К числу насущных стратегических задач, стоящих перед страной в настоящее время, относятся:

беспроводное энергообеспечение стратегически важных наземных, воздушных и космических объектов;

ускоренное развитие высокоинформативных систем телекоммуникаций (3G, 4G) в северных и других труднодоступных регионах;

обеспечение безопасности специальных (особых) объектов (типа наземных и плавучих АЭС, плавучих газовых и нефтяных платформ, трубопроводов и проч.).

Путями решения этих задач являются комплексы информационно-силовой беспроводной передачи энергии [1] стратосферного и космического базирования с использованием спутниковой сети, авиации, аэростатов и дирижаблей (рис.1,2).

Рис.1. Многоступенчатая наземно-аэростатная система передачи энергии.

В настоящее время в России и ряде промышленно развитых стран (США, Японии, Франции, Германии, Италии, Австрии) ведутся работы в области беспроводной энергетики, ключевым звеном которой является передача энергии на значительные расстояния в атмосфере Земли и космическом пространстве с помощью сфокусированных пучков электромагнитного излучения в СВЧ и лазерном диапазонах. В зависимости от расположения источника и приемника излучения возможны различные варианты систем беспроводной энергетики: "Земля-Земля", "Космос-Земля", "Космос-Космос", "Земля-Космос-Земля".

В варианте "Земля-Земля" лазерные системы передачи энергии (ЛСПЭ) могут иметь наземное, морское, воздушное (на самолёте или аэростате) базирование. Создание ЛСПЭ большой дальности действия при наземном базировании сопряжено со многими проблемами (состояние атмосферы, погодные условия). Вместе с тем такое размещение экономически целесообразно для организации исследовательских и демонстрационных экспериментов. Перспективно создание стратосферного базирова-ния на дирижаблях длительного барражирования с зеркалами-ретрансляторами лазерного излучения. На высоте свыше 20 км уменьшается влияние облачности, осадков и других явлений низких слоёв атмосферы. При этом по сравнению с космическим базированием, сохраняется возможность доработки и ремонта систем, что важно на этапах их натурной отработки. Поэтому воздушные, в том числе стратосферные ЛСПЭ должны стать трамплином для создания космических лазерных систем передачи энергии. Представленная на рис.1 наземно-аэростатная система функционирует следующим образом: наземная электростанция питает аэростат либо мощным лазерным или СВЧ пучком, либо с помощью трос-кабеля с волоконными световодами. В случае лазерного или СВЧ лучей высотный дирижабль оснащается опорным источником для высокоточного наведения, контроля и коррекции атмос-ферных искажений. Также дирижабль оснащается системой ретрансляции излучения, позволяющей направить излучение на различные воздушные или космические потре-бители энергии, оснащённые фотоэлектрическими панелями, преобразующими лазер-ное излучение в электрический ток. Наведение луча на центр панели осуществляется оптико-электронной системой по опорному сигналу. Максимальная дальность одно-пролётной стратосферной магистрали составляет до 750 км. Максимальная передаваемая мощность в настоящее время оценивается в 10 МВт при диаметре лазерного луча 2 - 10 м, в диапазоне длины волн излучения 0,8 - 0,9 мкм, 1,06 - 1,15 мкм или 1,315 мкм. Эффективность преобразования лазерной энергии в электрическую равна 30 %, а потери в магистрали на высоте порядка 20 км не более 0,1 дБ. Аппаратное управление КЛЭО может осуществляться по наземным и космическим каналам связи в оптическом или радио диапазоне.

космическое базирование спутниковая сеть

Рис.2. Передача энергии из космоса на Землю.

В варианте "Космос-Земля" (см. рис.2) проводится передача энергии из космоса на Землю с целью энергоснабжения наземных объектов, что позволяет наиболее полно использовать энергетический потенциал космического пространства (солнечная энергия).

Экологическая опасность космических солнечных электростанций (КСЭС) большой мощности, рассматриваемая в сравнении с опасностью от ядерных, тепловых и гидроэлектростанций, оказывается значительно меньшей. Чернобыль и Фукусима ярко продемонстрировали катастрофические последствия аварий на АЭС. Тепловое воздействие на окружающую среду от тепловых электростанций по всему миру составляет величину порядка 10 ТВт, что уже привело к дестабилизации погоды. Их эксплуатация сопровождается выбросами серы, сурьмы, мышьяка, тяжёлых металлов и других ядовитых соединений, приведших к заметной потере плодородия почв России. Гидроэлектростанции перегораживанием рек и затоплением больших территорий, наносят непоправимый ущерб сельскому и рыбному хозяйству. Переводом наземной энергетики на КСЭС все эти проблемы устраняются.

