Виталий Севастьянов - Загадки звездных островов. Книга 2 (сборник)
Хотя электростанция будет находиться на стационарной орбите, однако ее точка стояния будет незначительно, но все-таки перемещаться относительно наземного пункта. Это приведет к отклонению луча передающей антенны от требуемого положения. Источники возмущающих движений станции — неоднородность гравитационного поля Земли, возмущающее действие гравитационных полей Луны и Солнца, давление света и, в свою очередь, противоположное давление, вызываемое отдачей сверхвысокочастотного излучения (передатчик радиолинии действует словно реактивный двигатель, только вместо сопла — антенна, а вместо газов — сверхвысокочастотное излучение). Уходы точки стояния придется корректировать с помощью корректирующих двигателей. Антенные лучи могут сдвигаться и по другим причинам, например, из-за изменений температуры и параметров аппаратуры в процессе эксплуатации… Поэтому должен быть обеспечен постоянный контроль за качеством ориентации и подстройка лучей антенн, если она нарушится.
Поскольку размеры наземной антенны довольно велики — десять километров в диаметре, то управлять ею довольно сложно. Лучше подстраивать передающую антенну в космосе: ее площадь в сто раз меньше, а сложность электронного управления лучом антенны в первом приближении пропорциональна ее площади. Ориентиром для подстройки луча передающей антенны будет служить тонкий опорный радиолуч, излучаемый наземной антенной.
Приемную антенну можно выполнить в виде большого числа крошечных антенн диполей. (Пример дипольной антенны — индивидуальная внешняя или внутренняя телевизионная антенна, только размер диполя для наземной антенны в несколько раз меньше, так как для телевидения используются метровые волны, а электроэнергию предполагают передавать на дециметровых волнах.) Приемная антенна будет не только принимать сверхвысокочастотное излучение, но и преобразовывать его в постоянный ток. Подобные антенны-преобразователи называются ректеннами. Для этого каждый диполь снабжен миниатюрным выпрямителем, который преобразует радиоизлучение в постоянный ток. Токи всех диполей складываются и подаются либо в высоковольтную сеть постоянного тока, либо преобразуются в напряжение переменного тока. Специалисты подсчитали, что коэффициент полезного действия радиолинии электропередачи, то есть с выхода солнечных батарей до выхода в наземную высоковольтную сеть постоянного тока, составит 58 процентов, а выходная мощность, отдаваемая потребителям, — 5 миллионов киловатт. Есть проекты электростанций и на десять миллионов киловатт. Разнятся они главным образом размерами солнечных батарей.
Поскольку каждый диполь снабжен выпрямителем, то ширина луча приемной десятикилометровой антенны будет такой же, как у отдельного маленького липолика, у которого в довольно широком секторе нет резко выраженного направления приема. В этом можно убедиться, если повращать вокруг вертикальной оси обычную индивидуальную телевизионную антенну. Изменяя се положение в довольно широком угловом секторе (±10–20°), мы не добьемся заметного улучшения приема (когда поблизости есть большие строения, то могут быть и значительные изменения качества приема, по они объясняются другими причинами). Поэтому огромную приемную антенну не надо будет ориентировать на передающую антенну, что значительно упростит ее конструкцию. Приемную антенну можно сконструировать таким образом, чтобы она была прозрачной для света. Тогда расположенную под ней территорию можно использовать для других целей, например, для сельского хозяйства.
Выпрямление электрического тока сопровождается тепловыми потерями: выпрямительные диоды будут нагреваться, а тепло передаваться окружающему воздуху. В виде тепла будет рассеиваться не более 15 процентов передаваемого с орбиты излучения, и нагрев атмосферы не будет превышать нагрева, обычно наблюдаемого над городами. Этот эффект можно использовать для создания тепличного хозяйства под антенным полотном. По сравнению с тепловым загрязнением, которое сопровождает любой термодинамический процесс преобразования энергии, тепловое загрязнение от выпрямления сверхвысокочастотной энергии гораздо меньше.
Как и на орбитальной станции "Салют", на космической электростанции придется ориентировать на Солнце многокилометровые панели солнечных батарей, чтобы солнечные лучи падали отвесно на них. Для электростанции это наивыгоднейший режим работы. Расчеты, проведенные специалистами, показывают, что солнечные батареи должны быть сориентированы относительно Солнца с точностью 0,5°, а луч передающей антенны радиолинии передачи электроэнергии относительно наземной приемной антенны — с точностью ± 1°. Для управления положением и ориентации такой многокилометровой конструкции надо иметь более тысячи корректирующих двигателей. Они будут работать всего 5—10 дней в году. Так что должны быть предусмотрены рейсы космических танкеров для заправки корректирующих двигателей топливом. Для коррекции можно использовать и электронные двигатели. Тогда энергией их обеспечат солнечные батареи, но восполнять запасы рабочего тела все равно придется.
