Основы энергетики будущего

Наша человеческая цивилизация прошла немалый путь развития от позднего каменного века до новейшего технологического уклада. Происходил рост производительных сил и производственных отношений, шла прогрессивная смена общественно-экономических формаций. Этот процесс был следствием усиления и углубления интеллекта человека и, в частности, его важной части – изобретательского интеллекта.
Мы живём в интересное время осознания человечеством своего единства, многочисленных внутренних связей в нём самом, своего места в космическом пространстве и космической эволюции. Международное сообщество созрело для долгосрочного всеобщего энергетического планирования, обеспечивающего энергетикой целые материки и всё человечество в целом. Стали возникать крупные проекты в этом направлении, одни из них находятся ещё на стадии концептуального планирования, другие – уже на этапе реализации технического задания. Представим несколько таких проектов.

Сеть Николы Теслы

Первый из них – возрождённая идея Николы Теслы о создании сети башен-ретрансляторов для беспроводной передачи электроэнергии и информационных коммуникаций. В такой системе энергию высокочастотных генераторов необходимо преобразовывать в эффективных передатчиках, а затем принимать на расстоянии надлежащими устройствами. В результате должна происходить управляемая передача высоковольтной мощности с сохранением резонанса во всех звеньях беспроводной сети приёмо-передающих башен.
Тесла предлагал установить более 30 таких высотных станций по всему миру. В наше время, по мнению сторонников подобного проекта, его реализация сделала бы ненужными множество громоздких линий электропередачи и способствовала бы глобальному объединению электрогенерирующих мощностей.
Но существуют геофизические проблемы реализации проекта Теслы, которые могут быть локальными и глобальными. Во время испытаний его экспериментальной установки Ворденклиф в США проявились множественные электрические эффекты: над Атлантическим океаном распространялись разветвлённые молнии длиной до 200 км, происходило воспламенение слоёв атмосферы на разной высоте и на большой территории, возникало свечение воздуха вокруг человеческих тел, высекались искры из-под копыт лошадей при движении экипажей по мостовой, птицы и бабочки падали на землю от электрических разрядов, в течение нескольких суток после включения установки наблюдались белые ночи. Всё это стало результатом попыток именно беспроводной передачи электроэнергии. Никола Тесла по итогам экспериментов писал: «Для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учётом физических свойств нашей планеты».

bashnya_vordenklif

Башня Ворденклиф

Очевидно, что данный вывод актуален и в наше время. Если такие эффекты возникали при испытании одной-единственной установки, то что же может произойти после создания целой сети подобных высоковольтных башен? Сам учёный считал, что в этом случае Земля будет входить в состояние электрической вибрации планетарного масштаба. Но пока относительно немного известно об электромагнитном взаимодействии ионосферы, стратосферы и тропосферы Земли, его исследование началось относительно недавно, в том числе с помощью специализированных спутников и установок HAARP, HIPAS на Аляске, EISCAT в Норвегии и «Сура» в России. Уточняются характеристики различных атмосферных слоёв, открываются новые высотные атмосферные образования. По мере дальнейших исследований специалисты сделают вывод о целесообразности разработки проекта Теслы.

Солнечные космические электростанции

Следующий проект – создание солнечных космических электростанций (СКЭС) на орбите Земли. Его, в частности, в концептуальном варианте предлагает группа учёных НПО им. С.А.Лавочкина (г. Химки, Московская обл.). В их концепции в состав СКЭС входят три основные части: космическая платформа для сбора солнечной энергии и преобразования её в электрическую, устройство преобразования электрической энергии в микроволновую с выстроенным каналом передачи микроволновой энергии на Землю, а также наземный пункт приёма микроволновой энергии и обратного преобразования её в электрическую энергию.

proekt_solnechnoy_kosmicheskoy_elektrostancii

Проект солнечной космической электростанции

Предполагается роботизированная сборка единой конструкции СКЭС из автономных информационно связанных модулей. При этом необходимо будет развитие имеющейся ракетно-космической техники. С помощью ракеты-носителя тяжёлого класса на низкую опорную орбиту последовательно выводятся составные элементы конструкции СКЭС, где они один за другим стыкуются с межорбитальными буксирами, доставляющими их на геостационарную орбиту (около 36 тыс. км над экватором Земли). На этой орбите с использованием робототехнических отсеков межорбитальных буксиров происходит сборка конструкции СКЭС. Четыре межорбитальных буксира челночным образом курсируют между низкой опорной и геостационарной орбитами, чем обеспечивается непрерывный процесс сборки электростанции.

proekt_solnechnoy_kosmicheskoy_elektrostancii_1

Проект солнечной космической электростанции

Первоначальный перечень проблем реализации проекта СКЭС, определённый его разработчиками, выглядит так: вывод на орбиту конструкций с большими массо-габаритными параметрами, обеспечение высокоточного и высокоэффективного канала передачи энергии на поверхность Земли, обеспечение необходимого теплового режима передающих и принимающих оптико-электронных систем. Понимая общую сложность проекта, разработчики вводят промежуточные этапы его реализации с проведением испытаний энергопреобразующих и управляющих систем СКЭС на аэростатах, а также с построением демонстрационной модели СКЭС.
Но уже сейчас возникает вопрос: достаточно ли мощна будет СКЭС, создаваемая при участии многих стран мирового сообщества, для покрытия энергопотребления человечества? Причём энергопотребления не настоящего времени, а спустя 15–20 лет, когда СКЭС могла бы быть введена в строй. Ведь прогнозы по мировому энергопотреблению на ближайшие десятилетия говорят о его увеличении.

