Ректенны и прочее

Ну хорошо: допустим, гелиостанции выведены на геостационарные орбиты. Потекли реки космической электроэнергии. Но как передать ее на Землю? Не по проводам же!

Лазерный луч - вот что первое приходит на ум. Однако реальнее, как показывают оценки инженеров, другой путь - сверхвысокочастотное излучение (СВЧ).

Ничто не ново на этой грешной Земле! Старые идеи становятся новинкой, порой даже сенсацией лишь тогда, когда появляется в них великая нужда. Лишь тогда давно, казалось бы, забытая мысль становится "открытием", откровением.

Идея передачи энергии без проводов связана с именем выдающегося электротехника серба Никола Тесла (1856 - 1943). Высказанная на заре XX века, она на многие десятилетия опередила необходимый уровень развития техники.

Только в годы второй мировой войны работы по СВЧ получили мощный стимул - появилась радиолокация. Начали совершенствоваться методы генерации сверхвысоких частот, методы приема и методы когерентного излучения направленных пучков сантиметровых волн.

(Выбор длины волны, равной 10 сантиметрам, обусловлен тем, что такие электромагнитные волны почти не поглощаются земной атмосферой. Поэтому передача, скажем, энергии из космоса на Землю будет осуществляться практически без потерь.)

Электроника сверхвысоких частот находит сейчас применение во многих областях: в измерительной технике (осциллографы, усилители, фотоэлементы), кибернетике (автоматы, счетно-решающие устройства, стабилизаторы), в связи (радио, телевидение, радиолокация) и так далее. Но мы-то говорим о другом - о том, что можно было бы условно назвать "энергетической электроникой", или "электроникой больших мощностей".

У нас в СССР это новое направление в последние десятилетия вместе со своими сотрудниками успешно развивает академик П. Капица. Он первый (работа была начата еще в трудные послевоенные годы: 1946 - 1952) заговорил о возможности промышленной трансляции по СВЧ-каналам больших количеств электро, энергии.

"Я хочу напомнить, - прозорливо писал П. Капица еще в 1962 году, когда о СКЭС еще и не думали, - что электротехника, прежде чем прийти на службу энергетике, в прошлом веке занималась широко только вопросами электросвязи (телеграф, сигнализация и прочее). Вполне вероятно, что история повторяется: теперь электроника используется главным образом для целей радиосвязи, но ее будущее лежит в решении крупнейших проблем энергетики".

П. Капица указал и основное преимущество СВЧ-энергетики: возможность сосредоточения большой электромагнитной энергии в малых объемах и исключительную гибкость, с которой происходит трансформация СВЧ-энергии в другие виды.

Уже сейчас на Земле, видимо, можно было бы перекачивать электричество по волноводам - трубам, проложенным под землей, подобно нефте- и газопроводам. Конечно, не все технические проблемы решены. Но главное препятствие не в этом.

Трудность та, что приходится конкурировать с уже созданной мощной электротехнической промышленностью. С этим колоссом, который, хотя решает аналогичные задачи и не столь совершенно и экономически менее рентабельно, прочно стоит на ногах, буквально врос в земной шар и не собирается уступать свои позиции.

Это соображение и перевешивает все плюсы электроники больших мощностей: высокие уровни мощности, отсутствие изоляторов, мачт и опор, малые потери, возможность расположения волноводов под землей с целью сохранения лесных и земельных угодий.

Пока, видно, на Земле конкуренция невозможна, но ведь есть еще и космос! Где традиционные способы передачи электроэнергии малопригодны либо и вовсе неприемлемы.

Передача энергии из космоса мыслится таким образом.

Прежде всего полученный на гелиостанции в фотоэлементах постоянный ток должен быть преобразован в электромагнитное излучение с длиной волны 10 сантиметров. В космосе также должно оборудовать передающую СВЧ-антенну километровых размеров.

Это в космосе. А на Земле потоки энергии примет ректенна (гибрид английских слов "rectifier" и "antenna" - выпрямитель и антенна). Они предназначены для одновременного приема СВЧ-колебаний и выпрямлений их в постоянный ток.

Полученная так энергия (ректенна мощностью в 10 миллионов киловатт займет на Земле площадку диаметром в 7,4 километра), как полагают, будет частично использована для производства горючего (разложение воды электролизом на водород и кислород), алюминия и на потребу других энергоемких промышленных комплексов, частично же будет потреблена как электроэнергия.

