Официальный сайт журнала "Экология и Жизнь"

Всё об экологии ищите здесь:

   
Сервисы:
Каналы:
Каналы:
Блоги:
Дайджесты,
Доклады:

ЭКО-ВИДЕО



Реклама


Translate this page
into English

Translate.Ru PROMT©


Система Orphus


Главная О НАС / ABOUT US Статьи Солнечно-космические решения продовольственной проблемы в мире и России.

Солнечно-космические решения продовольственной проблемы в мире и России.

Солнечно-космические решения продовольственной проблемы в мире и России.

В.М. Мельников1, В.П.  Мельников2, anommvp2009@bk.ru

1Российский университет дружбы народов (РУДН), Инженерная академия.

2РОО »Общественная академия изучения проблем информациологической и прикладной аномалогии (АИПАН).

 

Введение.

Продовольственная проблема является одной из главных проблем существования и развития цивилизации и связана с ростом численности  и продолжительности жизни населения на Земле, стремлением к повышению жизненного уровня, экологической обстановкой на планете и энергетическими  и продовольственными ресурсами.

В последние годы с всё возрастающей остротой во всём мире и в России встают проблемы энергетического и экологического кризисов, а также проблема управления погодой. Для решения проблем предлагается использование природных,  альтернативных традиционным, источников энергии, таких как: энергия Солнца, ветра, геотермальных вод, приливов, а также использование энергосберегающих технологий. Широко обсуждаемые водородные технологии базируются на получении водорода электролизом и требуют низковольтных  сильноточных источников электроэнергии. Ведущие страны мира, такие как США, Япония, Канада, страны Скандинавии, западной Европы и Азии в настоящее время в значительной мере (до 30%)  возмещают недостаток энергии за счет использования альтернативных источников, среди которых на первом месте стоит энергия Солнца. Лауреат Нобелевской премии по физике академик Ж.И.Алфёров полагал, что «ставка на солнечную энергетику должна рассматриваться как беспроигрышный, а в долговременной перспективе и как безальтернативный   выбор   для человечества».

Энергетические ресурсы. Стабилизация климата и замещение нефти.

Президент В. В. Путин в своём докладе на юбилейной 70-ой Ассамблее ООН отметил главные, по его мнению, проблемы современности:  необходимость стабилизации климата и замещения нефти природоохранными технологиями. Космическая    техника    способна    решить    обе  эти проблемы  одновременно  путём   создания   космических солнечных электростанций  (КСЭС), транслирующих энергию на Землю [1,2]. В Японии после аварии сразу на 3 атомных реакторах (Фукусима, 2011г.) принята «императорская» программа создания КСЭС к 2040 г.  Согласно этой программе нефть, газ, уголь и уран должно заменить «космическое электричество» [3]. Реализация этой программы, так же как и многих аналогичных программ использования солнечной и ветряной энергетики во всем мире,  способны создать затруднения для торговли ископаемыми ресурсами  России и других стран.  Китай 02.12. 2019 г. объявил о планах создания  КСЭС к 2035 г. [4], в то время как работы  по их созданию велись, начиная с 2008 года.

С другой стороны, миллиардер Джефф Безос, состояние которого оценивается в 200 миллиардов долларов, 17.02.2020 объявил о создании фонда под названием BezosEarthFund с уставным капиталом 10 миллиардов долларов, деятельность которого будет направлена на стабилизацию климата.

Выбор Японии позволяет считать, что «космическое электричество» — один из главных участников гонки в борьбе за лидерство в деле предотвращения изменения климата.

Проблемой перехода на возобновляемые источники энергии интенсивно занимаются в странах Евросоюза, Англии, Израиле, Канаде, Индии, поскольку потребление электроэнергии является основой развития цивилизации (машиностроения, транспорта, добывающих отраслей, бытовых нужд и проч.).  В целом в энергетику вложено 6-7 триллионов долларов во всём мире, что многократно превышает вложения в любые другие направления человеческой деятельности.