Термоядерная энергетика

Перейдём к более проработанным и уже реализуемым проектам глобальной энергетики. Речь пойдёт о нескольких видах термоядерных электростанций (ТЯЭС). Согласно расчётам, термоядерная энергетика, используя небольшое число электростанций, способна обеспечить энергопотребление человечества с учётом его роста на века вперёд.
Во Франции, в исследовательском центре Кадараш, по международному проекту ITER возводится экспериментальный термоядерный реактор. Его планируется ввести в строй в 2025 году, и задачей его будет демонстрация возможности использования реакции термоядерного синтеза и решение физических и технологических проблем, встающих на этом пути. В проекте участвуют Европейский Союз, Россия, Китай, США, Индия, Южная Корея, Япония, Канада и Казахстан. Реактор ITER именно экспериментальный, не являющийся станцией генерации электроэнергии для потребителей.

tokamak_proekta_iter

Токамак проекта ITER – тороидальный реактор для осуществления дейтерий-тритиевой термоядерной реакции

Эта установка будет использовать классическую термоядерную реакцию слияния ядер дейтерия и трития с получением гелия, образованием нейтронного потока и выходом энергии. Протекание электротока большой силы в плазме токамака обеспечит её разогрев до 150 млн. К, кинетическая энергия ядер трития и дейтерия станет достаточной, чтобы кулоновский барьер был преодолён и термоядерная реакция синтеза началась.
С производством дейтерия проблем нет – десятки тысяч тонн дейтерия в год получаются в результате несложных реакций с участием воды, а вот трития в свободном виде на нашей планете чрезвычайно мало, небольшое его количество образуется в верхних слоях атмосферы под действием солнечного ветра и космических лучей. Потому промышленный тритий получают облучением изотопа лития нейтронами в ядерных реакторах.
Следом идёт концептуальное проектирование уже действующей электростанции DEMO, использующей термоядерный синтез. Оно должно быть закончено к 2017 году, и начнётся этап инженерного проектирования этой ТЯЭС. Первая же её очередь должна быть введена в строй в 2033 году. Термоядерная электростанция DEMO будет также использовать реакцию синтеза ядер двух упомянутых элементов, но плотность её плазмы в токамаке на треть выше, чем в установке ITER.

Гелиевое термоядерное топливо

Тем не менее, учёные и инженеры смотрят ещё дальше и выдвигают пока теоретический проект создания термоядерного реактора, в котором тритий заменят на гелий-3. В этом случае отсутствует интенсивный нейтронный поток, присущий дейтериево-тритиевой реакции и подвергающий разрушению стенки реактора и его магнитную систему; становится ненужным усложнение конструкции реактора и, соответственно, его удорожание. После окончания эксплуатации дейтерий-гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет очень мала.
Проблема в том, что на Земле изотопа гелия с массовым числом 3 чрезвычайно мало. Рождается он на Солнце, отчего иногда называется «солнечным изотопом». Его общая масса там превышает вес нашей планеты. В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого солнечного потока, а потому гелий-3 составляет лишь несколько триллионных долей земной атмосферы – не более 30 тыс. т в крайне распылённом состоянии. На самой Земле его ещё меньше – около 500 кг.
На Луне из-за ничтожности её магнитного поля этого изотопа значительно больше. В лунном реголите гелий-3 накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. В результате 1 т лунного грунта ныне содержит 0,01 г этого элемента.
Высокое содержание гелия-3 в лунном реголите ещё в 1970 году обнаружил физик Боб Пепин, изучая образцы грунта, доставленные американскими космическими кораблями «Аполлон». Однако это открытие не привлекало внимания до 1985 года, когда физики-ядерщики из университета Висконсина во главе с Дж. Кульчински «переоткрыли» лунные запасы гелия.

yuzhnyy_polyus_luny_vnizu

Южный полюс Луны (внизу)

Анализ шести образцов грунта, привезённых экспедициями «Аполлонов», и двух образцов, доставленных советскими автоматическими станциями «Луна», показал, что в реголите в радиусе нескольких десятков километров от мест посадок земных космических аппаратов может содержаться более 100 т гелия-3. Это обеспечило бы потребности энергетики человечества, даже увеличенные по сравнению с современными в несколько раз, на тысячелетие! В настоящее время считается, что общие запасы гелия-3 на Луне от 500 тыс. до 10 млн. т!
Кроме Луны гелий-3 можно найти в плотных атмосферах внешних планет (Юпитер, Уран, Нептун), и, по теоретическим оценкам, запасы его только на Юпитере составляют несколько десятков млн. т!