Техническая сторона дела развивается успешно. Но тут, увы, есть еще и другая сторона - экологическая! Мощные пучки СВЧ-излучения (порядка 200 ватт на квадратный метр) не могут не сказаться на состоянии пронизываемых ими участков атмосферы и ионосферы. Это излучение, особенно в его высокочастотной части, довольно сильно поглощается молекулами воды и кислорода, что может вызвать локальный перегрев воздуха.

И не только это. А птицы? Что станется с ними, если Земля будет окружена поясом космических электростанций?

А самолеты и вертолеты? Точнее, их бортовая электронная аппаратура? Они могут выйти из строя. И зоны, пронизанные пучками СВЧ-излучений, превратятся в рукотворные бермудские треугольники! По-видимому, их придется окружить радиобакенами: они оповестят самолеты об опасности, направят в спасительный фарватер.

А человек? Воздействие СВЧ-излучений на центральную нервную систему? Эти вопросы еще плохо изучены, соответственно отсутствуют и мировые стандарты предельно допустимых доз.

Район приемной антенны займет территорию в 250 квадратных километров. Не вымрет ли здесь все живое? Правда, напрашивается простой выход: поднять решетку ректенны над Землей. Она почти полностью поглотит СВЧ-излучение, но пропустит до 80 процентов солнечного света и не задержит осадков. И вроде бы здесь можно будет разместить сельскохозяйственные угодья - пашни, пастбища, сады.

Конечно, СКЭС - это пока еще уравнения со многими неизвестными. Но будут ли они реализованы или нет, все равно земной энергетике не избежать, видимо, использования электроники больших мощностей (вспомним прогноз Капицы). Дело в том, что определенный смысл в будущем может иметь концентрация энергетических комплексов (ядерная энергетика, солнечная и т. д.) в удаленных малонаселенных местах. Тогда непременно возникнет проблема передачи больших количеств энергии через материки и водные массивы к потребителям.

Вариант возможного кардинального решения этой проблемы уже предложен. Спутники-отражатели в космосе. В районе такого энергетического комплекса будет помещен СВЧ-передающий центр. Созданный им электромагнитный пучок, отраженный от расположенного на геосинхронной орбите пассивного зеркала (металлическая решетка многокилометровых размеров), будет повернут к Земле и попадет на ректенну в местах потребления энергии.

Так вновь Земля оказывается связанной с космосом крепкими узами. Так вновь заявляет о себе очевидный глобальный характер будущих энергетических проектов. Так вновь возникают нерешенные проблемы - скажем, а не появятся ли гангстеры от энергетики? Они будут грабить уже не золото, а то, что может стать дороже его, - энергию! Ведь в космос нетрудно забросить и другие отражающие зеркала!..

В конце концов все - любой проект, начинание, инициатива - упирается в дилемму: дешево - дорого. Почем киловатт взятой из космоса солнечной энергии? Это сложный вопрос.

Слишком масштабен проект гелиоэлектростанций. Его планетарный характер тянет за собой многие трудноподдающиеся оценке эффекты: экологические, демографические, правовые и так далее.

Сравнивать СКЭС и традиционную энергетику трудно еще и потому, что все наземные энергетические комплексы требуют дополнительных затрат на сооружение линий передач, разработку месторождений, обогащение сырья, доставку горючего, захоронение отходов и пр. и пр.

Непросто также (СКЭС пока еще не построены!) рассуждать о том, что, вероятнее всего, станет реальностью лишь через пару десятилетий, скажем, к 2000 году. Таким образом, экономические оценки тут тесно переплетаются с футурологией. Вот поэтому-то встречающиеся в литературе цифры величины капитальных затрат на единицу мощности СКЭС и колеблются в довольно широком интервале.

Следовало бы принять в расчет и то, что отличительная черта конструкций СКЭС - наличие большого количества однотипных элементов, узлов и деталей, таких, как концентраторы солнечного света, пленочные солнечные батареи, элементы опорной структуры, амплитроны, волноводы, диполи и диоды ректенн. Все это позволяет в принципе применить настолько высокую степень автоматизации процесса производства, что стоимость узлов и деталей будет, по существу, определяться стоимостью исходных материалов. Объем же последних в пересчете на единицу вырабатываемой мощности оказывается необычно низким с точки зрения существующих наземных энергосистем - порядка 2 - 2,5 килограмма на киловатт.

