Привет, Хабр! Тем, кто интересуется перспективами освоения космоса, которое невозможно без прогресса в ИТ: мое интервью с ученым и конструктором космических аппаратов Иваном Соболевым о том, как человечество, выйдя за пределы нашей Колыбели, может спасти биосферу Земли, освоив энергоресурсы вселенной.
Трудовую биографию выпускник аспирантуры МГТУ (кафедра Космических аппаратов) Иван Соболев начал в Центре им. Хруничева, где занимался разработкой пилотируемого космического корабля нового поколения. А также проектами марсианского экспедиционного комплекса и лунной транспортной системой для обитаемой базы. Космическому сообществу Соболев также знаком как технический директор проекта «Селеноход», разрабатывавшего проект малогабаритного лунного ровера для участия в конкурсе Google Lunar X-Prize. Иван работал ведущим конструктором одного из первых в России частных космических предприятий «Даурия Аэроспейс», затем трудился в предприятиях ракетно-космической отрасли.
С космическим инженером-конструктором Соболевым мы встретились на его лекции в Московском институте стали и сплавов, где Иван выступал с визионерским докладом «Космонавтика как путь сохранения экосистемы Земли». Проблематика доклада: энергетический вызов, с которым человечество столкнется уже совсем скоро. Причем, не с одним, а с множеством: за пару тысячелетий активного воздействия homo sapiens на нашу планету их скопилось много.
— Иван, вы в своем докладе говорили, что человечество неминуемо осознает, что мы зашли в энергетический тупик, и что альтернативы развитию космической энергетике не существует?
— Думаю, что когда человечество уже «встанет перед фактом» может оказаться, что предпринимать и развивать что-либо будет просто поздно. И это не «страшилка», это реальность. В настоящий момент более 70% энергопроизводства Земли осуществляется на тепловых электростанциях, потребляющих органическое топливо — нефть, уголь, газ. Да, в производстве энергия ТЭЦ относительно дешевая. Но пробовал ли кто-нибудь при подсчете этой цены учитывать ещё и тот вред, который наносится планете в ходе добычи топлива для ТЭС, его переработки, транспортировки к потребителю, самого процесса выработки энергии, переработки отходов? Сегодня в развитых странах величина совокупного экономического ущерба от загрязнения окружающей среды составляет 2—7% ВНП, а природоохранные затраты достигают 3—6% ВНП. Практика показывает, что этот коэффициент явно занижен, и по самым оптимистичным оценкам для полного парирования негативных последствий он сегодня должен достигать не менее 7 — 10% ВНП, а по менее оптимистичным — до 30%.
Если с принятием необходимых мер опоздать, то, как показывают некоторые исследования, восстановление биосферы (если оно вообще окажется технологически возможным) потребует затрат, эквивалентных уже 40-50% ВНП всех стран. И тогда значительную часть ресурсов и промышленных мощностей придется сосредоточить уже не на повышении благосостояния человечества, а на обеспечении поддержания условий для его жизни на планете — не самая радостная перспектива, согласитесь.
Кроме того, сегодня считается, что на 1 кВтч произведенной энергии земная энергетика производит 2 кВтч тепла, которое выбрасывается в атмосферу. Да, вопрос о глобальном потеплении пока является дискуссионным, но дискуссионен он не в части того, «возможно ли оно или нет», а в части «является ли сегодняшние симптомы изменения климата признаками его начала?». Сомневаться в том, что при нынешней структуре энергетики неизбежное вместе с ростом населения повышение её мощностей, рано или поздно, скажется на нагреве атмосферы, увы, не приходится. И уже сегодня ограничить прогнозируемый рост температуры величиной 2°C , принятой странами – участниками Рамочной конвенции ООН об изменении климата в качестве предельно приемлемой, с каждым годом становится все более сложной и дорогостоящей задачей.