В этой связи ставится под сомнение будущее таких традиционных источников энергии, как нефть и газ,добыча которых сопровождается постоянным ростом затрат на их разведку, добычу и транспортировку и ликвидацию ущерба, связанного загрязнением окружающей среды при авариях трубопроводов и танкеров. Главной при этом является проблема парникового эффекта, связанного с использованием традиционных источников энергии, что уже сейчас  ставит на первое место вопрос о резком ограничении их потребления и переходе к альтернативным источникам энергии.

Предлагая решение проблемы энергетического замещения  космическими средствами, мы устраняем одновременно техногенные воздействия на экологию окружающей среды, как причину дестабилизации климата. Основоположник  космонавтики К.Э.Циолковский более 100 лет назад видел решение  проблем энергетического и экологического кризисов в развитии космонавтики с целью овладения солнечной энергией.

Рост  численности населения и продолжительности жизни.

С началом промышленной революции наступает  скачок численности населения Земли. Если в 1650 г. на Земле проживало примерно 500 млн человек, то к 2010 г. — около 6,7 млрд человек.  По оценкам ООН, к 2020 г. численность населения достигнет 8 млрд человек, а во второй половине XXI века стабилизируется на уровне 11—13 млрд человек. Выдвигают несколькопричин настоящего демографического скачка. Прежде всего это колоссальные достижения медицины. Побеждены страшнейшие болезни (чума, оспа, холера и т.д.), уносившие в недалеком прошлом миллионы жизней. Тысячелетиями средняя продолжительность жизни человека не превышала 30—35 лет.Всего 250 лет назад на первом году жизни умирало до 85% детей, сейчас в развитых странах — не более 5—7%.Кроме того, достижения в области техники земледелия существенно облегчили труд человека и позволили значительно улучшить условия жизни и качество питания. Это также положительно повлияло на продолжительность жизни.Прирост населения на планете происходит крайне неравномерно. Онмаксимален в развивающихся странах и минимален в развитых странах. Европы и Америки. Так, в 1960 г. на планете проживало: в Северномполушарии — 950 млн человек, в Южном — 2070 млн человек. Запоследующие 40 лет население на Севере увеличилось почти на 34%, в Южном полушарии — на 140%. Быстрый прирост населения нарушает еговозрастное соотношение, так как увеличивается доля нетрудоспособногонаселения (детей, подростков и пенсионеров). Так, в южных странах количество детей до 15 лет достигает 50% от общего числа населения, а в северных, наоборот, до 50% пенсионеров.

Вместе с тем следует отметить, что наблюдается снижение темпов прироста населения. В 1970 г. снижение составило 1,8%, в 1980-х годах уже 1,7%, а в 1990-х годах — 1,48%. Многие демографы полагают, что в ближайшем будущем рождаемость стабилизируется на уровне, обеспечивающем лишь обновление поколений при общей стабильной численности на уровне 11—13 млрд человек. Для обеспечения жизнедеятельности такого количества людей необходимы колоссальные ресурсы. По оценкам крупнейших ученых, к концу XXI в. потребности человечества при нынешних темпах развития перерастут земные ресурсы. В этом состоит основная угроза существования современной цивилизации.

В России и Белоруссии население обеих стран начиная с первой половины 90-х годов прошлого столетия неуклонно сокращается. В соответствии с данными Центра народно-хозяйственного прогнозирования Института народно-хозяйственного прогнозирования Российской академии наук, население Российской Федерации начало сокращаться с 1992 г. Если в 1992 г. численность населения составляла 148,3 млн человек, то к 2005 г. она сократилась до 143,4 млн.Убыль населения в России в 1990 г. определялась развалом Советского Союза. Естественная убыль населения России тогда была обусловлена режимом воспроизводства населения, характерным для большинства развитых стран, в которых наблюдается низкий уровень рождаемости. Усугубляла ситуацию высокая смертность, особенно у мужчин, из-за расширения криминальной обстановки в стране, а также из-за отравлений и травм, болезней сердечно-сосудистой системы и онкологических заболеваний. Общесистемный кризис, развернувшийся в 90-х годах прошлого столетия, ускорил и усугубил реализацию этих прогнозов. Превышение числа умершихнад числом родившихся в эти годы достигло 80%.

Недостаток продовольствия в ряде стран.