Чтобы проверить эффективность передачи энергии с помощью радиоволн, американские специалисты летом 1975 года повторили тесловский эксперимент 1899 года, но уже на современном уровне. В качестве приемной антенны они использовали антенну для радиолокации Венеры в Калифорнии, принадлежащую Лаборатории реактивного движения. Эта антенна площадью 24 квадратных метра содержала также выпрямительные элементы для преобразования сверхвысокочастной энергии в постоянный ток. Передающая параболическая антенна диаметром 26,2 метра находилась на расстоянии 1,6 километра от приемной антенны. Передача велась на длине волны 12,5 сантиметра. Мощность постоянного тока на выходе приемной антенны достигла 30,4 киловатта, а коэффициент полезного действия приемной антенны вместе с выпрямителями составил 82 процента. Результаты обнадеживающие. В дальнейшем возможно существенное упрощение конструкции, снижение массы и соответственно стоимости космической электростанции, если удастся сделать такую солнечную батарею, чтобы она преобразовывала энергию Солнца сразу же в сверхвысокочастотное излучение (минуя постоянный ток).
На своем пути из космоса к наземной антенне радиолуч пронизывает атмосферу. Как показали эксперименты, сверхвысокочастотный поток может существенно изменить состояние верхнего ионизированного слоя атмосферы — ионосферы. В результате взаимодействия радиолуча с ионосферой она нагревается. Еще в 1925 году было высказано предположение, что можно подогреть ионосферу с помощью достаточно мощного передатчика. Однако технические средства того времени не позволили проверить эту идею. В 70-х годах американские ученые осуществили такой эксперимент с помощью мощного радара в Аресибо (Пуэрто-Рико), который предназначен для радиоастрономических исследований. Энергия радиопередатчика излучалась с помощью антенны диаметром 305 метров, смонтированной под карстовым провалом.
Мощный поток радиоволн вызвал сильный нагрев ионосферной плазмы.
С этим явлением, видимо, придется считаться в будущей линии электропередачи космос — Земля. Оно вызовет отклонение радиолуча и его "размывание", а также приведет к дополнительным потерям энергии. Кроме того, локальный подогрев ионосферы может сказаться и на системах связи, которые "пользуются" свойством ионосферы возвращать обратно на Землю радиоволны. Благодаря этому свойству и возможны дальнее коротковолновое радиовещание и радиосвязь. Кстати, явление нагрева ионосферы радиоизлучением можно обратить и на пользу. Так, в упоминавшемся эксперименте с радаром в Аресибо мощный поток радиоволн привел к созданию радиоволноводов (так называют области пространства в атмосфере, где радиоволны распространяются на большие расстояния с малым затуханием), ориентированных по магнитным силовым линиям Земли. С помощью этих искусственно созданных волноводов была установлена устойчивая связь на расстоянии свыше двух тысяч километров. Открываются перспективы создания систем радиосвязи, не подверженных влиянию солнечных магнитных бурь. Возможно, что некоторые линии связи через разогретую ионосферу смогут соперничать по стоимости и простоте с системами связи через спутники. Полной неожиданностью для ученых оказался тот факт, что "подогреть" ионосферу можно с помощью передатчика сравнительно небольшой мощности. Исследование нагретой с помощью радиоволн плазмы в ионосфере привело к открытию целого ряда закономерностей в области физики плазмы.
По инженерным оценкам, площадь, непригодная для проживания в районе наземного приемного пункта, не будет превышать 270 квадратных километров (круг с радиусом 9,25 километра), из них около 80 квадратных километров занимает наземная антенна, а остальное — буферная зона. То есть приемную антенну можно размещать неподалеку от населенных пунктов, а это означает снижение потерь на транспортировку энергии. Вне буферной зоны уровень облучения будет незначительным, меньше допустимой для человека дозы длительного сверхвысокочастотного воздействия, установленного советским стандартом (0,01 милливатта на квадратный сантиметр). По советскому стандарту допустимая доза длительного радиооблучения в тысячу раз меньше, чем по стандарту США (10 милливатт на квадратный санти-метр). В основу американского стандарта положен тепловой эффект сверхвысокочастотного излучения на ткани тела. Советский же стандарт учитывает возможное воздействие излучения на центральную нервную систему, которое может проявиться даже при низких интенсивностях.
