Россия никак не может вывести космическую энергетику на орбиту

Космические солнечные энергостанции – глобальная альтернатива традиционной энергетике. Иллюстрация JAXA

По данным Международного энергетического агентства, с 1973 по 2019 год потребление электроэнергии в мире выросло более чем в четыре раза – с 6131 до 25606 ТВт-ч. С учетом роста численности населения Земли и стремления развивающихся стран к увеличению качества жизни следует ожидать и возрастающего роста выработки энергии. Однако на сегодняшний день почти половина ее вырабатывается путем сжигания угля и нефти. И это опасно как минимум в трех аспектах.

От нефти – к солнцу

Во-первых, в развитых странах экономический ущерб от загрязнения окружающей среды оценивается в 2–7% ВНП, совокупные природоохранные затраты – 4–6% ВНП. Для полного парирования наносимого вреда, по оценкам ряда аналитиков, сегодня потребуется до 10% ВНП, а в случае дальнейшего негативного развития ситуации величина затрат может подскочить до 50% ВНП.

Во-вторых, неравномерность распределения мировых запасов фактически делает нефть оружием политической борьбы на мировой арене, а колебания цен на нее провоцируют экономические кризисы, часто перерастающие в вооруженные столкновения.

В-третьих, несмотря на то что прогнозируемые сроки «исчерпания нефти» неоднократно передвигались на более поздний срок, сам факт конечности этих запасов сомнению не подвергается. Так, ежегодный прирост мировых запасов нефти за счет вновь открываемых месторождений составляет всего 0,8%, а ежегодный прирост ее потребления составляет примерно 2%, то есть более чем в два раза больше. Таким образом, вопрос исчерпания нефтяных ресурсов является вопросом времени.

Эти и другие факторы ставят перед человечеством вопрос перехода на альтернативные источники энергии. Для отдельных стран этот вопрос становится особенно актуальным в связи с необходимостью сохранять энергетическую независимость в условиях нарастающих межгосударственных противоречий.

Одна из наиболее интенсивно развивающихся и перспективных технологий выработки энергии – использование солнечной энергии. Так, с 2005 до 2017 год выработка электроэнергии на солнечных электростанциях (СЭС) возросла с 4 до 444 ТВт-ч, то есть на два порядка.

Однако наземные СЭС обладают рядом недостатков. Территории с наибольшей инсоляцией удалены от территорий наибольшего энергопотребления, количество падающей на Землю солнечной энергии зависит от погодных условий, СЭС большой мощности занимают большие площади, невозможность работать в ночное и вечернее время снижает интегральный КПД системы в разы.

Во многом эти проблемы преодолеваются созданием космических солнечных энергостанций (КСЭС). При этом солнечная энергия становится доступной практически круглосуточно и может быть передана в любой район Земли. Помимо этого, развитие технологии КСЭС открывает новые возможности в обеспечении энергоснабжения удаленных и труднодоступных районов Земли при отсутствии необходимой кабельной сети (Крайний Север России, Центральная Сибирь, Канада, Гренландия, Арктика и Антарктика, горные районы, пустыни, места стихийных бедствий и катастроф, театры военных действий). Решается проблема пиковых нагрузок, энергоснабжения объектов на поверхности планет и внешнего энергоснабжения космических аппаратов.

Немаловажно в современных реалиях и то обстоятельство, что КСЭС на много порядков менее уязвима для террористических воздействий по сравнению с реакторами АЭС или плотинами ГЭС.

В случае достижения приемлемой цены за единицу выработанной энергии КСЭС могут рассматриваться как глобальная альтернатива традиционной энергетике. Аналитические исследования показывают, что это может быть достигнуто только при высоком уровне передаваемой мощности, однако достижение таких характеристик невозможно без начальной стадии пилотных проектов. Таким образом, страна, которая раньше начнет работу над ними, окажется в выигрыше перед остальными

Состояние разработок в мире

В 2007 году Национальное космическое общество (NSS) представило на рассмотрение Министерства обороны США доклад, в котором проведен анализ перспектив развития космической энергетики вплоть до полной замены земной энергетики на космическую к 2100 году. В этом документе обрисован концептуальный прообраз будущей орбитальной электростанции. В качестве ближайшей стратегической цели документ намечал перевод 10% энергопотребления США на космические источники к 2050 году.

В 2008 году на Гавайях под руководством профессора Дж. Манкинса был проведен эксперимент по передаче энергии между вулканом Халеакала и островом Гавайи на расстояние 148 км. При этом передаваемая мощность достигала 20 Вт.

В 2009 году компания Solaren (США) заключила контракт с компанией Paсific Gas and Electric (PG&E) о продаже электроэнергии, производимой в космическом пространстве. Эта сделка стала первым в мире контрактом на поставку «космического» электричества. Мощность предлагаемой КСЭС должна составлять 200 МВт, что, по расчетам, было достаточно для электроснабжения 250 тыс. домов. Цена на электроэнергию ожидалась на уровне других возобновляемых источников. К разработке привлекаются такие фирмы, как «Локхид-Мартин», Boeing, JPL, Центр Маршала, Центр Глена, а также некоторые университеты.

