проектных данных потребуется 5-7 лет. В течение этого периода предполагается провести полный комплекс наземных и космических испытаний элементов солнечных электростанций, включающий три наиболее важные стадии:

1 Наземные испытания узлов и агрегатов.

2 Космические испытания с использованием многоразового транспортного космического корабля.

3 Испытания модельной системы мощностью 250 кВт - 1 МВт на низкой околоземной орбите.

Только после этих испытаний можно судить о степени риска при дальнейшей разработке систем. Если по завершении этого этапа будет признано целесообразным продолжить испытания, фирма «Боинг» предлагает разработать промежуточный вариант космической солнечной электростанции, способной передавать достаточную электрическую энергию с геостационарной орбиты наземной электрической сети.

В работах по созданию космических солнечных электростанций активную позицию занимают европейские страны. В частности, Британское аэрокосмическое общество выполняет в числе других работ серьезные исследования и конструкторские разработки космических энергетических систем. Примерами конструкций, разработанных Британским аэрокосмическим обществом, являются две наиболее мощные в Европе солнечные батареи - «гибридная» батарея, предназначенная для мощных спутников связи, и батарея для космического телескопа, который будет выведен на орбиту в середине 80-х годов с помощью космического корабля «Спейс Шаттл».

Британское аэрокосмическое общество отмечает, что такие крупные системы, как космические солнечные электростанции, приведут к развитию многих отраслей промышленности.

Как же выводить огромные конструкции на орбиту? НАСА и аэрокосмическая промышленность США рассматривают возможность сборки основных агрегатов солнечной электростанции на низкой околоземной орбите и доставки их затем на геостационарную орбиту с помощью связок ионных двигателей.

Эти перспективные двигательные системы создают тягу, разгоняя ионы ртути до больших скоростей в электростатическом высоковольтном ускорителе. При этом первичной энергией является солнечная энергия, преобразуемая в электрическую. Расход рабочего вещества в ионных двигательных установках в десятки раз меньше, чем в обычных химических двигателях.

При ускорении ионов образуется ярко светящийся фиолетовый пучок высокоэнергетических частиц, а не горячая струя истекающих газов белого цвета, как в химических двигателях. Так как пучок истекающих частиц создается электрическим путем из ионизированного газа низкой плотности (плазмы), образующегося в газоразрядной камере, сила тяги каждого двигателя весьма мала. Однако небольшая сила, действующая непрерывно в течение длительного времени, позволяет в космических условиях поднять орбиту космического аппарата при его движении по спиральной траектории. Двигатель выключается после выведения космического аппарата на геостационарную орбиту.

Можно собирать большие конструкции непосредственно на геостационарной орбите. Однако существующий космический корабль «Спейс Шаттл» способен вывести оборудование и предварительно изготовленные детали для сборки агрегатов только на низкую околоземную орбиту. Сборка на геостационарной орбите потребует разработки более мощных носителей многоразового использования, способных выводить тяжелые полезные грузы.

В настоящее время трудно представить, что такие огромные инженерные сооружения, как солнечные космические электростанции, можно создать без использования промежуточной сборочной базы на низкой околоземной орбите, к которой могут пристыковываться космические аппараты. Усовершенствованные варианты современного «Шаттла» можно будет использовать для выведения в космос большого числа специалистов для работы на промежуточной сборочной базе, а космические буксиры - для доставки обслуживающего персонала на геостационарную орбиту. Итак, инженерная мысль должна найти способ ежегодного выведения в космос поистине поражающего воображение количества полезного груза - около 900 000 т!

Детальные исследования, проведенные к настоящему времени, показали, что подобные концепции могут быть реализованы в обозримом будущем, возможно, в конце текущего столетия. Естественно, предстоит еще много работы над проблемами выбора частот, не подверженных воздействию погодных условий, минимизации побочных эффектов рассеяния микроволнового пучка, эффективного преобразования энергии и для доказательства того, что облучение живых существ микроволновым пучком безопасно.

Специалисты в области космической техники утверждают, что для строительства солнечных электростанций не требуется фундаментальных технических достижений. Однако создание спутников размером с город связано с преодолением психологического барьера. Спутники столь больших размеров и масс кажутся нам пока мало реальными, а график пусков ракет-носителей, похожий на расписание полетов самолетов, невероятным.

Ни один из специалистов не смог назвать стоимость работ по созданию космических солнечных электростанций приемлемой, а правительственные круги вряд ли одобрят такие крупномасштабные проекты, прежде чем будут выполнены многие фундаментальные исследования. В отличие от уже осуществленных космических программ, например программы полета человека на Луну, продемонстрировавшей огромные возможности космонавтики, создание космических электростанций должно отражать экономические потребности. Они должны быть конкурентоспособными с существующими энергетическими системами и обладать высокой надежностью и безопасностью. Годовой доход от космических солнечных электростанций мощностью 10 000 МВт при цене электроэнергии 0,03 долл./кВт-ч будет составлять 79 млн. долл. за 30 лет, и это близко к стоимости в 1978 г. электрической энергии, вырабатываемой современной ТЭС на нефтяном топливе.

