Виталий Севастьянов - Загадки звездных островов. Книга 2 (сборник)
Нельзя сказать, что окончательный выбор относительно варианта преобразователя солнечной энергии в электрическую уже сделан. Но все-таки некоторое предпочтение отдается фотоэлектрическому методу: ведь солнечные батареи в космосе надежно зарекомендовали себя. Например, солнечное "сердце" "Салюта-6" снабжало станцию энергией на протяжении всего времени ее существования на орбите (4 года 10 месяцев). Три крыла батареи "Салюта-6", автоматически поворачивающиеся за Солнцем, обеспечивали максимальную мощность энергопитания 4,5 киловатта. На теневой стороне Земли работала аккумуляторная батарея, которая на свету подзаряжалась от солнечной электростанции. При пиковых нагрузках, когда работали энергоемкие потребители — например бортовой субмиллиметровый телескоп или компрессоры в системе дозаправки топливом, то солнечные и аккумуляторные батареи "трудились" совместно. Обычно всем потребителям станции достаточно было около 1,5 киловатта энергии. Остаток шел на подзарядку батарей.
В отличие от "Салюта-6" для солнечных электростанций на геосинхронной орбите, где Солнце практически никогда не заходит, аккумуляторные батареи не нужны. Какой представляется ученым космическая солнечная электростанция? По одному из проектов, это две прямоугольные решетки длиной шесть и шириной пять километров каждая. Они соединены между собой несущей конструкцией из непроводящего материала. На решетках. помещаются зеркала концентраторов (расположенных в форме желоба), а между ними — кремниевые солнечные батареи. Зеркала-концентраторы направляют падающие на них солнечные лучи на кремниевые' элементы и тем самым повышают интенсивность солнечного потока. Использование зеркал удешевляет станцию, поскольку они много дешевле солнечных элементов. С течением времени под воздействием радиации солнечные батареи деградируют, их коэффициент полезного действия падает. Согласно оценкам суммарная степень деградации за 30 лет работы составит 20 процентов. Чтобы компенсировать уменьшение мощности, прямоугольные решетки можно наращивать новыми секциями со "свежими" кремниевыми элементами или производить постепенную замену сильно "постаревших" элементов. С такой солнечной "плантации" можно получить 8,6 миллиона киловатт мощности. Для сравнения: мощность Братской ГЭС около 4,1 миллиона киловатт.
Но получить в космосе электроэнергию — это, можно сказать, еще полдела. Вот как передать ее на Землю? Пока не создан пригодный для практического использования материал для провода, который можно было бы протянуть на высоту 36 тысяч километров. Если опускать с орбитальной станции самый прочный стальной трос, то он оборвется уже через 48 километров под действием собственного веса. Ученые считают, что лучше всего для передачи электроэнергии с орбиты использовать радиоволны: как в линиях радиосвязи. Только передавать радиоволны будут не информацию, а энергию. Идея передачи энергии в электромагнитном поле была впервые высказана и развита нашим соотечественником Н. А. Умовым в 1874 году в своей докторской диссертации. Югослав Тесла проверил это экспериментально. В 1899 году в Колорадо он построил радиостанцию мощностью 200 киловатт. На расстоянии 25 километров была обеспечена работа нескольких электролампочек и электромоторов.
Так что в принципе этот вопрос был решен в XIX столетии. Но как это часто случается, сама идея намного обогнала практическую потребность в ее промышленной реализации. Поэтому передача энергии с помощью радиоволн сверхвысоких частот считается сейчас новой областью. Развивается она довольно бурно, словно стремится наверстать потерянное за минувшее без малого столетие. Во многом большой прогресс, достигнутый в этом вопросе за последние годы, объясняется тем, что почти все компоненты для создания такой системы передачи энергии уже имелись в наличии. Их заранее подготовила радиоэлектроника. В настоящее время уже существуют линии электропередачи с помощью радиоволн, КПД которых превышает 50 процентов. Ожидается, что при использовании более совершенных приборов КПД достигнет 70 процентов.
Как же устроена радиолиния для передачи электроэнергии? Солнечные батареи преобразуют энергию солнечного света в постоянный ток, который подводится к генераторам колебаний сверхвысоких частот, то есть служит для них источником электропитания. Генераторы преобразуют постоянный ток в колебания сверхвысоких частот — радиоволны.