В 2010 году компания Shimizu опубликовала статью, в которой описывался проект гигантской КСЭС на поверхности Луны, реализованный на существующих технологиях. Проект получил название «Лунное кольцо» (Lunar Ring).

В том же году о проектных работах по созданию космического аппарата для проведения эксперимента по передаче энергии с орбиты на Землю объявила европейская компания EADS Astrium.

В 2011 году, который был ознаменован серьезной аварией на АЭС «Фукусима», группа японских корпораций во главе с Mitsubishi Corporation объявила о планах постройки КСЭС гигаваттного уровня к 2025 году в рамках проекта Solarbird. Эти планы стали основой программы создания КСЭС, которая сегодня имеет высший государственный статус и приоритет.

Общая сумма первоначальных инвестиций в проект оценивается в 24 млрд долл.

Наконец, в феврале 2019 года появилась информация о начале работ над созданием КСЭС в Китае. По данным издания China Daily, исследователи из Университета Чунцина, Китайской академии космических технологий и Университета Сидянь начали создание испытательного полигона в районе Бишань (город Чунцин). Ожидается, что объем первоначальных инвестиций в проект составит около 100 млн юаней (около 15 млн долл.).

Пока космические энергоустановки способны обеспечить электричеством только объекты на орбите. Фото Юрия Батурина

Таким образом, предложения по созданию КСЭС достаточно часто выдвигаются в ведущих космических странах, в том числе на уровне министерств и космических агентств. При этом в Японии и Китае создание КСЭС уже реализуется на уровне правительственных программ. Первые реальные успехи в наземных экспериментах достигнуты, однако разработчики считают, что ключевым этапом в «дорожной карте» развития космической энергетики будет проведение демонстрационного космического эксперимента.

Состояние разработок в России

В СССР создание теории и первые практические работы по созданию технологии КСЭС связаны с именами таких ученых и инженеров, как Сергей Капица, Борис Черток, Андроник Иосифьян, Николай Лидоренко, Владимир Ванке… Однако после них космическая энергетика как отдельное направление развивалась весьма слабо: ни Минэнерго России, ни Роскосмос не занимались ее перспективным развитием.

В то же время следует отметить и ряд работ, проводимых в России, которые позволяют говорить о существовании определенного задела.

В феврале 1993 года на транспортно-грузовом корабле «Прогресс» был проведен космический эксперимент «Знамя-2» по раскрытию тонкопленочного центробежного отражателя. Эксперимент имеет большое прикладное значение для создания КСЭС с бескаркасными солнечными батареями.

В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» с начала 1990-х годов рассматривались различные аспекты создания КСЭС, в том числе аэростатная подвеска наземной антенны и низкоорбитальные построения группировок космических аппаратов, выполняющих роль КСЭС. Выполнен большой объем научно-исследовательских работ.

В 2013 году ЦНИИМаш выступил с инициативой создания российских КСЭС мощностью от 1 до 10 ГВт. При этом передача энергии на поверхность Земли должна осуществляться с использованием лазерного излучения, что, по оценкам специалистов, обладает рядом преимуществ по сравнению с зарубежной схемой.

В 2015 году специалисты РКК «Энергия» приступили к наземной отработке технологии передачи электроэнергии с одного объекта на другой посредством лазерного инфракрасного излучения. В 2016 году было объявлено об успешно проведенном эксперименте по беспроводной передаче энергии мощностью 5 Вт на расстояние 1,5 км. Тогда же в СМИ появились сообщения о планируемом Роскосмосом эксперименте по передаче энергии между МКС и ТГК «Прогресс».

В 2016 году состоялось первое заседание рабочей группы по вопросам реализации пилотного проекта в области космической энергетики на территории Московской области. В числе прочих было принято решение выйти с предложением к руководству страны о рассмотрении вопроса выделения финансовых средств на разработку национальной программы «Солнечная аэрокосмическая энергетика России». Однако о дальнейших шагах рабочей группы в данном направлении информации нет.

В декабре 2018 года российская компания «Оптоэнерготрейд», в руководстве которой состоят те же сотрудники, которые руководили экспериментом 2016 года в РКК «Энергия», объявила о разработке технологии зарядки беспилотных летательных аппаратов с использованием передачи энергии по лазерному лучу с Земли.

В 2010–2014 годах специалистами НПО им. С.А. Лавочкина разработаны две концепции применения и создания КСЭС – низкоорбитальная и с размещением на геостационарной орбите. Помимо этого, были осуществлены конструкторские проработки низкоорбитальных КСЭС-демонстраторов мощностью до 100 кВт. Работы продолжаются и в настоящее время.

ОКБ Московского энергетического института два последних десятилетия занимается проблемами беспроводной передачи электроэнергии и значительно продвинуло их в ряде теоретических аспектов. Рассматривались возможности беспроводной передачи энергии в СВЧ-диапазоне с нежесткой космической платформы большой площади.

Таким образом, несмотря на длительный период стагнации и инициативный характер осуществляемых работ, Россия имеет наработанный задел по рассматриваемой проблеме. Это позволяет уже сегодня развивать собственную космическую энергетику. Ряд российских разработок обладают принципиальными преимуществами перед зарубежными.

