Лазерный мир

Мельников В.М. //  Россия: тенденции и перспективы развития, 2021

Главными проблемами современности являются стабилизация климата и замещение нефти природоохранными технологиями. Об этом говорил В.В. Путин в своем докладе на юбилейной 70 Ассамблее ООН. Космическая техника способна решить одновременно обе эти проблемы путем создания космических солнечных электростанций (КСЭС), транслирующих энергию на Землю. Развитие систем беспроводной передачи энергии способно кардинальным образом повлиять на определяющие стороны жизни всего человечества. Это энергообеспечение, энергетическая и экологическая безопасность, обороноспособность, информатизация. Возможно создание уникальной технологии в области космического электричества, которая обеспечит участие космической техники в решении важнейших социально-экономических задач

В КСЭС по традиционной схеме электроэнергия вырабатывается в космосе от солнечных батарей (СБ) с КПД до 40-0%. В непосредственной близости от СБ электроэнергия на твердотельных лазерах преобразуется в лазерный луч с КПД до 80%. Сопровождающие эти процессы потери остаются в космосе и на наземную среду не влияют. Возможна схема преобразования на волоконных лазерах с солнечной накачкой, где даже нет СБ. Критичными являются потери на приемных СБ с КПД 40-60% и потери в нижних слоях атмосферы в канале с диаметром 40-50 м, что требует создания лазеров, работающих в окнах прозрачности атмосферы, например, на длинах волн 1,3; 3,8 или 9 мкм. В целом из приведенного сравнения традиционных средств энергетики и лазерных КСЭС следует превосходство КСЭС из-за локальности воздействия (площадка диаметром 40-50 м), низкой стоимости вырабатываемой энергии (в 6 раз дешевле ее выработки на Земле по японским оценкам) и отсутствия химической токсичности и радиации, а также интенсивного нагрева окружающей среды, что приведет при повсеместном использовании КСЭС к стабилизации климата и замещению нефти.

3. Новые концепции и подходы к созданию космических энергосистем

За последние годы появились новые концепции и подходы к созданию космических энергосистем, отсутствовавшие еще 8-10 лет назад, базирующиеся на новейших научно-технических достижениях в физике и технологии лазеров и создании бескаркасных центробежных космических конструкций, к которым все в возрастающей мере привлекается внимание мировой научно-технической общественности и которые могут гарантировать при создании космических солнечных энергосистем значительное снижение финансовых затрат и времени на их реализацию по сравнению с альтернативными проектами прошлых лет. За последние 10 лет произошло кардинальное изменение следующих базовых концепций создания КСЭС:

— СВЧ диапазон генерирования и передачи энергии начинает уступать место лазерному (ИК), соответственно меняются системы наведения и управления энергетического луча и космического аппарата в целом;

— концепция одной крупномасштабной (1-10 ГВт) станции меняется на большое количество малых информационно-связанных и сверхточно управляемых космических аппаратов;

— место каркасных крупногабаритных конструкций стремятся занять бескаркасные центробежные.

Лазеры имеют на 5 порядков меньшую расходимость луча по сравнению с СВЧ излучением. Это значит, что с геостационарной орбиты на Землю диаметр пятна от лазера на длине волны 1 мкм составит 36 м, а в СВЧ диапазоне на оптимальной длине волны 2,5 см диаметр пятна составит 15-20 км. Массовые характеристики на КСЭС с бескаркасными центробежными пленочными солнечными батареями и полупроводниковыми и волоконными лазерами могут быть уменьшены более чем в 10 раз по сравнению с КСЭС с каркасными солнечными батареями и СВЧ системами.

Следует отметить, что эффективность (массогабаритные характеристики, радиационная стойкость и проч.) и КПД элементов КСЭС непрерывно повышаются, как элементная база в электронике, и могут гарантировать значительное совершенствование КСЭС в перспективе1.

4. Российские предложения

Для успешной конкуренции с США и Японией необходимы принципиально новые решения, отличные от тех, на которых базируются конкуренты, где Россия имеет существенный научно-технический задел. Такими решениями являются использование космических крупногабаритных бескаркасных формируемых центробежными силами конструкций и волоконных световодов и лазеров, по которым Россия имеет 85% мирового производства, освоенного в

1 Мельников В.М., Бруевич В.В., Паращук Д.Ю., Харлов Б.Н. Волоконные лазеры с солнечной накачкой, формируемые центробежными силами как новое направление в создании космических информационно-энергетических систем // Космонавтика и ракетостроение. 2014. — № 6. — С. 104-112; Райкунов Г.Г., Комков В.А., Сысоев В.К., Мельников В.М. Космические солнечные электростанции — проблемы и перспективы. — М: РУДН, 2017. — 283 с.

