№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 629.786.2:535.2:523.6:621.039.9
© 2008 г. ИЗРАЭЛЬ Ю.А., ЛИОЗНОВ Г.Л., РАСНОВСКИЙ A.A.
ВОЗМОЖНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ И ЯДЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РЕФОРМИРОВАНИИ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ XXI ВЕКА
Изложены основы концепции практической реализации экологических сценариев развития мировой (и российской) энергетики путем создания экологически безопасной орбитальной системы, поставляющей энергию на Землю. Предлагается использовать для ее сооружения железные астероиды, доставляемые на высокие геоцентрические орбиты сериями ядерных взрывов, и передавать энергию в виде отраженного солнечного света, концентрируемого на заданных участках поверхности Земли. Обосновывается актуальность развития космонавтики в этом направлении. Описаны некоторые создания не позднее середины XXI века первой стадии орбитальной системы.
Введение. Великие достижения XX века - овладение ядерной энергией (США, 1943-45 гг.) и выход в космос (СССР, 1957-61 гг.) резко повысили значение науки и технологий для развития мира. После Второй мировой войны соревнование СССР и США стало определяющим фактором научно-технического развития и привело к общему прогрессу человечества, названному впоследствии научно-технической революцией (НТР).
Значение упомянутых отраслей науки и техники несомненно, однако, признаки замедления их развития в ведущих странах в мирных направлениях по ряду объективных и субъективных обстоятельств начали проявляться в середине 80-х гг. Примерами являются: прекращение работ по перспективному направлению мирных применений ядерных взрывов; низкая доля ядерной энергии в мировом энергобалансе - менее 3%; ракетно-космическая техника (РКТ) осталась в основном военной технологией, а мирные направления (связь, дистанционное зондирование Земли, полеты к планетам, телескоп "Хаббл" и т.п.) не могут обеспечивать ее бездотационное развитие; разрабатывавшиеся ядерные и электроядерные ракетные двигатели так и не востребованы. Главное замедление - отсутствие каких-либо импульсов для распространения РКТ в энергетическое и материальное производство, что ее основоположниками подразумевалось изначально. В России это было усугублено "достижениями" перестройки, "ускорения" и рынка. Застой отраслей привел к тому, что высвободившийся с началом ракетно-ядерного разоружения (1987 г.) огромный энергетический потенциал ядерных зарядов (рис. 1), эквивалентный более 1,5 млрд. т лучшего ракетного топлива кислород + водород, не был эффективно использован, а он мог бы, как показывают авторы статьи, иметь большое значение для человечества.
В то же время вызванный соревнованием двух систем экономический рост создал к середине 60-х годов серию взаимосвязанных и нарастающих глобальных угроз из-за нерационального производства и потребления в индустриально развитых странах, демографического взрыва в развивающихся странах и глобального изменения среды обитания, в т.ч. потепления климата.
Технологическая и финансовая глобализация не оправдывает надежд на преодоление с ее помощью глобальных проблем, скорее наоборот. Для их смягчения ООН вы-
Рис. 1. Изменение количества ядерных зарядов в период 1950-2000 гг.
1018 • Дж/г.
Годы
Рис. 2. Глобальное потребление первичной энергии в 1850-1990 гг. и три группы сценариев в 1990-2100 гг. На рисунке показаны пределы будущего потребления энергии для других сценариев, имеющихся в литературе. Разброс диапазона сценариев в 1990 г. указывает на неопределенность потребления энергии базисного года. [Источники: Nakichenovich, Grubler, and McDonald, 1998; Morita and Lee, Nakichenovich, Victor, and Morita, 1998]
двинула концепцию устойчивого развития, как "развития, удовлетворяющего потребности живущего поколения, не лишая будущие поколения таких же возможностей", и создала финансовые механизмы для поддержки необходимых действий. Среди составляющих глобальных проблем находятся проблемы энергетики, такие как глубокий разрыв в энергообеспечении развитых и развивающихся стран, ограниченность и неравномерное распределение на Земле всех видов энергоресурсов, опасные выбросы, деградация окружающей среды (потеря биоразнообразия) и антропогенная доля потепления климата [1-3].
На рис. 2 даны варианты прогнозов роста глобальных мощностей первичных источников энергии в XXI веке из [3], рассчитанные для нескольких групп сценариев развития. Требованиям устойчивого развития отвечает только группа сценариев C. Эти сценарии предусматривают наименьшие темпы роста: 20 млрд. кВт в 2050 г. и 27 млрд. кВт в 2100 г. (при 13,5 млрд. кВт в 1990 г.).
В [3] обосновывается, что к устойчивому развитию ведет не только умеренный темп роста глобального энергопотребления, но и такое направление развития энергетики, которое обеспечит возрастание в ее структуре возобновляемых источников энергии (ВИЭ) - солнечной и биомассы. ВИЭ-сценарии (см. рис. 3) требуют наименьших затрат.
