Как итог, каждый солнечный киловатт в открытом космосе на сегодня не может быть легче 10 кг. Дороговато выходит, если говорить о современных способах доставки грузов на орбиту, тем более когда мы говорим о геостационарной. Но не надо забывать о том, что космические технологии развиваются в достаточно широком спектре.
Вполне вероятно, что на момент выхода книги прототип системы Starship/Super Heavy от Space X совершил несколько суборбитальных полётов. Несмотря на это, уверен, скептики никуда не делись, но отрицать выгоды этой концепции по меньшей мере глупо. Даже по консервативным оценкам, стоимость доставки полезной нагрузки на орбиту с помощью этой полностью многоразовой системы упадёт всего до 100 американских долларов. Для сравнения: по некоторым оценкам, пуск Falcon 9, способной вывести на орбиту до 15,6 т полезной нагрузки, стоит 55–65 млн долларов, а коммерческий пуск российской ракеты-носителя «Союз 2.1» с блоком «Фрегат» оценён в 48,5 млн долларов, при том что доставить на низкую околоземную орбиту она может не более 9,2 т. Таким образом, в первом случае доставка килограмма груза обходится более чем в 3 000 долларов, а во втором – более 5 000. Эта система произведёт настоящую революцию в космонавтике, но вернёмся к космической солнечной электростанции.
Так или иначе, имеются расчёты (требующие проверки, само собой), согласно которым, чтобы электричество с орбиты могло конкурировать по цене с электричеством от наземных источников, нужно выводить грузы на геостационарную орбиту не дороже 200 долларов за килограмм. Но говорить о стоимости какой-либо услуги до её появления достаточно бесполезно, поэтому данный вопрос есть смысл оставить до начала регулярной эксплуатации системы Starship/Super Heavy, прототипы которой, повторюсь, надеюсь, уже совершили пару-тройку полётов.
Основная-то проблема всё-таки заключается в том, чтобы доставлять энергию из космоса на Землю. Помните, что нам сильно не нравятся потери при передаче электричества по высоковольтным линиям? Лазеры в оптическом диапазоне неспособны даже облака пробить, поэтому основным способом такой доставки считаются микроволны. Они действительно способны достаточно легко проникать сквозь атмосферу, достигая приёмных ректенн. Правда, повышение влажности в атмосфере будет приводить к поглощению части микроволн, то есть передачи энергии будет необходимо соотносить с прогнозом погоды. Когда тот или иной регион будут накрывать ураганы или снегопады, он будет рисковать оставаться вообще без энергии, если непогода затянется.
Даже если мы придумаем какие-то микроволны, расширяющие наши знания о физике этого явления, на этом проблемы не заканчиваются. Сегодня самые совершенные средства отправки микроволн способны создать луч чуть более 0,8 °. Если попытаться передать энергию с геостационарной орбиты в 36 000 км над Землёй, это пятно на поверхности планеты будет иметь диаметр около 10 км. Не то чтобы очень уж впечатляюще, но сеть приёмников таких размеров потребуется ставить у каждого мало-мальски крупного города или предприятия.
При понижении орбиты до солнечно-синхронной, находясь на которой станция останется круглосуточно освещённой Солнцем, но будет проходить над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время, то есть передавать энергию можно будет раз в сутки.
А если непогода в момент возможности передачи энергии? Можно «сливать» накопленную энергию на какой-либо другой приёмник. Но эта система потребует чёткой координации и дублирования.
Имеются расчёты, согласно которым при нынешнем уровне развития технологий 1 кВт энергии, полученной с орбитальной электростанции, обойдётся землянам примерно в 200 долларов, что вполне приемлемая цена для мегаполиса, но для небольших населённых пунктов это дороговато. К тому же, если не строить у них приёмники, которые могут больше самих этих населённых пунктов, микроволны будут просто греть почву, а это потери, которые приведут к удорожанию электроэнергии для конечного потребителя.
Так запускать или не запускать солнечные электростанции в космос?
Да, проблем, требующих решения, ещё немало, но среди них нет откровенно нерешаемых, так что вопрос только в том, чтобы продолжать изыскания. Тем не менее начать ведь можно и без передачи энергии на Землю, ведь наша задача – закрепиться в космосе.
Если получаемую энергию пока сложно доставить до потребителей на поверхности планеты, есть смысл отправить потребителей в космос. Сразу же можно отказаться от микроволн, идеально подходящих для передачи на Землю, в пользу лазеров, расходимость пучка которых и на миллионы километров минимальна.
