Текст книги "Приключения радиолуча"
Автор книги: Валерий Родиков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 22 (всего у книги 23 страниц)
Каналы связи вчерашнего дня начинают уступать дорогу волоконной оптике. «Паутинки» из сверхчистого стекла толщиной с человеческий волос стремительно становятся «нервной системой» развивающейся телекоммуникационной сети. По стеклянному кабелю толщиной в сантиметр с четвертью может одновременно передаваться вдвое больше разговоров, чем по медному кабелю толщиной в руку. С помощью импульсного лазера лишь по одной нитке стекловолокна за шесть секунд можно передавать информацию, содержащуюся в двух томах Большой Советской Энциклопедии.
Оптическое волокно довольно дешево в производстве. Нить оптического волокна длиной в полтора кьло-метра может быть изготовлена из одной столовой ложки сырья. Получены новые, более совершенные сорта стекла для оптических кабелей необычайной чистоты. Полуторакилометровая толща такого стекла будет кристально прозрачна! Развитие техники волоконно-оптических линий происходит столь стремительно, что опережает даже самые оптимистические прогнозы.
ЛУЧ, УСТРЕМЛЕННЫЙ В БУДУЩЕЕ
ЛЭП ИЗ КОСМОСА
Вот уже 200 лет история демонстрирует непрерывный экспоненциальный рост нашей цивилизации. Закон экспоненты очень распространен в природе. Описываемые им явления похожи на лавинообразный рост, что-то наподобие взрыва. Да, мы живем в эпоху взрывов: индустриального, демографического, информационного, энергетического… Что касается энергии, то потребление ее каждые 20 лет удваивается. Единственный шанс избежать энергетической катастрофы в будущем – это успеть вовремя перевести стрелку: перевести промышленность на рельсы другой энергетики. Мир настойчиво ищет энергию. В ряде стран приняты законы, обязывающие внедрять новые ее источники.
То, что атомная энергетика к концу столетия станет основным источником энергии, у большинства ученых не вызывает сомнений. Но переход к атомной энергетике породил и немало проблем. Среди них надежность в эксплуатации и захоронение отходов атомных электростанций. При массовом использовании атомной энергии создается угроза радиоактивного заражения нашей планеты. Кроме того, нормативный срок «жизни» современной АЭС – около 30 лет. Нетрудно подсчитать, что к 2000—2010 годам «пенсионного возраста» достигнут две трети атомных электростанций, работающих сегодня в разных странах мира. Демонтаж отработанного реактора – дело сложное, дорогое, длящееся годы.
С точки зрения экологии переход к ядерной энергетике – решение далеко не оптимальное. Мера вынужденная. Цивилизация должна располагать значительными энергетическими резервами, чтобы иметь время для получения информации, которая откроет ей врата новой энергии. Человечеству нужен неисчерпаемый чистый ее источник, не загрязняющий и не перегревающий планету.
Ответ знали еще древние. Это – Солнце, самый изначальный энергоисточник на нашей планете. Меньше чем за час оно посылает на Землю такое количество энергии, которое превышает нынешние годовые потребности планеты. И такая щедрость при том условии, что почти одна двухмиллиардная доля общей энергии Солнца попадает на Землю. Количество солнечного света, которое в межпланетном пространстве приходится на Землю, можно сравнить с трехкопеечной монетой, лежащей где-то на круглом поле диаметром полкилометра.
Еще в самый разгар «атомного бума» один из крупнейших физиков XX века Фредерик Жолио-Кюри прозорливо сказал: «Решение проблемы использования солнечной энергии для человечества важнее, чем покорение энергии атома».
Базируясь только на Земле, солнечной энергетике не выбиться в лидеры. Мешает атмосферный «зонтик» над нашей планетой и суточные вариации солнечного потока. Кроме того, у наземной крупномасштабной гелио-энергетики есть еще один недостаток, с которым в будущем придется считаться. Малая плотность энергии солнечного потока (с одного квадратного метра освещенной Солнцем поверхности в среднем можно «снять» не более 100 ватт). Поэтому под устройства, собирающие солнечную энергию – зеркала-концентраторы и фотоэлементы, – придется отчуждать большие площади. Нужно еще учесть, что наземная солнечная энергетика не всепогодна, а потому необходимы солнечные электростанции-дублеры, разнесенные друг от друга на значительные расстояния. Кроме того, потребности в энергетике непрерывно растут, следовательно, придется увеличивать площадь отчужденных земель, причем в южных районах, которые имеют большие перспективы в области сельскохозяйственного производства. Спрос же на сельскохозяйственную продукцию лавинно нарастает. Так, статистики утверждают, что до начала нового тысячелетия, то есть за двадцать неполных лет, для обеспечения продовольственной стабильности в мире должно быть произведено продовольствия столько же, сколько его было произведено за всю предыдущую историю развития сельского хозяйства на планете.