Доля солнечной энергии должна достичь к середине XXI века 15-20% и к концу века - 30-40% от общего производства энергии, а биомассы (тоже солнечной энергии в аккумулированной форме) до 12 и 24% соответственно (вместе с традиционными, так называемыми, некоммерческими возобновляемыми топливами > 15 и 26%). Эти оцен-
ки учитывают принципиальные ограничения любых земных технологий использования Солнца - неравномерность инсоляции по широтам, ее суточное и годовое изменения, изменения при облачности. Снятие ограничений позволило бы намного увеличить указанные доли в энергобалансе, но для этого нужны управляемые поставки на Землю дополнительной солнечной энергии из космоса.
Следует заметить, что при прогнозируемом в [3] росте численности населения до 12 млрд. человек к 2100 г. большая часть прироста глобального производства энергии по критериям устойчивого развития должна быть достигнута в бедных и развивающихся странах с помощью развитых стран для снижения вопиющих диспропорций в душевом энергопотреблении. Консолидация всех стран мира вокруг такой задачи является фундаментальной политической задачей, над которой должны работать мировые лидеры. Развитые страны должны направить свои усилия на повышение эффективности использования энергии без существенного прироста своего энергопотребления.
Потенциальные возможности ракетно-космической техники позволяют расширить и ускорить применение ВИЭ. По экономическим и экологическим соображениям космический сектор в сценариях устойчивого развития мировой энергетики представляется необходимым и неизбежным.
Из ряда публикаций следует, что рост глобальных угроз и большое время, необходимое для глобального внедрения новых технологий энергетики (более полувека), требуют принятия решения о начале программы использования экологически чистой энергии из неограниченных ресурсов космоса уже сегодня [4-7]. Это позволило бы не позднее середины XXI века (быть может раньше) создать первый этап орбитальной системы энергоснабжения Земли и обеспечить ее дальнейшее развитие. Авторы статьи придерживаются такого же мнения.
Достижение в "холодной войне" почти трехкратного превосходства СССР над США в ракетно-ядерном потенциале не обеспечило нашей стране социально-экономического лидерства, в то же время мирные наукоемкие технологии приобрели решающее значение. На рынке наукоемкой продукции в начале XXI века у США было 39%, у Японии - 30%, у Германии - 16%, у России - < 0,3%. Поэтому для России важно, чтобы это положение в течение десяти ближайших лет изменилось, и она имела бы 1012% удельного веса на мировом рынке наукоемкой продукции.
Ядерная и ракетно-космическая отрасли сыграли решающую роль в ускорении технического прогресса СССР. Еще оставшийся в России научно-промышленный потенциал этих отраслей может в более короткий срок помочь решить задачу увеличения доли России в мировой наукоемкой продукции. Для этого нужна востребованная мировым сообществом важная область их долгосрочного мирного применения. Именно такой цели отвечает предлагаемая концепция развития мировой энергетики (в долгосрочном плане изменения всего образа жизни человечества) на основе ракетно-космических и ядерно-взрывных технологий.
Выбор концепции создания космической энергоиндустриальной системы
Единственным на сегодня конструктивно и отчасти экономически проработанным орбитальным мегапроектом является предложенная в 1968 г. П. Глейзером (США) [8] система из 60 солнечных космических электростанций (СКЭС) [8, 9]. СКЭС представляет собой высокотехнологичную платформу размером 5 х 10 км и массой 30-50 тыс. т, покрытую солнечными батареями, передающую с геостационарной орбиты (ГСО) на Землю СВЧ-радиолучом через антенну диаметром 1 км мощность 5 млн. кВт.
Диаметр наземной приемной антенны для каждой СКЭС - 10 км и зоны отчуждения - 30 км. Использование СВЧ-передачи указанной мощности представляет экологические угрозы, их последствия трудно предсказать.
Общая масса системы - 2-3 млн. т, которая доставляется на ГСО с Земли, поэтому при сооружении системы СКЭС грузопоток Земля-ГСО должен составить ~60-100 тыс. т в год в течение 30 лет, на это ежегодно потребуется до 4-7 млн. т ракетного топлива.
%
100
80
60
40
20 0
1850 1900 1950 2000 2050 2100 1850 1900 1950 2000 2050 2100 Годы Годы
Рис. 3. Сценарии структурных изменений первичных энергоносителей в интересах устойчивого развития (различия - свертывание или развитие ядерной энергетики). [Источник: World Energy Assesment: Energy and the Chellendge of Sustainability]
Существенная часть продуктов сгорания при этом выбрасывается непосредственно в озоновый слой, что, по-видимому, недопустимо из-за возможных климатических последствий. Аварийность ракет при названном грузопотоке также представит экологические угрозы.
СКЭС по расчетам могла бы окупиться за 20 лет при условии, что удельная стоимость доставки грузов с Земли на ГСО будет порядка одной-двух сотен долл/кг. Это на два порядка ниже современного уровня, так что очевидна экономическая проблема подобных проектов. Возможно, по этим причинам в Повестке дня на XXI век космонавтике отведено незначительное место [2]. Система СКЭС могла бы покрывать лишь ~25% потребности США н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.