В настоящее время от голода и недоедания страдает население в слаборазвитых странах Африки, Азии, Латинской Америки. По оценкам ООН, число голодающих в мире достигает 800 млн человек. Эксперты Международного банка реконструкции и развития полагают, что их более 1 млрд человек. По данным ФАО (Сельскохозяйственная и продовольственная организация ООН), 64 страны не в состоянии обеспечить себя продовольствием.Число недоедающих людей, по различным оценкам, на планете 2—3 млрд. Эксперты Всемирной организации здравоохранения считают, что около 50% детской смертности в Латинской Америке является следствием плохого питания и в первую очередь низкосортного рациона питания. Каждый год в мире умирает от голода до 30 млн детей.

По данным ФАО с середины 60-х до начала 90-х гг. прошлого столетия мировое производство продуктов питания ежегодно увеличивалось примерно на 2%, а население Земли росло несколько меньшими темпами. Так, производство зерновых с 1950 по 1990 г. увеличивалось примерно на 182% и достигло 1,73 млрд т (рис.1), но затем прирост существенно упал до 0,5% в год. Это связано с резким снижением прироста урожайности, который в начале 1990-х гг. снизился с 2,3 до 0,4%. Причиной этого явилось отсутствие новых технологий, а также сортов культур. Темпы прироста населения в эти годы снизились менее значительно, поэтому с конца 1980-х гг. производство зерна на душу населения пошло на спад. Это достаточно тревожный симптом: видимо, в бедных странах Южного полушария продовольственная проблема будет обостряться. А в России, наоборот, производство зерна с 2014 г. растет, что для россиян является хорошим знаком.

 

Рис. 1.  Кривая мирового производства зерновых второй половине XX в.

 

Известно, что стратегией поведения каждого биологического вида является постоянное увеличение числа особей и расширение экологической пищи. В таких условиях начала свой путь развития и популяция людей. Человек постоянно увеличивает свои возможности в добывании пищи. Пищевой рацион в мире весьма разнообразен. Например, если российская кухня по подсчётам кулинаров содержит 180 блюд, то в Китае более 1000 блюд,  в том числе из весьма экзотических продуктов, таких, как лягушки весом до 10 кг, змеи, крысы, дождевые черви, тараканы, кузнечики, улитки, гусеницы. Огромный кулинарный пласт составляют морепродукты, в том числе трепанги, морская капуста, медузы, креветки, ракоподобные и речная  и морская рыба. Корма для животных в широтном диапазоне весьма разнообразны. Это мхи и лишайники для северных оленей и бананы для диких свиней в Конго и других экваториальных стран в Африке. Интересны возможные перспективы развития продовольственной базы. При обосновании программы Спейс-Шаттл было подсчитано, что если поднять температуру воды в Саргасовом море всего на 1,5о-2oв районе размером 300х300 км, то выросших там в этих условиях белковых морепродуктов хватит на пропитание всего человечества. Нагрев воды может быть осуществлён космическими отражателями солнечного света, проектно-конструкторская и технологическая база которых подобна космическим солнечным электростанциям.В настоящее время такие страны, как Китай и Индия, в какой-то мере решают продовольственную проблему путем проведения активной демографической политики, направленной на снижение темпов роста населения. Известный девиз для китайской семьи: «Одна семья — один ребенок» — подкреплен жесткими административными и экономическими мерами на уровне государства.В России и Беларуси в последние годы продовольственная проблема решается довольно успешно путем внедрения современных методов хозяйствования, современных агротехнологий и т.д., хотя надо отметить, что в потреблении большинства продуктов питания Россия и Беларусь отстают от развитых стран (см.Таблица 1).Современные методы промышленного выращивания сельскохозяйственных культур (например, гидропоника) и скота безусловно способны прокормить ожидаемые к середине ХХI века 11-13 млрд. населения при условии благоприятной экологической обстановки.

Таблица 1. Годовые нормы питания (кг/год) в различных странах.