Это все общие рассуждения, а вот конкретные оценки, проведенные специалистами из центра имени Маршалла (США) для "солнечных городов". Конечно, СКЭС будут добывать энергию автоматически, но для профилактических и некоторых других работ потребуется периодическое - а возможно, и постоянное! - появление на гелиостанциях космонавтов. Стоимость создания и изготовления первого спутника-электростанции, считают они, включая стоимость доставки деталей на орбиту и наземных систем, составит 50 - 100 миллиардов долларов. Напомним: доставка людей на Луну (проект "Аполлон") обошлась в 20 миллиардов долларов. Полагают, что после 2000 года будет создано уже 100 спутников-электростанций, и срок службы каждого из них превысит 30 лет - средний срок службы для ТЭС на Земле 25 лет. При этом стоимость вырабатываемой СКЭС электроэнергии составит 4 - 8 центов за один киловатт-час (сейчас в США для наземных энергетических установок аналогичная величина составляет 2,5 цента за киловатт-час). Поэтому-то специалисты и считают, что после 2000 года гелиостанции смогут успешно конкурировать с другими источниками энергии.

Если смотреть далеко в будущее, то почему, собственно, космические электростанции должны базироваться лишь на энергии солнечных лучей? А другие виды космических излучений: радиоволны, гамма-лучи, рентгеновские?.. Богатства космоса неисчерпаемы, и СКЭС - только первый шаг на пути овладения этими сокровищами!

Есть и другие дерзкие идеи. До поверхности Земли доходит малая доля всей солнечной радиации. Ее можно увеличить с помощью космической техники, например, смонтировать на околоземной орбите достаточно большой рефлектор. Такое зеркало станет второй Луной - Лунеттой. Но в отличие от Луны, помещенное на геостационарную орбиту, оно создаст практически постоянное полнолуние. А искусственное освещение очень нужно в полярных областях и в других глухих уголках Земли, лишенных электричества и дорог для подвоза топлива.

Можно не только освещать Землю, но и дарить ей дополнительное тепло тех солнечных лучей, которые пока проносятся мимо нее и попусту теряются в космических равнинах. Так возникает не менее заманчивая идея о создании второго рукотворного Солнца - Солетты. Куда девать эту бездну энергии? Думается, потомки найдут ей такое применение, которое наша фантазия пока не в силах и представить.

Заманчивые перспективы, но дорога в космос за энергией может оказаться долгой. Психология человека такова, что всякое новшество обязательно кажется поначалу подозрительным. Консерватизм наших взглядов и привычек крепко держит нас "на привязи". Влияние предубеждений, сила традиций, доминирующее господство определенных энергетических доктрин. Большое число оппонентов, которых необходимо убеждать, уламывать, а то и попросту ломать!

Эту ситуацию очень удачно охарактеризовал профессор Массачусетского технологического института (США) С. Уэлслей-Миллер:

"Представьте себе, - сказал он однажды, - что солнечная энергия используется повсеместно. А теперь представьте, что я предлагаю следующую революционизирующую идею - послать геологические партии в пустыни Ближнего Востока на поиски нефтяных месторождений. После того как нефть будет найдена, постройте там вышки и начинайте добычу. Я предложил бы далее транспортировать эту нефть по нефтепроводам или на специализированных нефтеналивных судах в другие концы земного шара, где ее подвергли бы переработке, а затем развозили потребителям на грузовиках. Я уверен: нашлось бы множество людей, которые с цифрами в руках убедительнейшим образом доказали бы экономическую неосуществимость моего предложения..."

К этому можно было бы добавить, что генераторы, работающие на солнечной энергии, показались бы их противникам более экономичными и гораздо более рентабельными и привлекательными, если бы их сравнивали с теми первыми, скажем, дизельными двигателями, модели которых когда-то на свой страх и риск создавались в небольших мастерских первопроходцами современной техники.

Мы говорим: "Эра космоса", ибо задача овладения космосом - столбовой путь человеческой цивилизации. Но мы обычно говорим: "век атома", а не "эра". Почему? Нет ли тут подсознательного ощущения, что использование атомной энергии на Земле - всего лишь промежуточный этап нашей энергетики? Что дело это временное, пока не будут отысканы более естественные, более близкие природе человека источники энергии?

Что же придет на смену атому? Скорее всего эра Солнца! А если выражаться точнее, эра космической энергетики, отдельные (солнечные!) грани которой начинают постепенно прорисовываться на наших с вами, читатель, глазах.