Альтернативная энергетика в том виде, в котором о ней говорится сейчас (ветряные, приливные, геотермальные и наземные солнечные электростанции), в силу различных факторов, о которых можно говорить очень долго, к сожалению, не обладает потенциалом развития до значений мощностей, необходимых для полного обеспечения земной промышленности. Атомная энергетика сегодня дает лишь около 5% от общей мощности земной энергетики, и уже сейчас проблема захоронения радиоактивных отходов доставляет немало хлопот, а при значительном росте атомного сектора энергопроизводства она может стать глобальной. Да и запасы урана на планете тоже ограничены. На исследования в области термоядерного синтеза тратятся огромные ресурсы, но, к сожалению, даже предсказать сроки появления промышленного образца реактора пока не получается. Таким образом, вполне естественно, что в разных странах появляются предложения получать энергию в космосе и потом транслировать её к потребителям на Землю.
— Коль скоро разговор зашел об атомной энергетике, хотелось бы спросить, насколько, на Ваш взгляд, реален проект «выстреливания» в космос радиоактивных отходов?
— Идея увода радиоактивных отходов в космос сама по себе не нова, уже просчитывались варианты вывода контейнеров на отлетную траекторию. В свое время проводились НИРы, в которых контейнеры с отходами рассматривались в качестве грузов для ракеты «Энергия», были попытки продумать использование для такой задачи и легендарного «Протона». При этом, конечно, повышенное внимание должно уделяться надежности носителя, а сам контейнер на случай аварии оснащается системой аварийного спасения, подобно пилотируемому кораблю. Однако, думается, что такая идея не будет пользоваться очень большим одобрением в обществе. Кроме того — «захоронение» на гелиоцентрической орбите требует очень точного баллистического прогнозирования, гарантирующего, что контейнер «вдруг» не вернется к Земле даже через сотню лет.
Перелет к Солнцу требует высоких энергетических затрат, превышающих даже необходимые для полёта на Марс. Термин же «выстреливать» отсылает к проектам рельсотрона, представляющего собой, по сути, электромагнитную пушку. Но давайте вспомним, что вторая космическая скорость вблизи Земли составляет 11.2 км/с, то есть примерно в 32 раза превышает скорость звука. Полет контейнера после выхода из «ствола» в плотных слоях атмосферы планеты с такой скоростью вряд ли возможен — он просто сгорит, подобно метеориту. Строить же вакуумированный тоннель ускорителя до высоты в несколько десятков километров – задача, мягко говоря, сомнительно реализуемая. Кстати, сама по себе идея электромагнитного ускорителя весьма интересна, если рассматривать его в качестве средства вывода «неделикатных» (то есть допускающих большие ускорения) грузов с поверхности Луны, ведь там атмосфера практически отсутствует! Но к захоронению отходов это уже не будет иметь никакого отношения.
— Вопрос о возможности промышленного производства на Луне, а также орбите Земли: как поможет в перспективе перенос большого промпроизводства экосистеме нашей планеты?
— Вынос производств с Земли, с одной стороны, задача вполне обоснованная. Ведь именно промышленность является потребителем почти 90% того огромного количества энергии, которое цивилизация производит. И лишь оставшиеся 10% необходимы для обеспечения непосредственно жизни. В настоящий момент, если задуматься, мы живем, добываем ресурсы, выращиваем пищу, производим материальные блага и утилизируем отходы производства на одной планете. Так вот, представьте себе квартиру, в которой в одной-единственной комнате находятся прихожая, гостиная, рабочий кабинет, кухня, ванная, мастерская и — извиняюсь, туалет. Было бы очень удобно жить в такой обстановке? Вряд ли. В идеале, конечно, в будущем Земля должна стать местом жизни, творчества и отдыха, а промышленное производство по максимуму вынесено за пределы атмосферы. В этом случае, кстати, производственные мощности обеспечивались бы энергией с космического энергокомплекса, а для энергообеспечения жизни и бытового хозяйства на Земле хватило бы и того, что мы называем сейчас «альтернативной энергетикой».