Техника генерирования и усиления колебаний сверхвысоких частот хорошо освоена промышленностью и интенсивно развивается и совершенствуется. Например, в США ежегодно производится более миллиона сверхвысокочастотных приборов на общую сумму полмиллиарда долларов. На сегодняшний день известны свыше тысячи типов приборов для генерации радиоволн, мощность каждого из которых превышает несколько киловатт, но пока наиболее подходит амплитрон — прямой "родственник" прибора, с которого, можно сказать, и началось широкое использование радиолокации…
Во время второй мировой войны американская фирма "Белл" не раз помещала на страницах журналов один и тот же рекламный снимок: часовой с винтовкой охраняет ящичек с большими сургучными печатями. Внизу подпись: "Тут хранится самая большая тайна этой войны". В 1946 году фирма опубликовала снимок с содержанием ящичка. В нем лежал магнетрон — прибор, который имел действительно большое военное значение. Без него не могли бы эффективно работать радары тех лет. Уинстон Черчилль, похваляясь, назвал радар чисто английским изобретением. Однако тайной магнетрона владели не только Англия и США. Его изобрели и впервые использовали в нашей стране. В 1924 году в Харьковском университете под руководством и по предложению профессора Д. А. Рожанского его учениками были начаты работы, которые привели к созданию магнетрона. Об этих исследованиях и их результатах было опубликовано в журнале Русского физико-технического общества в 1925 году. Впоследствии харьковские ученые создали экспериментальный радиообнаружитель "Зенит", который был первой радиолокационной станцией, определявшей три координаты цели, что было важно для управления стрельбой зенитной артиллерии. Испытывался "Зенит" в боевых условиях в 1941 году, защищая небо столицы. Своей трехкоординатностью "Зенит" был обязан магнетрону. Он генерировал короткие, дециметровые волны, и при сравнительно небольших размерах антенны можно было определять не только азимут, но и высоту цели (а точнее, связанный с нею угол места цели). В других радиолокаторах, созданных в то время в нашей стране и за рубежом, в качестве передатчиков использовались триодные лампы, которые генерировали более длинные — метровые волны. Поэтому локаторы не могли определять третью координату — высоту цели. Слишком велик для этого должен был быть вертикальный размер антенны. Лишь позднее в английских станциях появились магнетроны. К сожалению, начавшаяся Великая Отечественная война, потеря производственной базы на европейской территории страны не позволили быстро наладить серийный выпуск таких сложных систем, какими являются радиолокационные станции.
Амплитроны, которые предполагают не пользовать в радиолинии электропередачи космос — Земля, это, по существу, модернизированные магнетроны. Для амплитрона характерен высокий коэффициент полезного действия (вполне реальны значения около 90 процентов) и малая удельная масса (отношение полной массы прибора к его выходной мощности). Ученые определили, что если воспользоваться для создания передатчика радиолинии комплектом амплитронов с выходной мощностью каждого в пять киловатт, то оптимальная длина рабочей волны линии электропередачи, при которой масса прибора и его стоимость будут минимальны, лежит вблизи 12 сантиметров.
Соперничают с амплитронами другие сверхвысокочастотные приборы — клистроны. Хотя их коэффициент полезного действия меньше (70–80 процентов), стоимость и удельная масса больше, однако эти приборы более мощны, и потому их понадобится меньше, чем амплитронов, что облегчит сборку передатчика на орбите.
Для того чтобы передать с орбиты и принять па Земле радиоволны — переносчики электроэнергии, — нужны передающая антенна в космосе и приемная на Земле. Как подсчитали ученые, их оптимальные размеры таковы: передающая антенна около одного километра в диаметре, а приемная около десяти километров. При таких размерах стоимость радиолинии будет минимальной, а коэффициент полезного действия максимален. В уже упоминавшемся проекте солнечной электростанции передающая антенна располагается между двумя прямоугольными решетками с кремниевыми элементами.
Приемная и передающая антенны должны быть точно ориентированы друг относительно друга. Во-первых, для того, чтобы основная часть энергии, передаваемая с орбиты, не пропадала зря (в принципе потери неизбежны из-за так называемых боковых лепестков антенного луча), и, во-вторых, по соображениям безопасности: ведь интенсивный поток сверхвысокочастного излучения не безвреден для человека.