Основные продукты

Страны

Беларусь

США

Германия

Франция

Япония

 

Россия

 

Мясо и мясопродукты, кг

67

120

90

93

44

43

Рыба и рыбопродукты, кг

17,4

11

14

20

58

10,4

Молоко и молочные продукты, кг

254

270

460

460

80

234

Яйца, шт

276

257

226

272

325

236

Хлеб и хлебопродукты, кг

93

112

79

81

110

122

Овощи и бахчевые культуры, кг

134

122

84

136

122

88

Фрукты и ягоды, кг

59

108

136

91

64

36

Мировой энергобаланс.

В общем энергобалансе 63% занимают тепловые станции, работающие, в основном, на продуктах переработки нефти (мазуте), 17% занимают гидростанции, 18,5% атомные электростанции и около 1% ветровые, геотермальные, солнечные и прочие.  Нефть, газ, ядерное топливо являются экологически вредными энергоносителями, способствуют парниковому эффекту и потеплению климата на планете из-за чрезвычайно низкого теплового КПД существующих электростанций (25-30%). То есть более 70% тепла в цикле идёт не на выработку электроэнергии, а на нагрев окружающей среды. Не находит  решения проблема утилизации ядерных отходов. Чернобыльская авария остановила реализацию ряда проектов создания атомных электростанций в густонаселенных районах. Авария на Японской атомной электростанции в конце 2005г. вновь напомнила Хиросиму. В проблему управляемого термоядерного синтеза с начала 50-х годов прошлого века развитые страны внесли огромный интеллектуальный и финансовый вклад. Разработкой направления занимаются крупнейшие и влиятельнейшие ведомства. Несколько раз в средствах массовой информации проводились кампании, когда активно говорилось, что решение проблемы совсем близко, однако затем на десятилетия всё замирало. Новые усилия оказывались безрезультатными. Историческим фактом является то, что если научное направление имеет право на жизнь, то от высказывания идеи до широкого технического внедрения проходило 10-15 лет. Так было с атомной бомбой, ядерными реакторами деления для электростанций и подводных лодок, жидкостными ракетными двигателями, лазерной и компьютерной техникой. Не исключено, что термоядерная реакция, так хорошо идущая на Солнце, может оказаться в управляемом виде не реализуемой на Земле.  Если всё же проблема найдёт решение, следует помнить, что в конечном счёте термоядерный реактор, как и атомный реактор,  работает по обычному тепловому циклу, как широко распространенные тепловые станции, сжигающие продукты переработки нефти, и из-за низкого КПД (25-30%) интенсивно нагревающие окружающую среду.

Стабилизация климата.

Проблема управления погодой и климатом теснейшим образом связана с проблемой техногенных воздействий на  экологию среды обитания наземными энергетическими системами и возможностью решения проблемы энергетического кризиса. Становится особенно ясно значение развития космической техники, способной если не решить полностью, то внести значительный вклад в решение указанных проблем, носящих глобальный характер. Перевод наземной энергетики с углеродосодержащих и ядерных топлив на космические солнечные батареи исключает первопричину техногенных воздействий на среду обитания:

-последствия использования органического топлива, сжигание которого оказывает вредное воздействие на биосферу (выбрасываются в атмосферу СО, СО2,окислы азота, серы, свинец,  мышьяк, радиоактивные элементы, забирается из атмосферы огромное количество кислорода воздуха в процессе сжигания, нагревается окружающая среда);

-последствия  использования ядерного топлива, способствующего парниковому эффекту, ставящего проблему утилизации ядерных отходов и самих ядерных станций с создающей их инфраструктурой, а также проблему аварий,  при которых катастрофические последствия наносят ущерб, многократно превышающий выгоды от эксплуатации  АЭС, и проблему неконтролируемой выработки плутония  как стратегического  материала для ядерного оружия;

-последствия использования гидроэлектростанций, связанных  с затоплением больших сельскохозяйственных площадей, селений, уроном рыбного хозяйства;

-последствия разлива нефтепродуктов в морях и океанах.

Экологически вредные продукты техногенного воздействия на окружающую среду  от традиционных электростанций ветрами разносятся на тысячи километров и оседая на почву приводят к тому, что в начале нового тысячелетия говорилось о 70% потере плодородия почв, требующих использования различных удобрений. При осаждении на поверхность Земли продуктов техногенного воздействия в виде пепла и сажи происходит изменение (уменьшение) отражательной способности поверхности Земли, особенно льдов и снега (изменение альбедо Земли), приводящее к ещё большему поглощению солнечной энергии и потеплению на планете.