Проекты добычи гелия-3

Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. Для того чтобы добыть драгоценный изотоп, необходимо переработать огромное количество рассыпчатого лунного грунта.

proekt_lunnoy_dobyvayushchey_ustanovki_0

Проект лунной добывающей установки

С учётом всех особенностей технология добычи гелия-3 должна включать следующие процессы:
1. Добыча реголита. Специальные комбайны будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиной около 2 м и доставлять его на пункты переработки или перерабатывать непосредственно в процессе добычи.
2. Выделение гелия-3 из реголита. При нагреве реголита до 600 °С выделяется (десорбируется) 75 % содержащегося в реголите гелия, при нагреве до 800 °С – почти весь гелий. Нагрев пыли предлагается вести в специальных печах, фокусируя солнечный свет линзами или зеркалами.
3. Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования.
При добыче гелия-3 из реголита извлекаются и другие вещества: водород, азот, углекислый газ, метан, – которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.
Понятно, что кроме доставки комбайнов на Луну там нужно будет построить обитаемую базу, космодром, хранилища и другое. Считается, тем не менее, что высокие затраты на создание развитой инфраструктуры на Луне окупятся благодаря тому, что предстоящий глобальный энергетический кризис заставит отказаться от традиционных видов энергоносителей: угля, нефти, природного газа.

Главная технологическая проблема

На пути к созданию энергетики на основе гелия-3 возникает серьёзная проблема. Дело в том, что реакцию дейтерий–гелий-3 осуществить гораздо сложнее, чем реакцию дейтерий–тритий. Расчётная температура, при которой пойдёт термоядерная реакция в дейтерий-тритиевой смеси, – около 200 млн. градусов. При использовании гелия-3 требуемая температура в несколько раз выше. Фактически мы должны зажечь на Земле маленькую, но очень горячую звезду.
Однако история развития ядерной энергетики демонстрирует увеличение генерируемых температур на порядок в течение 10 лет. В 1990 году на европейском токамаке JET уже жгли гелий-3, при этом полученная мощность составила 0,2 МВт. Примерно тогда же на американском токамаке TFTR была достигнута температура, необходимая для протекания термоядерной реакции в дейтерий-гелиевой смеси. Планируется отработка данной технологии на российских реакторах.

Освоение Луны как национальный проект

Корпорация «Роскосмос» в сотрудничестве с Институтом космических исследований РАН разработали российскую программу освоения Луны. Предлагается использовать участки поверхности Луны как научный полигон для масштабных астрономических и геофизических исследований. Программа изучения и освоения Луны разделена на этапы, объединённые общей стратегической целью и различающиеся по методам работы на Луне. Одной из целью лунной программы России, возможно, станет промышленная разработка гелия-3 на земном спутнике.
На первом этапе, спланированном до 2028 года, предполагается изучение Луны автоматическими станциями: выбор площадки для создания лунной базы. Уже сейчас известно, что она расположится в районе южного полюса, но точное её место будет выбрано после того, как автоматические миссии предоставят всю информацию о ресурсах, необходимых для снабжения и обеспечения фронта работ будущей базы, включая энергию (освещение Солнцем), о наличии водяного льда, гелия-3 и др.
Второй этап, 2028–2030 годы, – переходный, необходимый для отработки операций по подготовке высадки на Луну пилотируемой экспедиции: полёты космонавтов на окололунную орбиту на корабле нового поколения, окололунные стыковки корабля с различными модулями и иные операции.
На важном, третьем, этапе, до 2040-х годов, планируется создать лунный полигон с первыми элементами инфраструктуры. Пилотируемые полёты на Луну предполагаются в виде кратковременных экспедиций посещения полигона. Целью космонавтов будут научные исследования, поддержка в должном состоянии технического оборудования.
И на четвёртом, решающем, этапе на основе лунного полигона должна быть создана постоянная обитаемая лунная база с космодромом, астрономической обсерваторией и другими отсеками специального назначения. Этот этап планируется к реализации после 2040 года. Будут осуществляться мониторинг Земли с Луны, отработка эксплуатации новой космической техники, эксперименты по использованию лунных ресурсов. Вот на этом этапе и возможны начало добычи гелия-3 и отправка его на Землю космическими челноками многоразового использования.

proekt_osvoeniya_luny_rossiey

Проект освоения Луны Россией

Значительный временной промежуток до начала добычи гелия-3 на Луне не должен смущать: к 2040-м годам как раз и возникнет целесообразность инженерного проектирования термоядерных реакторов, работающих на дейтерий-гелиевом синтезе. Тогда станет актуальной и разработка лунных ресурсов.
Проект гелиевой термоядерной энергетики, безусловно, станет международным, как и проекты тритиевой термоядерной энергетики. И у России в нём может быть очень заметное, если не ведущее место. Всё в руках учёных, инженеров и людей, принимающих ответственные политико-экономические решения. Пожелаем успеха всем неравнодушным, творческим, квалифицированным учёным и инженерам, отдающим свой талант на благо процветания своих стран и всего человечества.
Автор: Орлов Л.Д., член Российского философского общества, специалист по космической технике.

Источник:http://www.delphis.ru/journal/article/osnovy-energetiki-budushchego