Другой вопрос что, даже говоря об отдаленном будущем, надо понимать — в космосе будет то производство, которое тяготеет к его сырьевым ресурсам (например, металлам астероидов), его специфическим условиям (невесомости, глубокому вакууму и т.д.) или неисчерпаемым источникам энергии. Кроме того, есть безусловный смысл задуматься о выносе за пределы атмосферы вредных и экологически опасных производств. Но многие из тех видов промышленности, продукцию которых потребляет непосредственно человек (пища, текстиль…), конечно, останутся на Земле. И между космическим и наземным сегментами, безусловно, будет существовать взаимодействие и взаимосвязь, масштабы и средства осуществления которых пока предсказывать сложно. Скорее всего, по аналогии с экономической географией, по мере проникновения в космос и его освоения нас ждет формирование новой дисциплины. Например, экономической космографии, которая и будет изучать вопросы размещения производства с учетом выхода в межпланетное пространство.
— Полезные ископаемые Земли постепенно истощаются, добывать их становится все труднее. Когда их разработка на космических телах станет реальностью, насколько осуществимы и в какой перспективе планы ушедшей с рынка компании Planetary Resources?
— В принципе, вынос в космическое пространство промышленности и добыча ископаемых, то есть сырья для неё — это два логически взаимосвязанных процесса. Другой вопрос, какое производство нужно развивать на орбите в первую очередь? Думается, что сначала производиться в космосе будет то, что там же и будет потребляться. Если человечество всерьез решит осваивать Луну, то первым техпроцессом, который освоит человек в космическом пространстве, скорее всего, станет выработка кислорода из лунного реголита. Этот кислород будет использоваться для системы жизнеобеспечения лунных поселений, а потом — в качестве компонента топлива лунных кораблей. В случае принятия решения о создании мощной космической электростанции на поверхности Луны обязательным элементом станет освоение производства кремния — ключевого элемента солнечных батарей, которых в этом случае потребуется очень много. При дальнейшем развитии лунной колонии будет очень желательно научиться из того же реголита получать и металлы — в первую очередь, железо и титан, входящие в его состав в наибольшем количестве.
Что касается астероидов, то они представляют ценность, в первую очередь, как источники редких элементов, таких, как металлы платиновой группы — рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина. Именно на них и обратила внимание Planetary Resources. Принципиальных технических препятствий к осуществлению этих планов нет. Но если мы говорим об относительно ближнем, а не об отдалённом будущем, то реализация этих планов целиком и полностью зависит от того, будет ли уже сегодня-завтра существовать на Земле промышленная потребность в больших объемах таки.
— Какая технология в сфере космической энергетики вам кажется оптимальной и почему?
— Прежде всего, сама идея космической энергетики рассматривается уже на протяжении четырех десятилетий, если вести отсчет от предложения Питера Глейзера и его патента, полученного в 1968 году. Справедливости ради следует отметить, что обсуждение возможностей получения энергии в космосе рассматривалось и на Президиуме АН СССР почти сразу после полета Гагарина. Однако ни у нас, ни в Америке в те годы о практической реализации речи быть не могло — исследования показали, что космическая электростанция гигаваттного класса, построенная на базе технологий того времени, весила бы несколько десятков тысяч тонн. Выводить такие массы на орбиту проблематично и сегодня. Современные технологии, в частности предлагаемое российскими специалистами использование тонкопленочных бескаркасных солнечных батарей, удерживаемых в раскрытом состоянии инерционными силами, образующимися в результате раскрутки станции, позволяют существенно облегчить конструкцию.
Но нужно понимать, что её линейные размеры по-прежнему будут измеряться километрами. Поэтому, по всей видимости, мощность одной такой станции вряд ли будет выше единиц гигаватт. Но что делать, если мы хотим иметь большую мощность, вплоть до замещения всей земной энергетики, средняя мощность которой в 2011 году, по данным, предоставляемым International Energy Agency, составляла 2,3 ТВт? Выводить больше станций? Их понадобится несколько сотен, а, возможно — и тысяч. Управлять таким «роем» будет весьма сложно, если вообще возможно, а их производство на Земле и вывод на орбиту, вполне возможно, нивелируют весь положительный эффект с точки зрения воздействия на окружающую среду. Кроме того – ресурс любой конструкции ограничен, таким образом, придется заменять всю группировку в лучшем случае каждые 20-25 лет, то есть снова и снова выводить с Земли огромные массы полезной нагрузки. Это явно неверный путь.