А между тем совсем рядом, в межпланетном пространстве, бесполезно для человечества пропадает энергия Солнца. Там нет восходов и закатов, нет облаков, нет атмосферы. Интенсивность потока солнечного излучения в космосе в десять раз больше, чем на Земле, а отсутствие гравитации и ветра позволяет строить протяженные многокилометровые конструкции. «Что странного в идее воспользоваться этой энергией?» – писал К. Э. Циолковский.
Есть в околоземном космосе замечательная орбита. Называют ее стационарной или геостационарной. Находится она на расстоянии примерно 36 тысяч километров от Земли. Спутник на этой орбите будет перемещаться с такой же угловой скоростью, с какой вращается наша Земля вокруг своей оси, и потому для земного наблюдателя он будет казаться неподвижным. Свойство это, кстати, очень полезно для целей связи. С помощью трех спутников, размещенных на стационарной орбите, можно, в принципе, организовать глобальную всемирную связь. Советские связные спутники «Радуга», «Экран», «Горизонт» уже несут на ней рабочую вахту. Правда, выводить космические аппараты на такую орбиту непросто. Например, чтобы вывести связной спутник на стационарную орбиту с территории нашей страны, нужна ракета такая же мощная, как для полета к Луне. Поэтому стационарные спутники запускаются ракетой-носителем «Протон», которая используется и для запуска почти двадцатитонных «Салютов».
Для солнечных электростанций, размещенных на стационарной орбите, Солнце будет сиять все 24 часа в сутки на протяжении почти всего года. Исключение составят небольшие периоды времени вблизи моментов весеннего и осеннего равноденствий, когда солнечная электростанция окажется в тени Земли примерно на 72 минуты в сутки. В среднем за год такие затемнения приведут к снижению солнечной энергии, получаемой станцией, всего на один процент. К тому же в районе наземного приемного пункта во время затенения будет полночь, следовательно, и потребность в энергии минимальная.
Если на стационарной орбите разместятся несколько электростанций, они будут тоже затенять друг друга некоторое время. Но оно невелико: около 15 минут в 6 и 18 часов по местному времени. Такие перерывы в получении энергии точно предсказуемы, их можно учесть при распределении нагрузки электросети, что позволит обойтись без создания резервных запасов энергии.
Солнечные электростанции можно размещать и на других орбитах, но геостационарная по уже упоминавшейся причине подходит больше всего. Кроме того, эта орбита довольно емкая: на ней можно поместить множество станций, не опасаясь, что они столкнутся. Например, если на стационарной орбите равномерно расположить 300 станций, то на каждую придется средний объем примерно в миллиард кубических километров. Так что вероятность их столкновения ничтожна. В космических проектах гелиостанций, так же, как и в наземных, конкурируют в основном два типа преобразователей солнечной энергии в электрическую – фотоэлектрические и теплоэлектрические.
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.
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 дешевле солнечных элементов. С течением времени под воздействием радиации солнечные батареи деградируют, их коэффициент полезного действия падает. Согласно оценкам, суммарная степень деградации на 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 «снять» 8,6 миллиона киловатт мощности. Для сравнения: мощность Братской ГЭС около 4,1 миллиона киловатт.
Но получить в космосе электроэнергию – можно сказать, еще полдела. Вот как передать ее на Землю? Пока не создан материал, пригодный 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 с помощью радиоволн сверхвысоких частот разрабатывается довольно бурно. 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 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.
Техника генерирования и усиления колебаний этого диапазона 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. 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 начались работы, которые привели к созданию магнетрона. Об этих исследованиях и их результатах сообщил журнал Русского физико-технического общества в 1925 году. Впоследствии харьковские ученые создали экспериментальный радиообнаружитель «Зенит», который был первой радиолокационной станцией, определявшей три координаты цели, что очень важно для управления стрельбой зенитной артиллерии. Испытывался «Зенит» в боевых условиях в 1941 году, защищая небо столицы. Своей трехкоординатностью «Зенит» 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 должен был быть вертикальный размер антенны.
Лишь позднее в английских станциях появились магнетроны. Начавшаяся Великая Отечественная война не позволила быстро наладить серийный выпуск таких сложных систем, какими являются станции орудийной наводки.
Амплитроны, которые предполагают использовать в радиолинии электропередачи космос – Земля, 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, составит около 12 сантиметров.
Соперничают с амплитронами другие сверхвысокочастотные приборы – клистроны. Хотя их коэффициент полезного действия меньше (70—80 процентов), стоимость и удельная масса больше, однако они более мощные, и потому их понадобится меньше, чем амплитронов, что облегчит сборку передатчика на орбите.
Для того чтобы передать с орбиты и принять на 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 максимальным.
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 сверхвысокочастотного излучения не безвреден для человека.
Хотя электростанция будет находиться на стационарной орбите, ее точка стояния все-таки будет незначительно 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 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 антенны.
