№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2009
УДК 621.039:621.31
© 2009 г. АКИМОВ В.Н., ДАНИЛЕВИЧ Я.Б., КОВАЛЕНКО А.Н., КОРОТЕЕВ А.А., МАНСУРОВ B.C., НЕСТЕРОВ В.М.
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ ОБИТАЕМЫХ ЛУННЫХ БАЗ
Рассмотрены варианты построения систем энергообеспечения стационарных лунных баз на основе использования солнечной, ядерной энергии и топливных элементов. Проведено сравнение вариантов систем энергоснабжения с учетом их характерных эксплуатационных особенностей, степени проработок, стоимости проектирования, изготовления, доставки, размещения и развертывания. Обсуждены основы концепции капельных холодильников-излучателей космических энергетических установок нового поколения, отличающихся повышенной мощностью, метеорной неуязвимостью, длительными сроками активного существования.
Введение. В связи с успешным освоением околоземного орбитального пространства и ростом интереса к расширению космической деятельности, в т.ч. у новых участников, таких как Китай, Индия, объединенная Европа, актуальным становится вопрос о создании обитаемых стационарных баз в ближнем космосе, в первую очередь на Луне. Ведущие космические державы планируют использование спутника Земли для добычи полезных ископаемых из внеземных сырьевых ресурсов, переноса в космос экологически опасных производств, строительства там энергетических станций с целью решить проблему истощения запасов земных ископаемых, прежде всего энергоносителей, и снизить экологическую нагрузку на Землю. Реализация этих задач требует не только дальнейшего развития средств выведения космических аппаратов, но и развертывания систем жизнеобеспечения для стационарных инопланетных баз, других составляющих космической техники вместе с необходимой инфраструктурой и мощными источниками энергии. Полувековая история космонавтики свидетельствует о том, что осуществление подобных крупномасштабных проектов приводит к достижению качественно новых уровней развития ракетно-космической техники и может быть определенным вкладом в подготовку пилотируемых экспедиций на Марс, дальнейшее освоение ресурсов космоса. Активизация исследований и развитие космической деятельности России с охватом расширенного круга задач предусмотрены Федеральной космической программой на 2006-2015 годы.
Этапы разработки. Опыт отечественных проектно-поисковых работ по созданию лунного экспедиционного комплекса и концепции освоения Луны с использованием стационарных обитаемых баз [1] позволяет сформулировать основные этапы решения рассматриваемых задач.
На первом этапе должна быть создана постоянная база (аванпост) с ограниченной численностью персонала, проведено развертывание научного комплекса и экспериментального производства элементов систем жизнеобеспечения обитаемой лунной базы и топлива ракетных двигателей. В процессе функционирования базы будут постепенно осваиваться технологии переработки лунного грунта и производства отдельных материалов, прежде всего, топливо-энергетического назначения.
На втором этапе предусматривается расширение функций, увеличение численности персонала, рост производственных мощностей для снабжения сырьем окололунного производственного комплекса, заправки многоразовых межорбитальных транспортных средств лунными топливными компонентами. На этом этапе могут начать создаваться первые лунные энергетические и производственные системы.
На третьем этапе осуществляется переход к энергетическому самообеспечению функционирования лунных баз, которые приобретают разветвленную инфраструктуру. Лунное сырье, полуфабрикаты, топливные компоненты доставляются в значительных количествах на околоземный орбитальный производственно-транспортный комплекс. Развертываются лунные энергетические системы.
Задачи энергообеспечения лунных баз и поддержания нормальных условий жизнедеятельности космонавтов требуют создания источников тепловой и электрической энергии. На начальном этапе необходимы энергоустановки (ЭУ) мощностью 2550 кВт для функционирования лунной базы с постоянным персоналом четыре-шесть человек и проведения научных исследований. Для этого используются привозное топливо (ракетное, углеводородное, ядерное) и местные источники энергии (солнечное излучение). На последующих этапах потребуются ЭУ мощностью в сотни и более киловатт, работающие полностью на лунном топливном сырье и других автономных источниках.
Приведенные оценки основываются на предварительных результатах определения затрат энергии, в т.ч. на добычу и переработку сырья, и учитывают обоснованный выбор места базирования и природных ресурсов Луны, пригодных для использования в указанных целях на различных этапах экспедиции. В качестве перспективных разработок рассматривались, прежде всего, возможности сырьевого обеспечения лунного производства водорода и кислорода как компонентов ракетного топлива для транспортных аппаратов и стационарных топливных элементов (электрохимических генераторов) для лунной базы. В дальнейшем по мере решения проблем термоядерной энергетики предполагается широкое использование 3Не.
