Абрам Фет - Катастрофы в природе и обществе

Солнечная энергия не только может обеспечить все жизненные потребности экипажа: есть реалистические проекты ее применения для движения межпланетных кораблей в открытом космосе, с помощью ионных двигателей. В таких двигателях электрическая энергия используется для разгона тяжелых частиц (ионов), например, ионов цезия или ртути, выбрасываемых с большой скоростью в направлении, противоположном требуемому курсу ракеты, наподобие струи газов химического реактивного двигателя. Приращение энергии ракеты пропорционально квадрату скорости ионной струи (вспомните формулу для кинетической энергии E=mv 2/2), но, поскольку запас ионного топлива ограничен, выбирается оптимальная скорость выбрасывания частиц; например, для полета к Марсу, продолжительность которого составит около шести месяцев, эта скорость должна быть равна 40 км/сек. Для получения такой энергии понадобятся солнечные батареи большой площади, напоминающие паруса, которые будут распускаться в космосе, так что космический корабль с ионным двигателем будет странным образом похож на парусные корабли – причем его паруса не будут испытывать сопротивления воздуха! Вес батарей, со всеми устройствами, составил бы сейчас около 120 кг на 1 квт мощности, но может быть во много раз уменьшен.

До сих пор солнечные батареи применяются лишь для снабжения энергией экипажа и приборов. К сожалению, интенсивность солнечного излучения резко убывает при удалении от Солнца – обратно пропорционально квадрату расстояния. При приближении к Солнцу она столь же быстро возрастает. На орбите Венеры солнечные батареи вдвое более эффективны, чем на Земле; на орбите Марса их эффективность, напротив, падает более чем вдвое, а на орбите Юпитера более чем в двадцать раз. Поэтому солнечная энергия применима только в среднем коcмосе. Ядерная энергия дает б`oльшую мощность на единицу веса двигателя, но при значительном усложнении охлаждения. Она выгодна лишь в дальнем космосе, где солнечной энергии не хватает. Например, в полете "Вояджера" для далеких расстояний использовался радиоактивный источник. Ядерную энергию пытались применить также на околоземных спутниках, но сейчас это считается крайне нежелательным. В самом деле, пока корабль остается в космосе, его ядерный двигатель никому не угрожает; но низколетающие орбитальные спутники, если их не снять с орбиты, в конце концов падают на Землю – даже при попытке мягкой посадки возможны аварии – и в таких случаях радиоактивное топливо рассеивается в атмосфере. Были три аварии с американскими ядерными источниками (наиболее известен случай с "Аполлоном-13"), при которых загрязнений окружающей среды не произошло. Из советских аварий с ядерными источниками наиболее известен случай со спутником "Космос-1402", когда при входе спутника в атмосферу ядерное топливо рассеялось по поверхности Земли. Впрочем, следует иметь в виду, что равномерное распыление нескольких килограммов радиоактивных веществ по поверхности всей планеты не может сколько-нибудь заметно повысить ее естественный радиоактивный фон, который отнюдь не исчезающе низок.

С энергообеспечением космических кораблей тесно связана проблема перегрева их атмосферы. Системы жизнеобеспечения крайне нежелательно насыщать энергией сверх необходимого уровня, поскольку вся поступающая энергия в конечном счете переходит в тепло, которое нужно выводить из системы. Все космические корабли, независимо от их размеров и конструкции (а значит и Земля – гигантский космический корабль!) имеют только одну возможность освободиться от избыточного тепла – излучить его в космос; это называется радиационным отводом тепла. По закону Стефана – Больцмана, интенсивность излучения любого "абсолютно черного" тела пропорциональна четвертой степени его температуры; напомним, что тело называется "абсолютно черным", если оно поглощает все падающее на него излучение (что можно считать приближенно справедливым для интересующих нас космических объектов), а температура отсчитывается по шкале Кельвина, от 273°С ниже нуля. Поскольку обычная температура, при которой мы живем на поверхности Земли, поддерживается также в жилых помещениях космических ракет и примерно равна 3000 Кельвина, тот же расчет, что и в главе 4, показывает, что при увеличении тепловой энергии ракеты на 1% ее температура повышается на 0,75°.

Чтобы тепловая энергия могла быть излучена в космос, ее надо доставить к стенкам корабля. Для этого в космических кораблях имеется система охлаждения, составляющая значительную часть систем корабля (100 – 200 кг на киловатт отводимого тепла, что превосходит вес солнечных батарей). В принципе можно концентрировать избыточное тепло (на что надо затрачивать дополнительную энергию) и подавать его на специальные излучатели с искусственно поднятой температурой, где охлаждение идет намного эффективнее: в самом деле, при более высокой температуре, по закону Стефана – Больцмана, излучение энергии возрастает. Для Земли это, конечно, нереально. Но для космических кораблей эта задача в последнее время успешно решается – и у нас, и за границей. Японцы сообщают, что они снизили вес охлаждающих устройств до 2 кг на 1 киловатт отводимого тепла.

Система охлаждения не всегда может поддерживать оптимальную температуру атмосферы корабля, поскольку устанавливающаяся температура сильно зависит от энергообеспечения корабля и других факторов. Например, при аварии "Аполлона-13" снизилось энергообеспечение корабля, и вследствие этого температура упала до трех градусов выше нуля, так что экипаж, не имевший с собой зимней одежды, собрался в относительно теплом лунном модуле, где было одиннадцать градусов выше нуля, но и там люди не могли уснуть. При неполадках на станции "Скайлэб" плохо работал противосолнечный экран, и температура достигала около шестидесяти градусов выше нуля, пока не был установлен дополнительный противосолнечный зонт.

Человек дышит кислородом и не нуждается в других газах земной атмосферы, хотя и вдыхает их вместе с кислородом, так что его легкие наилучшим образом приспособлены к естественной смеси газов, из которой они извлекают кислород. Состав атмосферы Земли (по объему) в настоящее время таков: 78% азота, 21% кислорода, несколько меньше 1% аргона, 0,036% углекислого газа; при этом не учитывается небольшое количество водяного пара, так что здесь (и дальше) имеется в виду сухой воздух. До промышленной революции было 0,02% углекислого газа. Существование человека зависит от кислородного дыхания, и весь служащий для дыхания кислород производят растения. Без него на Земле вообще не было бы свободного кислорода, как нет его в атмосфере других планет: кислород, с его высокой химической активностью, быстро вступает в реакции с различными веществами. Смесь газов, которой человек может дышать, должна содержать не менее 10% кислорода; тренированные люди, например, горцы, могут долго жить и при несколько меньших концентрациях, а недолго – даже при значительно меньших; нетренированные люди плохо чувствуют себя и при не столь сильном снижении концентрации. В течение короткого времени человек может дышать и одним кислородом, но для нормального дыхания лучше, чтобы его парциальное давление было около 21%.