За счёт выноса в космос первичных преобразователей солнечной энергии в электрическую  появляется возможность  повысить пороговую величину энергопотребления, обусловленную опасностью теплового загрязнения планеты.  Передача энергии с орбиты непосредственно в районы потребления исключает наземные линии электропередач большой протяженности  и связанный с их постройкой экологический ущерб (вырубка лесов,  не использование земель).  Вынесение на орбиты энергоёмких и экологически вредных производств  в большой мере  снизит нагрузку на биосферу.

Первые годы текущего столетия ознаменовались чрезвычайно масштабными погодными катастрофами на всех континентах, суммарный ущерб от которых в  десятки раз превышает стоимость самых крупных космических программ.Например, в Европе в ряде районов осадки в несколько раз превышали средние за много лет значения, а в Австралии в течение 3 лет не было дождя. Отмечается активизация смерчей и вулканической деятельности.По данным ООН суммарный ущерб от природных катаклизмов в 2011г. составил $360 млрд. Во многом это произошло по причине превышения допустимой нормы техногенных воздействий на окружающую среду. Вынесение на космические орбиты энергоемких и экологически вредных производств, создание орбитальных солнечных электростанций большой мощности и трансляция электроэнергии на Землю — вот путь развития большой космической энергетики и космонавтики в перспективе и одно из эффективных направлений в решении проблемы энергетического кризиса и стабилизации погоды [6].

Следует особо подчеркнуть взаимосвязь этих проблем: решая проблему энергетического кризиса космическими средствами, мы устраняем одновременно техногенные воздействия на экологию окружающей среды, как причину дестабилизации погоды. Реально решить глобальную проблему чрезвычайной важности, наукоемкую, а не металлоемкую, и вновь поставить космонавтику в ряд ведущих в научно-техническом прогрессе наукоемких отраслей. 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 полупроводников и создании бескаркасных космических конструкций, к которым всё 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.

Космические солнечные электростанции (КСЭС).

Энергетический кризис в Калифорнии в начале 2001г. показал, что потребность в электроэнергии начинает превосходить имеющиеся в наличии ресурсы. Это заставило США по-новому взглянуть на проблемы электроснабжения и присоединиться к странам, активно изучающим проблемы создания космических солнечных электростанций (КСЭС), таким,  как   Япония,  Франция, Германия, Канада.

Разработка КСЭС была начата практически сразу с началом космической эры. Запуск первого спутника и первого человека в космос пробудили интерес к большим космическим энергосистемам, первый инженерный проект которых был разработан Глейзером в 1968г. в США [5].  В проекте   была показана целесообразность создания энергетического объекта в космосе на чрезвычайно большую мощность, превышающую мощность самых крупных электростанций на Земле (порядка 10 ГВт), и передачи электроэнергии  на Землю в СВЧ диапазоне [6] (рис.2).

Солнечная батарея Глейзера представляла собой ферменную конструкцию размером 13,1х4,93 км и массой 12,3 тысяч тонн, выходной мощностью 5 ГВт на кремниевых солнечных элементах с КПД =13,7%. Создание такой конструкции даже по сегодняшним меркам представляется нереальным. Техника не была готова в то время к реализации подобных проектов даже тогда, когда человек ступил на поверхность Луны (1969г. программа“Аполлон» США). Не созрело острой потребности общества. Сейчас положение сильно изменилось. Энергетический кризис и природные катаклизмы заставляют искать средства противодействия. Техника не стояла все это время на месте и с различной степенью детализации проработки КСЭС проводились все последующие годы [6].   Вновь создаваемые проекты космических солнечных электростанций, осуществление которых возможно

 

Рис.2. Космическая солнечная электростанция, передающая энергию на Землю в СВЧ диапазоне.

будет через десятилетие, а эксплуатация будет продолжаться до середины века, должны базироваться на новейших достижениях и технических решениях в области физики и технологии полупроводников, техники СВЧ и создании крупногабаритных космических конструкций.