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 в коротковолновой части дециметрового диапазона). 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 либо подаются 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, – пять 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 диполика, у которого в довольно широком секторе нет резко выраженного направления приема. 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 тепло перейдет не более 15 процентов передаваемого с орбиты излучения, и нагрев атмосферы не превысит нагрева, обычно наблюдаемого над городами.
Как и на орбитальной станции «Салют», на космической электростанции придется ориентировать на Солнце многокилометровые панели солнечных батарей, чтобы солнечные лучи падали на них отвесно. Для электростанции это наивыгоднейший режим работы. Расчеты, проведенные специалистами, показывают, что солнечные батареи должны быть сориентированы относительно Солнца с точностью до 0,5 градуса, а луч передающей антенны радиолинии передачи электроэнергии относительно наземной приемной антенны – с точностью ± 1 градус. 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. 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).
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 займет наземная антенна, а остальные – 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.
Неполадки в системе наведения радиолуча из космоса не должны приводить к превышению норм облучения. Для этого система наведения должна быть исключительно точной и надежной, но если все же случится неисправность, то передатчики космической электростанции должны мгновенно отключиться.
Вопрос воздействия сверхвысокочастотного излучения на живые организмы очень важен, и в нем есть еще немало «белых пятен». В частности, как будет влиять радиоизлучение на птиц, пролетающих зону радиолуча? Есть предварительные сведения, что птицы чувствуют сверхвысокочастотное облучение при плотностях потока свыше 25 милливатт на квадратный сантиметр и стремятся покинуть опасную зону.
Смогут ли самолеты пролетать зону радиолуча? Не будет ли вред пассажирам? Не повлияет ли пролет сквозь радиолуч на работу самолетной электронной аппаратуры?.. Вопросов много. Они неизбежны, когда дело касается крупного нового проекта.
А вот еще один интересный проект, в основе которого заложена передача энергии по радиолучу. Специалисты американского космического ведомства занимаются конструированием самолета, который сможет оставаться в воздухе до трех месяцев без посадки и дозаправки. Беспилотный самолет будет парить на сетчатых крыльях-антеннах размахом шесть метров, совершая полеты по восьмерке на высоте 25 километров над землей для контроля за состоянием атмосферы.
Двигатель самолета мощностью 40 лошадиных сил будет приводиться в действие энергией, доставляемой радиолучом. Фактически самолет сможет оставаться в воздухе до тех пор, пока не случится какая-либо неисправность. По прикидкам инженеров компании «Локхид», которая привлечена к этой работе, самолет можно запустить в начале 90-х годов.
Для передачи энергии предполагается построить антенное поле (величиной с футбольное) с сотней параболических антенн, нацеленных на самолет. Суммарная мощность передатчиков – два миллиона ватт. Самолет уловит луч при помощи приемников, установленных на крыльях, и преобразует радиоволну в электроэнергию. КПД системы – всего четыре процента, но этот недостаток компенсируется большой продолжительностью полета.
Предлагали для передачи электроэнергии с орбиты и лазерный луч. Проект заманчивый. Для лазера не надо таких больших антенн. Кроме того, уже есть экспериментальный лазер с солнечной накачкой, в котором сконцентрированный солнечный свет напрямую превращается в лазерный луч. Но есть у лазерного излучения серьезный недостаток…
Один мой знакомый радиоинженер рассказал мне как-то такую историю. Он участвовал в разработке и испытаниях экспериментальной лазерной телефонной линии связи в Москве. Телефонный узел Г-6 на Зубовской площади (в то время в Москве были еще шестизначные номера) соединили с помощью лазерной линии с университетом на Ленинских горах, где установили антенные устройства для передачи и приема сигналов лазера, передаваемых с Зубовской площади. По вечерам, примерно в одно и то же время, связь ухудшалась. Долго ломали голову. А оказалось все просто. Трасса пролегала над каким-то вечерним учебным заведением. Во время перерыва открывались окна для проветривания аудитории. Потоки теплого воздуха из окон да еще с табачным дымом поднимались на пути луча и ослабляли его. На языке специалистов это явление называется «рассеянием на неоднородностях атмосферы». Так что лазерная система чувствительна к состоянию атмосферы. Облака, разного рода турбулентности поглощают и рассеивают лазерный луч. Коэффициент полезного действия такой линии электропередачи при плохой погоде упал бы до очень низкого уровня. Кроме того, эксплуатация энергетической лазерной линии большой мощности требует повышенной осторожности. Случайное отклонение луча из-за неисправности системы его наведения может создать серьезную угрозу безопасности людей.
Так что радиолуч – наиболее вероятный претендент на роль линии электропередачи из космоса.
Ожидается, что в XXI веке космические электростанции будут удовлетворять 10—20 процентов мировых потребностей в электроэнергии, а для некоторых стран даже на 40—50 процентов. Это станет весомой экологически чистой добавкой к наземной энергетике планеты. Мощные космические электростанции, преобразующие энергию Солнца в электричество, будут в полную меру служить человеку. Не исключено, что XXI век люди назовут веком Солнца!