Местные энерго-сырьевые ресурсы для получения водорода и кислорода. При нагреве рыхлого (средняя пористость ~50%) грунта Луны (реголита, который у поверхности на 50-70% состоит из тонкого пылевидного вещества с диаметром частиц 7080 мкм и более крупных (до 3 мм) фрагментов местных магматических пород - базальтов, габбро, долеритов, анортозитов, норитов, троктолитов, а также частиц, образовавшихся при ударной метеоритной переработке лунной поверхности (брекчии, шлаки, агглютинаты, стекла)), до температуры ~1000 К из него выделяется значительная часть летучих (Н2, СО, С02, N2, 4Не, 3Не, №, Аг, Кг, Хе и др.) компонентов. Эти компоненты являются имплантированным веществом солнечного ветра в лунном грунте, основную долю которого составляет водород (~30-35% массовой доли компонентов в смеси из образцов грунта, доставленных экспедицией "Аро11о-11 и 12" из Моря Спокойствия). Сравнение состава лунных пород, доставленных советскими автоматическими станциями "Луна-16", "Луна-20" и "Луна-24" из трех районов Луны: Моря Изобилия, материкового района вблизи кратера Амегино и Моря Кризисов, показало удовлетворительное сходство с данными образцов американских экспедиций, несмотря на то, что расстояние между местами посадки аппаратов изменяется от 900 до 2500 км [2].
Наибольшее количество водорода содержится во фракциях грунта с повышенным содержанием оксидов титана (например, в ильмените). В настоящее время предложен ряд технологий и конструктивных схем установок для получения водорода из реголита. Одним из возможных методов выделения водорода из состава смеси летучих компонентов является ускоренная диффузия нагретого водорода через тонкую металлическую стенку, выполненную, например, из палладия.
Уникальная сырьевая база лунных минералов первичных магматических пород типа базальтов (плагиоклазы, пироксены, ильменит и оливин), практически на 100% состоящих из окислов ТЮ2, БеО, ZгO2 с незначительными включениями полевошпато-
4 Энергетика, № 1
97
вых анортозитов, редкоземельных и радиоактивных элементов, тория и урана, позволяет обеспечить местное производство кислорода. Известно более десяти концепций получения кислорода из лунных минералов, резко обедненных щелочными элементами, и по сравнению с земными базальтами практически не содержащими воды. Часто в литературе в качестве базовой технологии получения кислорода из лунных пород описывается процесс восстановления ильменита водородом:
БеТЮз + Н2 = Бе + ТЮ2 + Н20 (температура ~1500 К),
электролиз л
. - (
2
Н20 Н2 + - 02 ^ ожижение.
Водород в этих реакциях циркулирует в замкнутом контуре, поэтому требуется только незначительная подпитка для компенсации его утечек. Причины такого выбора следующие:
- ильменит широко представлен в составе базальтов лунных морей (с концентрацией до 20%);
- входящий в состав ильменита диоксид титана ТЮ2 содержит наибольшее количество имплантированного из солнечного ветра водорода; поэтому ильменит также рассматривается и как источник водорода;
- ильменит - магнитный материал, это облегчает обогащение исходной руды;
- меньшая энергоемкость процесса по сравнению с восстановлением ильменита при помощи СО или СН4, составляющая ~300 кВт на производство 100 т кислорода в год.
Такое количество кислорода позволяет обеспечить до семи стартов с Луны с полезной нагрузкой ~18 т при транспортных операциях, связанных с функционированием лунной базы. Для каждого из них необходимо 14,1 т кислорода (с переработкой ~1500 т лунного грунта в радиусе ~20 м на глубину 1 м [1] при удельной энергоемкости процесса ~26 кВт ч/кг 02) и 1,76 т водорода (с переработкой около 100-150 т лунного грунта средней плотности 1,2 т/м3 при удельной энергоемкости процесса ~2500 кВт ■ ч/кг Н2), тогда как выделяющаяся тепловая энергия при полном сгорании водорода с образованием Н20 составляет 120000 кДж/кг (~33 кВт ■ ч/кг Н2). Поскольку процессы получения Н2 и 02 из местного сырья достаточно сложны, весьма энергоемки и требуют доставки на Луну тяжелого оборудования, целесообразность использования в составе лунной энергетической системы кислородно-водородных электрохимических генераторов (топливных элементов) связана с решением задач накопления энергии в виде газообразных Н2 и 02, получаемых в указанной технологии электролизом воды (регенеративная система), и с разработкой независимых дополнительных источников электрической энергии для питания электролизеров.
0птимальным местом для размещения лунной базы многие специалисты считают районы вблизи полюсов Луны, в частности, предложенную американской группой лунной архитектуры область на валу кратера Шеклтон в 4,5 км от южного полюса. Такой выбор обусловливается рядом преимуществ. Прежде всего, в отличие от экваториальных и средних широт, где продолжительности "лунного дня" и "лунной ночи" близки и составляют ~14 земных суток в силу особенностей движения Луны (малый наклон плоскости лунного экватора к плоскости лунной орбиты и к эклиптике), освещенность Солнцем южного полюса составляет ~70% времени среднемесячно, что облегчает решение проблемы энергосна
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.