 

Предварительная оценка стоимости системы КСЭС.

При удельной мощности 1 кг/кВт энергосистемы и оценке общей мощности величиной 100 ГВт (N = 10х1010 Вт) полезная масса составит m = 107 кг (10 тыс. тонн); стоимость элементов при цене $10тыс. за кВт (104 дол./кВт) составит 100 млрд. долларов; стоимость выведения полезной массы на орбиту при цене $10 тыс. (104) за кг составит еще  100 млрд. долларов. Таким образом оценка стоимости проекта даёт цифру 200 млрд. долларов, что в три раза меньшую годового военного бюджета США.При этом стоимость составит $2 млрд. за 1 ГВт, что на сегодня примерно в 5 раз ниже, чем стоимость нового строительства АЭС. Однако оценки, сделанные японскими и китайскими специалистами, дают стоимость единицы вырабатываемой электроэнергии еще ниже – т.е. примерно в 6 раз меньшую стоимость, чем выработка на атомной электростанции (очевидно с учетом добавочных рисков).

Справка по атомной энергетике[i]: Стоимость 1 ГВт атомной энергии до 2000 года составляла менее $1 млрд за 1 ГВт, в настоящее время эта цифра возросла примерно в 10 раз и составляет  $7,5 — $10 млрд за 1 ГВт вновь устанавливаемой мощности. К 1985 году было построено 400 АЭС в среднем по 1 ГВт т.е. создано 400 ГВт мощности, при стоимость $ (125+140) млрд (Журнал Форбс, 1985 год). ВЕвропе в после 2000 года заложены только две новых станции — это АЭС в Финляндии и еще одна во Франции ( «Фламанвиль» в Нормандии). Обе они прошли через более чем 10 лет строительства, отсроченного многолетними задержками. Стоимость сооружения увеличилась за время стройки в три раза и составила около 10 млрд. евро за 1ГВт.Великобритания (еще до Брэксита)также решила позволитьфранцузам построить два новых реактора по французскому проекту в своей стране в местечке Хинкли. Предполагалось, что мощность 3,2 ГВт обойдется в 24 млрд евро, т. е. расчетная стоимость была 7,5 млрд евро за ГВт. Но подрядчиком строительства является компания «EDF», имеющая задолженности в размере 37,4 млрд евро. Дело в том, что в атомном строительстве есть и непредусмотренные расходы. Так например демонтаж завода в Фукусиме, как ожидается, обойдется в 90 млрд евро, а на его завершение потребуется 40 лет. В октябре 2017 года «Гринпис» передал правительству Франции подробный отчет о риске террористического нападения на ядерный парк страны. Вывод состоял в том, что уровень риска очень высок. Необходимо укрепить охлаждающие бассейны и повысить безопасность эксплуатируемых в настоящее время во Франции 58 установок. Это будет стоить от 140 до 222 млрд евро, что в 3–5 раз больше, чем запланировал оператор — компания «EDF». [1]Данные приведены по изданию «Триумф солнечного века» прим. Ред 

 

Проект ориентирован в будущее, так чтопроблема низкого КПД современных средств вывода на орбиту может быть преодолена в перспективе ближайших 30-40 лет. Проблема сегодня  том, что при выведении 10 тыс. тонн на орбиту возникнут практически непреодолимые трудности, так как потребуются пусковые мощности, которых на планете пока просто не существует. Например, для Falcon Heavy стартовая масса которого составляет 1420 тонн, масса полезной нагрузки в невозвращаемом варианте, т.е. при выводе на низкую опорную орбиту (НОО) составляет 64 тонны (КПД по массе 4,5%), а на гетероперходную орбиту (ГПО) 26,7 тн т.е. КПДпо массе менее 2%. Для вывода полезной массы в 10 тыс. тонн запуск Falcon Heavy с полезной нагрузкой 64 тонны потребуется произвести 155 раз, а в случае ГПО – 374 раза, т.е. в одном случае – в течении года через день, а в другом – каждый день! При этом керосин и жидкий кислород в качестве топлива нанесут экологии планеты серьезный вред — экологическую нагрузку от такого числа запусков можно оценить как создание громадного аэродрома для нового мегаполиса. Поэтому в перспективе создания многих КСЭС в течении 30-50 лет наиболее перспективным является использование электромагнитного ускорителя с полосой разгона порядка 10 км, который должен строится рядом с крупной электростанцией и использовать горный рельеф местности (например около Саяно-Шушенской ГЭС). Для традиционной ракетной техники практической перспективой является использование водород-кислородного топлива.

