Алиса Шпигель - История зеркал. От отражения в воде до космической оптики

Дело в том, что наша планета получает от Солнца 2✕1014 квт энергии, а на расстоянии геостационарной орбиты (35 786 км) – в 45 раз больше. Вынос коллекторов, собирающих энергию Солнца, в космос решает многие проблемы. Прежде всего это экономит полезное пространство, поскольку огромные поля солнечных панелей на Земле будут занимать слишком много места, потребуют мощных опорных конструкций, силовых приводов для слежения за Солнцем и т. д.

Но, к сожалению, КПД современных солнечных панелей очень низок, и они за свой срок службы в космосе попросту не окупятся. Другое дело зеркало: относительно дешевая и простая конструкция без сложной электроники может направлять дополнительный солнечный свет на небольшие наземные коллекторы, а также освещать города и сельскохозяйственные угодья.

Плотность солнечной энергии в обычный погожий летний день на нашей планете в среднем равна 1,36 квт/м 2. Таким образом, заменить солнечный свет солнечным же «зайчиком», в общем-то, не так уж и сложно. Создание больших зеркал размером с небольшую страну до недавнего времени было фантастикой. Однако с появлением современных компьютерных технологий создание массива отдельных автономных аппаратов, работающих в единой сети, является технологически решаемой задачей.

Ключевым вопросом остается уменьшение стоимости вывода большой массы грузов на орбиту. Стоимость вывода тонкопленочного зеркала с плотностью 22 г/см 2, как в проекте «Знамя», составляет несколько тысяч долларов за килограмм. Однако современные технологии уже позволяют создать зеркала с вдвое меньшей удельной массой. К тому же, в настоящее время разрабатываются проекты тяжелых ракет-носителей, вроде американской SLS, способной выводить на низкую околоземную орбиту 140 тонн груза. По расчетам специалистов НАСА, для реализации масштабных проектов потребуется радикальное снижение стоимости вывода грузов на орбиту: приблизительно до 200 долларов за килограмм груза.

Есть проблемы и другого порядка. Дело в том, что чем выше орбита, тем больше по размеру «солнечный зайчик» и меньше энергии направляется на квадратный метр поверхности. Например, при орбите высотой 800 км для передачи солнечного света с плотностью энергии 1 квт на 1 кв. м земной поверхности и непрерывного освещения выбранного участка Земли достаточно лишь нескольких десятков зеркал площадью 1 кв. км.

На геостационарной орбите высотой 35,8 тыс. км для достижения того же уровня освещенности придется сооружать зеркало площадью 150 тыс. кв. км – это меньше площади Беларуси (207 тыс. кв. км) и составляет примерно половину площади Польши. Это, безусловно, гигантское зеркало, но оно смогло бы непрерывно освещать огромный регион: в круге диаметром 3329 км. Это территория от Смоленска до Новосибирска и от северной морской границы России до китайской границы с Киргизией, попутно свет накрыл бы весь Кавказ и Казахстан. При этом данная территория за год получала бы дополнительных 41200 эдж энергии, при нынешнем общепланетном потреблении в 500 эдж.

Конечно, создание такого зеркала является делом очень неблизкого будущего, поскольку при современных ракетных технологиях вывести на орбиту такой комплекс можно будет только за несколько сотен лет, да и то усилиями всей планеты.

Не менее важно спрогнозировать, насколько радикально изменит климат и функционирование биосистем такое зеркало. Ведь цикл дня и ночи очень важен для всего живого. Кроме того, дополнительная тепловая энергия создаст – и не только в освещаемых областях – совершенно новый климатический фактор.

Используя современные технологии уже можно проектировать крупные космические зеркала, с помощью которых можно осветить сразу крупный регион или город; в несколько раз повысить отдачу энергии наземных солнечных электростанций; космическая система освещения не боится никаких земных катаклизмов вроде землетрясений и ураганов. Также подобное зеркало могло бы продлить вегетационный период полезных растений.

Сложности реализации крупных проектов космических зеркал по-прежнему заключаются лишь в несовершенстве технологий вывода грузов в космос и отсутствии технологий орбитальной сборки и обслуживания подобных конструкций. На геостационарной орбите (оптимальной для зеркала) нужно сооружать космическое зеркало огромной площади. На более низких круговых орбитах для непрерывного освещения участка Земли целесообразно использовать множество отдельных зеркал, что также отнюдь не удешевляет проект и к тому же упирается в проблему космического мусора.

У человечества есть интересная возможность повысить комфортность своего обитания не в рамках отдельно взятого помещения, а крупного города или целого региона. В ближайшем будущем, возможно, появятся новые технологии доставки грузов в космос, будут созданы технологии изготовления космических зеркал с помощью, например, наночастиц на основе метаматериалов. И тогда, наконец, человечество сможет реализовать давнюю мечту и создать свое искусственное Солнце в ночном небе.

Зеркальный концентратор энергии

Космонавтика без солнечной энергии немыслима. Как известно, для энергоснабжения орбитальных станций используются солнечные батареи. Им не требуется никакого топлива, а для увеличения мощности надо только нарастить площадь панелей, похожих на крылья. Однако эффективность солнечных батарей зависит от температуры и со временем падает до нуля. А наращивание площади «крыльев» увеличивает парусность и гасит скорость – ведь на высоте полета орбитальных станций действует остаточная аэродинамика.

Поскольку применение солнечных батарей не решает проблемы космического энергоснабжения, в умах энтузиастов из Ракетно-космической корпорации «Энергия» возникла идея – использовать энергию Солнца более эффективно.

Солнце – источник не только световой, но и тепловой энергии. Солнечные лучи хорошо фокусирует вогнутое зеркало. Как показал еще в начале XX века профессор В. К. Цераский, изображение нашего светила в фокусе параболического зеркала диаметром около метра дает температуру, при которой плавится даже вольфрам. Значит, специальный зеркальный концентратор может, нагревая котел с теплоносителем, постоянно обеспечивать орбитальную станцию электроэнергией для оборудования и теплом для экипажа. У зеркальных концентраторов и КПД в 2–3 раза выше, чем у солнечных батарей, и площадь в несколько раз меньше, а температуры они дают в тысячи градусов, да и время над ними не властно.

Правда, изготовление вогнутого зеркала требует высокой точности оборудования и технологии. Чем больше мощность (а значит, и размеры зеркала), тем сложнее техника его изготовления. Космос накладывает на изделия строгие ограничения по размеру и массе. Так что качественный зеркальный концентратор солнечных лучей – очень дорогое удовольствие. Значит, его надо удешевить. Способ такого удешевления нашел ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», кандидат технических наук Альберт Шолохов.