Причём осваивать эти технологии можно постепенно, и уже известен первый шаг. Поначалу не будет смысла передавать энергию на какой-то достаточно компактный объект, к примеру околоземную станцию. Проблема в том, что в космосе серьёзной проблемой является теплоотвод, из-за чего на станцию, которую мы захотим снабжать энергией от космической СЭС, придётся снабжать дополнительными радиаторами, что увеличит её массу и, соответственно, расход топлива на поддержание орбиты. Гораздо проще снабдить её солнечными панелями. Какой-нибудь ровер, скажем, на поверхности Луны вообще, вероятнее всего, просто перегреется при попытке «докинуть» ему энергии.
А вот осваивать пустоту эти станции вполне могут помочь. Серьёзной проблемой при исследовании космического пространства является скорость перемещения, из-за чего даже наиболее удалённые части Солнечной системы остаются практически недостижимыми. Так, расстояние до Сатурна составляет около 10 млрд км, а до ближайшей звёздной системы вообще 40 трлн км. На скорости 20 км/с до системы Сатурна аппарат будет лететь 15 лет.
Учёные об этом задумались тоже задолго до начала эры космонавтики. Только представьте, ещё в 1899 году физик Пётр Лебедев экспериментально показал, что свет способен оказывать физическое давление на другие тела, а в 1925 году Фридрих Цандер предложил использовать этот физический факт для перемещения в космическом пространстве кораблей.
Поскольку лазеры в то время не были известны, идея получила название «солнечный парус», ведь корабль, согласно представлению учёных, должен был разворачивать что-то вроде паруса по направлению от источника излучения – Солнца.
Важным является тот факт, что, если расположить корабль с установленным на нём источником излучения позади того, который требуется разогнать, первый не будет испытывать «отдачи». Именно поэтому с изобретением лазера об этой идее заговорили вновь. В одном из научно-исследовательских институтов NASA ещё в конце 1990-х годов подсчитали, что одним из наилучших применений лазерной передачи энергии в космосе является лазерный парус, который должен быть невероятно тонким. Правда, по-прежнему никуда не делась проблема перегрева, но и тут нашлось решение, отвечающее сегодняшним направлениям исследований.
Команда специалистов под руководством Филиппа Лубина из Калифорнийского технологического института решила, что надо не пытаться подогнать новую технологию под существующие космические аппараты, а переосмыслить понимание существующих космических аппаратов.
Лубин акцентировал внимание на том, что исследовательский зонд – это не самое сложное устройство, состоящее из оптических, ИК-сенсоров и системы связи, а сегодня очевиден тренд на миниатюризацию этих приборов. Как итог, аппарат для достаточно объёмного исследования всё той же системы Проксима Центавра может представлять собой пластину из кремния с нанесённой по периметру микросхемой и антенной для связи с родной планетой. В итоге мы получим полноценный исследовательский зонд массой не более 1 г. Лубин дал название этой концепции – Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN).
Рассеивание лазерного пучка будет заметно снижаться за счёт использования группы лазеров, работающих по принципу фазированной антенной решетки. Правда, мощности по-прежнему потребуется немало, из-за чего и стоимость проекта будет соответствующей. Если солнечная орбитальная электростанция будет излучать с общей мощностью лазерных передатчиков 1 ГВт, то до Проксимы Центавра наш зонд доберётся за 193 года, а если увеличить мощность до 100 ГВт – всего за 21 год. Вы только вдумайтесь, всего через 21 год после запуска мы сможем буквально прикоснуться к соседней звёздной системе!
Здесь проблемой остаётся то, что до сих пор не получилось создать демонстратор, масса которого была бы 1 г и способный выдержать несколько десятилетий в открытом космосе под действием космических лучей. Для этого приходится значительно увеличивать массу, дублируя множество функций. Тем не менее сделать стограммовый зонд можно уже сегодня.
Атом, атом и ещё раз атом
Если эта книга оказалась в руках фаната «мирного атома» и он до сих пор не бросил её читать, то самое время обсудить, не лучше ли забросить в космос атомную электростанцию и использовать для тех же целей?
Предвижу аргументы: из модульного атомного реактора можно получить лазерные комплексы и на 100 ГВт, тогда как солнечные батареи при настолько больших мощностях систем будут намного более материалоёмкими.
Не могу не согласиться, ведь немного выше я уже писал, что киловатт мощностей солнечных батарей сейчас имеет массу никак не меньше 6–7 кг, то есть десять мегаватт такой мощности будут весить не меньше 70 т. Атомный реактор совершенно точно будет иметь бóльшую удельную отдачу… на Земле.
Напомню, что в космосе очень сложно рассеивать избыточное тепло от источника энергии. Для 10МВт-ного атомного реактора понадобятся радиаторы площадью не менее 1 000 м2, которые, в свою очередь, потребуется укрыть защитным экраном от солнечных лучей, которые будут мешать нормальному охлаждению. Так значительно увеличивается масса конструкции и ухудшается отказоустойчивость всей системы, ведь даже одна вышедшая из строя пластина может привести к остановке реактора, чтобы активная зона не перегрелась.