Если будут созданы солнечные элементы с более высоким к. п. д. преобразования энергии, решена проблема влияния электростанции на внешнюю среду и снижены издержки производства, то космические солнечные электростанции станут реальными.

Однако в настоящее время об этом говорить еще рано. Многое зависит от достижений в области использования термоядерной энергии. Пока ясно лишь одно. С ростом стоимости минерального и ядерного топлива будет возрастать и стоимость вырабатываемой из них энергии. Когда этих источников энергии будет недостаточно, настанет время природного термоядерного источника энергии - Солнца.

18. База на Луне Р. Паркинсон (Великобритания)

Когда в мае 1961 г. президент США Дж. Кеннеди одобрил проект «Аполлон», Луна стала центром внимания космических исследований. Позднее возрос интерес к освоению околоземного космического пространства. И если некоторым наиболее крупным космическим проектам суждено осуществиться, специалисты должны будут пересмотреть свое отношение к Луне.

Для этого есть много причин. Осуществление программы «Аполлон» лишь положило начало исследованию Луны. Она может служить прекрасным местом для расположения астрономической обсерватории. В частности, обсерватория на обратной стороне Луны будет полностью изолирована от тех проявлений человеческой деятельности, которые пагубны для радиоастрономии. Но наибольший интерес представляют природные ресурсы Луны с точки зрения создания космической промышленности. Луна движется на большом удалении от Земли. Для выведения одного килограмма полезного груза за пределы гравитационного поля Луны потребуется затратить в 20 раз меньше энергии, чем для той же операции на Земле, а дальнейшая доставка в нужное место не вызовет затруднений.

Программа «Аполлон» показала, что на Луне имеются многие материалы, в которых мы нуждаемся. На рисунке показаны результаты химического анализа двух образцов лунной породы. Один из них доставлен кораблем «Аполлон-11» из Моря Спокойствия и богат железом и титаном. Другой образец, доставленный кораблем «Аполлон-16» из лунного кратера Декарт, содержит много алюминия. Геологи представили результаты анализа в виде эквивалентных весов окислов металлов, и это вводит в заблуждение. На Луне, как и на Земле, наиболее распространена окись кремния - основа песка и стекла. В нормальных условиях Земли она инертна. Но в жидком состоянии, при высоких температурах, которыми сопровождалось зарождение Луны, окись кремния становится химически активной. Интересующие нас элементы связаны в сложных силикатах металлов, и для их выделения потребуется определенная изобретательность.

Химики уже изучают возможности извлечений металлов из лунных пород. Разрабатываемые ими технологические процессы будут отличаться от земных. Прежде всего они должны быть построены по замкнутому циклу с тщательным сохранением вспомогательных химических продуктов, используемых для извлечения металлов.

В 1975 г. на летней конференции НАСА и Американского общества технического образования по программе исследований в области космических поселений Т. Хаддлстон из Университета шт. Миссисипи и Дж. Фокс из Гавайского университета доложили о способах выделения алюминия и титана из двух типов лунной породы. Предложенные ими технологические процессы полностью замкнуты, и для их осуществления требуется наличие породы и энергии, хотя неизбежны некоторые потери, которые при длительной работе необходимо будет восполнять с Земли. Лунная порода лежит на поверхности, а энергия имеется в избытке в виде светового солнечного излучения, которое беспрепятственно попадает на поверхность Луны непрерывно в течение 14 сут.

Для осуществления некоторых процессов такое сложное производство может вообще не потребоваться. Земной базальт, очень сходный с породой лунных морей, может быть переработан в волокно, подобное стекловолокну, с помощью очень простого оборудования и затем использоваться как конструкционный материал. Возможны и еще более простые решения. Д-р Д. Шеппард, занимающийся исследованиями проблемы создания лунного поселения в рамках деятельности Британского межпланетного общества, считает, что лунная пыль может быть непосредственно использована для получения бетона. Связующим могла бы стать доставляемая с Земли эпоксидная смола, уже опробованная в наземных конструкциях. При этом бетон будет на 90% состоять из лунной пыли, для добычи которой нужен лишь экскаватор. В подтверждение своей идеи Шеппард указывает, что опыт развития техники на Земле показал преимущества бетона перед сталью в весьма неожиданных технических приложениях, например в конструкциях нефтяных буровых вышек. Однако применение бетона связано с определенными трудностями. Он хорошо работает лишь на сжатие. Правда, на Луне во многих случаях потребуется именно такой тип нагружения. Кроме того, даже на Земле мы научились использовать железобетон в конструкциях, работающих на растяжение. Из этого материала можно сделать даже купол, нагруженный внутренним давлением, но это будет не выпуклый сводчатый купол, какие мы привыкли видеть на иллюстрациях к научной фантастике, а конструкция, в которой бетонные секции образуют вогнутую поверхность.