Помимо альтернативы тепловым, атомным и гидроэлектростанциям, появляются новые возможности использования КСЭС: энергоснабжение удалённых и трудно-доступных районов при отсутствии необходимой кабельной сети (районы Крайнего Севера России, Канады, Гренландии, горные районы, пустыни, места стихийных бедствий и катастроф); решение проблемы пиковых нагрузок; зарубежные поставки; новые подходы к стратегии и тактике оборонных задач; решение проблемы астероидной опасности; энергоснабжение Луны, Марса и других космических тел, а также космических аппаратов. Актуальность проблемы показало падение астероида в Челябинске. Оценки показывают, что воздействие лазерного излучения от КСЭС мощностью 1 ГВт = 10⁹ Вт на астероид массой 10⁹ кг = 10⁶ тонн сообщит ему ускорение порядка 10^-3 м/сек², что при длительном воздействии может существенно изменить его траекторию.

В проблеме передачи информации аналогичные системы могут значительно превысить возможности существующих систем (30 Гбит/c).

Рис.3. Возможность дополнительного энергоснабжения МКС лазерным лучом, питаемым центробежной солнечной батареей.

Вариант "Космос-Космос" может реализовать принципиально новую концепцию энергоснабжения КА. В отличие от современной энергетики, основанной на автономной бортовой энергоустановке КА, возможен переход к концепции централизованного энергоснабжения большого числа КА в космосе от единого энергетического центра или нескольких центров, что даёт определённые преимущества и новые возможности [2] (рис.3).

В варианте "Земля-Космос-Земля" целесообразно использование орбитальных отражателей, подобно тому, как организованы современные глобальные телекоммуникационные системы.

Наиболее энергоёмкими космическими объектами к 2030 г. в космонавтике могут стать КСЭС мощностью 1 - 10 ГВт, транслирующие электроэнергию на Землю. Создание КСЭС может определять темп развития космической техники, способствовать решению социальных и политических задач, а также обеспечивать энергетическую, экологическую и оборонную безопасность страны.

В США такие крупнейшие корпорации и научные центры, как "Локхид-Мартин", "Боинг", JPL, "Центр Маршалла", "Центр Гленна", а также ряд университетов, планируют создать КСЭС гигаваттного уровня к 2016 г. для начала формирования рынка "космического электричества". В этом рынке намерен участвовать Китай. Пентагон, как наибольший потребитель электроэнергии в США, активно рассматривает широкие возможности использования КСЭС в интересах министерства обороны США [3]. Схема КСЭС США представлена на рис.4 [4]. На ней шестигранные концентраторы с характерным размером 2,5 км через поворотные зеркала концентрируют солнечный свет на площадку диаметром 500 м с совмещёнными солнечными батареями, СВЧ преобразователем и антенной. Проблемами являются сборка пятикилометрового каркаса и обеспечение точности ориентации на Солнце не менее 1,5^о, а также обеспечение метеоритной безопасности каркаса.

Рис.4. Схема КСЭС США.

Группа японских корпораций во главе с Mitsubishi Corporation планирует построить КСЭС гигаваттного уровня, схема которой представлена на рис.5 [5], к 2025 г. в рамках проекта Solarbird. Жёсткая площадка (единичный модуль) с солнечными батареями, СВЧ преобразователями и антенной со стороной 100м присоединяется тросами длиной 15 км к приборному контейнеру, обеспечивая гравитационную ориентацию системы. Необходимая мощность КСЭС набирается требуемым количеством таких модулей. Проблемным вопросом является метеоритная безопасность 4-х тросов длиной по 15 км в течение срока эксплуатации порядка 10 лет. Общая стоимость КСЭС оценивается в 24 миллиарда долларов. Предполагается, что стоимость вырабатываемого "космического электричества" будет в 6 раз дешевле, чем на японских наземных электростанциях. Первые участники такого рынка, в перспективе значительного подорожания традиционного электричества, будут иметь максимальную прибыль, а традиционные энергоносители (нефть, газ, уголь, уран и др.) начнут обесцениваться. Для России встаёт перспектива обесценивания её природных энергетически ресурсов и потери энергетической безопасности (независимости) в случае, отсутствия разработок, направленных на сохранение паритета.

Рис.5. Схема Японской КСЭС.

Подобные разработки в США [4] и Японии [5] ведутся с 90-х годов прошлого века и базируются на СВЧ концепции КСЭС и крупногабаритных каркасных конструкциях (до 5 км).