Поэтому если задумываться о глобальном энергоснабжении планеты космической энергией, то не обойтись без размещения энергостанций на поверхности Луны. Только надо понимать, что в этом случае мы уже не повезем на Луну собранные на Земле солнечные батареи — мы выведем туда роботизированный производственный комплекс, с помощью которого будем их производить непосредственно из местного сырья. Проектные расчеты такого комплекса и оценка его экономики были проведены нашим соотечественником, Юрием Михайловичем Еськовым, в его многочисленных научно-инженерных статьях и в монографии «Экологически чистая мировая электроэнергетика и космонавтика в XXI веке», вышедшей ещё в 2004 году, но мизерным тиражом. А в 2009 году японская корпорация «SHIMIZU Corporation» предоставила проект «Lunar Ring», в котором рассматривается система глобального энергоснабжения Земли на основе лунного энергокомплекса, построенного на основе тех же самых идей. Резюмируя: задачи регионального масштаба (например, энергоснабжение труднодоступных территорий) вполне решаемы орбитальными околоземными электростанциями. Но для производства энергии в глобальных масштабах и замены хотя бы всех земных ТЭС космическими энергостанциями человечеству необходимо осваивать Луну.
В мире есть примеры интересных пилотных проектов в области космической энергетики. Давайте вспомним самые яркие и отметим те выводы, которые В США несколько лет назад был заключен первый контракт на поставку электричества из космоса между компаниями Solaren Corporation и Pacific Gas & Eleсtric. Проектная мощность орбитальной электростанции, которую предполагается размещать на геостационарной орбите, по заявлениям разработчиков, составит 0.2 ГВт. К разработке привлекаются такие предприятия, как Lockheed Martin, Boeing, JPL, Центр космических полетов имени Джорджа Маршалла, Исследовательский центр имени Джона Гленна, а также ряд университетов. Другое заметное предложение принадлежит японской компании Mitsubishi Electric, которая в рамках проекта Solarbird рассматривает станцию с генерируемой мощностью в 1 ГВт, представляющую собой «созвездие» из примерно сорока спутников, осуществляющих совместный полет. Тем самым удается избежать орбитальной сборки крупной конструкции. В обеих концепциях — и в американской, и в японской — применяется так называемая «сэндвичевая» схема, при которой солнечное излучение вначале собирается первичными зеркалами-концентраторами и перенаправляется на панели солнечных батарей, на обратной стороне которых размещена излучающая антенна.
Тем самым обеспечивается слежение за солнцем и, главное, сокращение площади самих фотоэлектронных преобразователей, стоимость которых довольно высока. Также в обоих случаях используются «жесткие» панели, только в американском проекте явно не обойтись без орбитальной сборки, в японском требуется филигранное управление полётом «созвездия». Российская концепция космической энергостанции предполагает применение тонкопленочной солнечной батареи, что позволяет радикально снизить массу всей станции. Кроме того — использование лазерного диапазона для передачи энергии на Землю вместо предлагаемого в зарубежных проектах СВЧ-излучения позволяет уменьшить и размеры наземной ректенны, поскольку нормы безопасности допускают более высокие значения плотности потока излучения. Тем не менее, технология развертывания больших полей тонкопленочных конструкций пока весьма далека от совершенства и требует серьезной практической отработки, особенно, если речь пойдет о «парусе» диаметром около километра – именно о таком порядке величины пойдет речь в случае станции гигаваттного класса.
— Поговорим о страхах: оппоненты космической энергетики пугают тем, что в результате ученые «прожгут дыру в атмосфере», даже «сожгут города», а «астероиды разрушат энергоустановки на Луне». Насколько обоснованы эти фобии?