Однако отсутствие интереса к системному развитию и продолжению начатых работ неизбежно приведет к отставанию России от других стран и возможной потере в будущем любых перспектив занять место на рынке космической энергии, формирования которого можно ожидать уже в обозримом будущем.

Экономические ориентиры

Для оценки характеристик, при достижении которых промышленная КСЭС станет оправданной с народно-хозяйственной точки зрения, рассмотрим модельную задачу энергоснабжения труднодоступных регионов. В качестве примера будем рассматривать Чукотский АО России.

В целом по региону ежегодно вырабатывается до 550 млн кВт-ч электроэнергии, из них 10% – на дизельных электростанциях. В первом приближении можно считать, что именно эта часть энергии идет на обеспечение труднодоступных территорий, не подключенных ни к одному из энергоузлов.

Основываясь на анализе технических характеристик дизель-генераторов, примем, что для выработки 1 кВт-ч требуется 0,27 л топлива. Тогда для выработки 55 млн кВт-ч потребуется около 15 млн л топлива, которое необходимо привезти «с материка» и доставить до потребителя.

Цена на дизтопливо в портовых городах (Анадырь, Певек) составляет 58 руб. за 1 л. После доставки автотранспортом по зимникам стоимость топлива возрастает в 2–2,5 раза (данные региональных сайтов). То есть цена 1 кВт-ч выработанной энергии c учетом только стоимости топлива будет составлять от 31 до 39 руб.

Учет остальных затрат (амортизация оборудования ДЭС, ФОТ обслуживающего персонала и т.д.) поднимет стоимость 1 кВт-ч еще выше. То есть оценка американских специалистов, согласно которой стоимость 1 кВт-ч, выработанного в труднодоступных районах, находится на уровне 1 долл., представляется обоснованной.

Дальнейшее снижение стоимости электроэнергии, генерируемой КСЭС, будет происходить по мере роста их мощности. Так, по оценкам специалистов, стоимость энергии, поставляемой в рамках проекта Solaren, должна быть в 2 раза ниже стоимости энергии, генерируемой на наземных ТЭС, а в рамках проекта Solarbird – в 6 раз. Однако в этих случаях речь идет о КСЭС гигаваттного класса.

Таким образом, в первую очередь экономически обоснованными станут КСЭС, предназначенные для энероснабжения удаленных и труднодоступных районов (Сибирь, Арктика, Антарктика, высокогорье), а также для обеспечения энергоснабжения в интересах вооруженных сил, участвующих в локальных конфликтах.

Задача развития космической солнечной энергетики уже сегодня актуальна, так как КСЭС не только представляют собой альтернативу традиционным источникам энергии, но и открывают новые возможности. К ним относятся: энергоснабжение удаленных и труднодоступных районов, стратегически важных наземных, водных и воздушных объектов, зон боевых действий и чрезвычайных ситуаций, оперативная переброска потоков энергии, резервирование каналов энергоснабжения в связи с террористической опасностью, энергоснабжение Луны, Марса и других космических объектов, энергоснабжение космических аппаратов и средств их выведения.

Анализ зарубежных и отечественных разработок показывает, что в США, Японии, Китае, Европейском союзе, Канаде и других ведущих странах уже проводятся активные работы в направлении практической реализации концепции космической энергетики. При этом в США, Японии и Китае такие разработки ведутся в рамках долгосрочных национальных проектов, имеющих высокий статус и государственную поддержку.

Несмотря на большой объем проведенных проектных исследований, Россия имеет значительное отставание в технологии создания и экспериментальной отработке элементов КСЭС. Так, в США и Японии уже проведены наземные эксперименты по трансляции СВЧ-луча на расстояние до 145 км. В Японии проведен космический эксперимент, направленный на отработку механики развертывания крупногабаритной каркасной платформы для генерирующих и излучающих элементов КСЭС.

Повторение американского пути, предполагающего создание КСЭС на базе крупногабаритных каркасных конструкций, раскладываемых либо собираемых в космическом пространстве и последующую передачу энергии на Землю по каналу СВЧ-излучения, неизбежно оставляет для нашей страны только арьергардные позиции. Как следствие – проигрыш конкуренции на рынке новых источников энергии.

Таким образом, путь развития российской космической энергетики должен базироваться на тех технологиях, в развитии которых у России существует либо паритет с конкурентами, либо преимущество перед ними. К таковым технологиям относятся:

– создание разворачиваемых бескаркасных конструкций, формируемых центробежными силами;

– передача энергии по лазерному лучу.

Для России сегодня открывается возможность путем создания КСЭС с лазерным каналом передачи энергии от бескаркасных центробежных солнечных батарей или центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой (что перспективнее) занять лидирующее место в мировом процессе разработки промышленных КСЭС.

Назревает незамедлительная необходимость создания аэрокосмического кластера, который в рамках частно-государственного партнерства будет объединять задействованные в развитии космической энергетики предприятия электронной и космической промышленности, вузы, научно-исследовательские институты и частные компании.