Прием лазерного луча привязным аэростатом

Чтобы не создавать отрасль аэростатостроения для приема лазерного луча выше облачности, что не эффективно по ряду вышеприведенных соображений, проще разработать полупроводниковый лазер в диапазоне, например, 1,3 мкм (рис. 6) окна прозрачности атмосферы (также 3,8 и 9 мкм) на первом этапе создания КСЭС на базе тонкопленочных солнечных батарей и запитываемых ими полупроводниковых лазеров, пока не созданы волоконные лазеры с солнечной накачкой, и в перспективе на втором этапе создать волоконный лазер с солнечной накачкой на той же длине волны.

Экологическая опасность КСЭС с лазерной (ИК) концепцией передачи энергии значительно меньше по сравнению с СВЧ-способом и связана со следующими обстоятельствами:

— меньшим биологическим воздействием, поскольку СВЧ-луч проходит, аналогично радиосигналу, через биологическую структуру и оказывает на нее объемное воздействие, в то время как ИК-луч, аналогично световому диапазону длин волн, оказывает только поверхностное воздействие, которое можно эффективно экранировать;

-локальность приема и воздействия энергии, на несколько порядков меньшая площадь приема;

— принципиальная возможность расфокусировки лазерного луча до любого требуемого уровня при невозможности точного наведения на приемную ректенну и других нештатных режимах.

Генерируемый на геостационарной орбите лазерный луч на пути к Земле может потенциально оказывать влияние на научную, коммерческую или военную аппаратуру находящихся на более низких орбитах космических аппаратов, самолетов и иные воздушные летательные аппараты (например, неуправляемые метеорологические зонды), а также птиц. Высокая относительная скорость пролета космического аппарата через лазерный луч не может привести к ощутимому перегреву конструкции в целом, однако не исключены эффекты вывода из строя (засветки) чувствительных элементов датчиковой или иной аппаратуры при прямом попадании лазерного света ИК-диапазона, что должно учитываться при проектировании таких аппаратов. Для самолетов необходимы карты запретных районов и строгие правила их соблюдения. Для птиц (гусиных стай, уток, чаек и прочих пернатых) в перспективе возможны мероприятия, аналогичные рыбоотводам в водозаборных сооружениях, основанные на различных физико-биологических принципах (отпугивающее инфразвуковое воздействие, бликующее световое воздействие и проч.), что потребует специальных исследований и разработок.

Схема с солнечной накачкой волоконного лазера представляет наибольший интерес, поскольку не требует солнечных батарей. Однако на сегодняшний день в достаточной для использования в КСЭС мере такие лазеры не разработаны. Необходимо определить характер и величины влияния лазерного тракта на экологию окружающей среды и провести сравнение с ядерными и тепловыми электростанциями, которые непосредственно нагревают окружающую среду с дополнительной опасностью ядерного или химического заражения. Следуя рис. 7 первые 3 позиции остаются в космосе. Это фотопреобразователи солнечных батарей, вторичные преобразователи и преобразование электроэнергии в лазерное излучение, транспортирование световой энергии по световодам или волоконному лазеру, потери в оптической системе наведения на Землю. Эти потери на земной баланс потерь и экологию окружающей среды не влияют. На них оказывают влияние последние 3 позиции: наземные фотопреобразователи, воспринимающие лазерный луч; инверторы, преобразующие постоянный ток и напряжение от солнечных батарей в параметры силовой сети потребителя по частоте, фазе и напряжению. Сюда должны входить потери лазерного луча при прохождении атмосферы. Современные силовые инверторы имеют КПД более 90%. В целом из приведенного сравнения традиционных средств энергетики и лазерных, а также СВЧ КСЭС следует превосходство лазерных КСЭС.

9. Конструктивный облик КСЭС

Выбор рационального проектно-конструкторского облика энергоустановок большого масштаба является важнейшим этапом обеспечения их эксплуатационной надежности. На рис. 9 приведена принципиальная схема компоновки центробежной КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой. Принципиальным преимуществом этой схемы является отсутствие солнечных батарей, и, следовательно, цикла преобразования солнечной энергии в электрическую на солнечных батареях и цикла преобразования этой электрической энергии в лазерную на твердотельных ла-

зерах. Солнечная накачка сразу запитывает лазер. При этом не только исключаются два цикла преобразования с сопутствующими потерями, но сильно упрощается конструкция и более чем в 10 раз снижаются ее массовые характеристики. В работе1 указаны пути создания эффективных волоконных лазеров с солнечной накачкой. Вырисовываются направления совершенствования КСЭС в перспективе. Это повышение эффективности солнечной накачки лазеров (создание микролинз на поверхности волоконного лазера, снижение порога генерации и смещение длины волны в окно прозрачности атмосферы 1,4 мкм) и подавление колебаний платформы с вращающимися конструкциями.

Полное содержание на https://cyberleninka.ru/article/n/tsentrobezhnye-lazernye-kosmicheskie-solnechnye-elektrostantsii/pdf