Существуют четыре основных вида опасностей, которые рассматривают применительно к объектам энергетики — это возможные последствия аварии, возможность использования в качестве оружия, опасность в случае террористического акта или осложнения геополитической обстановки и опасное воздействие на экологию планеты.
Средняя плотность потока энергии на ректенне, принимающей энергию на Земле, будет выбираться, исходя из существующих нормативов. Они составляют 10-50 Вт/м2 для СВЧ и до 5000 Вт/м2 для лазера (в зависимости от длины волны) и весьма далека от «апокалиптических» значений. Для сравнения — в испытанной недавно в США боевой лазерной установке High Energy Laser Mobile Demonstrator энергия в 10 кВт передается лучом диаметром в 2.5 см, при этом по результатам испытаний признано весьма желательным увеличение мощности до 60 и даже до 100 кВт. Плотность потока желающие могут вычислить сами. Так что разговоры о том, что космическая энергосистема будет своеобразным орбитальным «Гиперболоидом инженера Гарина». А также о «птицах, поджариваемых в полёте» и тем более о «сожженных городах», мягко говоря, беспочвенны. Да, за безопасность придется платить большой площадью приемной ректенны, но это не слишком большая цена.
Разумеется, всё вышесказанное не отменяет необходимых мер безопасности — конструктивного исключения возможности более плотной фокусировки излучения, постоянного контроля функционирования, наличия автоматической системы управления, сбрасывающей мощность или расфокусирующей поток в случае нештатной работы станции и так далее. Но не менее серьезной системой безопасности оснащается и любая атомная станция. Более того — в силу самого расположения за пределами Земли космическая энергостанция гораздо более устойчива к земным стихийным бедствиям и социально-политическим конфликтам, чем даже наземная АЭС, последствия аварии или теракта на которой будут воистину катастрофическими. А вот что действительно требует более серьезного рассмотрения — так это вопрос взаимодействия СВЧ или лазерного луча с земной атмосферой и особенно ионосферой. Пока никаких катастрофических явлений не выявлено, но эти работы, безусловно, нужно вести более углубленно.
— Многие считают, что сегодняшние технологии совсем не соответствуют упомянутым задачам. Можно пару слов про нашу «Готовность здесь и сейчас» уже приступить к реализации указанных проектов?
— Было бы ошибочно считать, что современные технологии в принципе не готовы к решению задач такого масштаба как добыча сырья на астероидах, развертывание космического производства и космического сегмента энергетики. Сегодня мы полностью готовы к первому шагу на пути к освоению ресурсов нашего ближайшего спутника — Луны.
Мы можем начать строить лунную базу, вначале посещаемую, потом — постоянно обитаемую, как МКС, на которой начать отрабатывать ключевые производственные технологии. В первую очередь речь должна пойти о добыче из реголита воды и кислорода, затем нужно освоить процесс производства кремния и технологию создания фотоэлектронного преобразователя в лунных условиях. Только следует понимать, что нужно сразу ориентироваться на серьезную базу, хотя бы в масштабах лунного жилого комплекса, разработанного ещё в 1970-е годы в КБ В.П. Бармина.
Да, для её развертывания понадобится сверхтяжелый носитель — это прекрасно понимают все конкуренты, потому в США продолжается разработка сверхтяжелой ракета, работы по похожему проекту ведутся и в Китае.
Проектные исследования в этой области заложены и в российскую федеральную космическую программу, но, к сожалению, работа затягивается — ведь концепция носителя такого класса давно существует и в РКК «Энергия», и в Центре Хруничева. Пора заканчивать обсуждать, надо начинать делать.
И не соблазняться перспективой создать «лунную базу» с использованием существующих носителей, поскольку реальные возможности подобного «поселения» будут просто ничтожными, и в конечном итоге, при таком способе реализации идея неизбежно выльется в очередное «втыкание флага». А масштабность вызова не должна нас пугать — ведь задача постройка Суэцкого или Панамского каналов для техники 19 века выглядела еще более пугающей, однако она была успешно решена.