В последние годы возрос интерес к лазерным КСЭС в связи с успехами в разработке инфракрасных полупроводниковых лазеров (длина волны порядка 1 микрона) и волоконных лазеров [6], которые существенно эффективнее СВЧ метода. В них КПД преобразования электроэнергии в инфракрасный лазерный сигнал до 80 %; значительно снижается расходимость (10^-6 рад) лазерного луча по сравнению с СВЧ - сигналом (с геостационарной орбиты на Землю лазер даёт пятно 36м, СВЧ 15-20 км). Реальные достижения в миниатюризации элементной базы позволяют по световоду диаметром 250 микрон передавать световую мощность 25 кВт. Хотя Российские производители волоконной техники сейчас занимают ведущие позиции в мире (85 % мирового производства волоконной оптики), элементная база по СВЧ технике для КСЭС в России отсутствует, как и производство ФЭП для солнечных батарей.

Рис. 6. Центробежная КСЭС.

Россия имеет уникальный опыт (на уровне отработки в космосе) создания центробежных бескаркасных конструкций как базы КСЭС. Центробежные конструкции имеют ряд существенных преимуществ перед каркасными аналогами, в основном из-за отсутствия жёсткого каркаса [7] (см. рис.3,6). На рис.6 представлена схема центробежной КСЭС, которая имеет малую чувствительность к метеоритной опасности и ориентации (до 15 - 20^о).

Возможны две концепции создания центробежных КСЭС с лазерным каналом.

1) Использование бескаркасных центробежных солнечных батарей, запитывающих распределённые по их поверхности твёрдотельные ИК лазеры, передающие далее энергию по световодам к общему центру и, далее, к потребителю;

2) Применение только волоконных лазеров с солнечной накачкой, что перспективнее, поскольку не требует солнечных батарей.

Волоконные лазеры, переживающие период бурного роста, сочетают в себе свойства собственно генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов. Идея прямой солнечной накачки лазеров космического применения, в том числе волоконных, развивается в ряде зарубежных работ [3, 8]. Необходимы специальные исследования, направленные на повышение их эффективности.

Формирование волоконных лазеров в космическом пространстве центробежными силами значительно эффективнее американских и японских аналогов, базирующихся на многокилометровых каркасных конструкциях солнечных батарей и концентраторов, а также СВЧ концепции передачи энергии.

Рис.7. Схема демонстрационного прототипа лазерной КСЭС на мощность 100 кВт.

В предлагаемой концепции использования центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой для КСЭС отпадает необходимость в солнечных батареях, производство которых в России практически отсутствует, и жёстком каркасе, составляющем значительную часть стоимости КСЭС. Следует отметить, что даже на Земле такого масштаба каркасные конструкции не создавались и, их создание в космосе проблематично. В [7] приводится конструкция агрегата раскрытия тросовой СНЧ антенны, которая может служить прототипом системы раскрытия центробежных волоконных лазеров. Агрегат центробежного раскрытия может обеспечить как раскрытие первоначально плотно намотанной на катушку системы волоконных лазеров во вращающуюся круговую плоскость требуемых размеров (1 - 5 км), так и обратное свёртывание системы при необходимости изменения её дислокации или утилизации.

Представляется целесообразным осуществить на первом этапе создание демонстрационного прототипа КСЭС мощностью до 100 кВт [9]. Возможная схема такой электростанции показана на рис.7. После реализации этого проекта будут полу-чены следующие результаты:

приложение элементной базы современной силовой лазерной техники к задачам КСЭС;

создание ряда инновационных продуктов для наземной энергетики (наземного сегмента КСЭС);

развитие новых технологий, в том числе управления лазерным лучом с помощью пилот-сигнала с ректенны, набор отечественного опыта по их реализации.

Использование привязных аэростатов для расположения на них фотоприемных модулей на высоте выше облачности (примерно 2 - 4 км) позволяет построить схему демонстрационной космической электростанции в "гибридном" виде, преобразующим как поток энергии от космического лазерного источника, так и отражённый от Земли.

В настоящее время различные производители в России и за рубежом выпускают лазерные установки на волоконных лазерах мощностью до 100 кВт для промышленной обработки металлов (например, резки стали толщиной 100мм). Поскольку даже традиционные способы сварки, пайки, резки, гравировки и упрочнения металлов уступают место лазерным [10], то внедрение лазерной техники в космическую энергетику и информатизацию открывают новые широчайшие перспективы космонавтики.

Для России открывается возможность путем создания КСЭС с лазерным каналом передачи энергии от центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой занять лидирующее место в мировом процессе разработки промышленных КСЭС.

Литература