Известно, что вклад средств в космические программы впоследствии многократно окупается за счёт использования новейших  достижений в смежных отраслях, как было, например, в программе  «Аполлон».Кроме того, многие крупные промышленные компании  активно занимаются разработкой проектов по использованию альтернативных источников энергии (геотермальной, ветровой, солнечной и т.д.) в рамках международных программ в области солнечной энергетики. Это Всемирная солнечная программа ЮНЕСКО; Программа NASA  по космической солнечной энергетике SERT; Программа Японии SPS-2000 и другие. При этом только финансирование программы ЮНЕСКО составляет 600 млн. долларов США на 3 года. Япония в настоящее время  уже проводит проектные работы по созданию КСЭС на мощность 1 ГВт.

В октябре 2007 г. Министерство обороны США выдвинуло  долгосрочную программу создания КСЭС, транслирующих энергию на Землю  в СВЧ диапазоне, для того, чтобы в перспективе   избавить страну от импорта нефти. Эта идея появилась в администрации Президента Буша [2]. Принятие климатической программы Байдена в значительной степени повышает актуальность проблемы.

 

Конструкция КСЭС

Нарис.3 показана приведённая в [2] cхема  космической солнечной электростанции, где симметрично расположенные относительно центральной оси шестигранные параболические внешние  зеркала концентрируют солнечную энергию на внутренних вторичных зеркалах, разворачивающих поток света на 90о и направляющих его на центральную круговую конструкцию, где находятся совмещённые конструктивно солнечная батарея, преобразующие в СВЧ элементы и передающая антенна. В программе рассматривается перспектива создания космических солнечных электростанций на мощность, покрывающую энергопотребление всего человечества (2 ТВт =  21012 Вт). Использование  солнечных батарей в энергосистемах на Земле в 6-15 раз менее эффективно, чем их использование в космосе, из-за режимов освещения «день-ночь» и «зима-лето», с также сильного поглощения солнечного излучения в атмосфере из-за дождей, снега, пылевых бурь, широты местности, загрязнения и эрозии поверхности солнечной батареи.  В космосе все эти факторы отсутствуют.

В последние годы в связи с развитием лазерной техники, имеющей ряд важных преимуществ по сравнению с СВЧ системами, наблюдается тенденция перехода от КСЭС с СВЧ  к лазерной концепции. Основным преимуществом лазеров в инфракрасном диапазоне длин волн  (порядка 1 мкм) является на 5 порядков меньшая расходимость лазерного луча, что даёт пятно на Земле с геостационарной орбиты (высота орбиты 36 тысяч км) 40 м  от лазера и 20 км от СВЧ системы.

Водород-кислородные технологии.

Когда китайцы  и  японцы начнут продавать всему миру электроэнергию от космических электростанций  по цене в 6 раз дешевле, чем стоит её выработка при использовании традиционных энергоресурсов, то нефть, уран  и прочие природные  энергетические источники России, составляющие сегодня основу ее экономики, могут обесцениться. В этом случае нефте- и газопроводы, как и тепловые и атомные электростанции потеряют востребованность общества и сбудется мечта Д. Менделеева, который говорил, что сжигать нефть в топках электростанций  всё равно, что топить печь ассигнациями. Нефть должна использоваться в более эффективных химических технологиях. Автотранспорт в перспективе полностью перейдёт на дешёвую электроэнергию. Сегодняшние автозаправочные станции станут станциями зарядки электрических аккумуляторов, значительно более эффективных, чем широко распространённые  в настоящее время свинцовые.

В Германии уже создан электромобиль с уникальными характеристиками. Концерн «Фольцваген» представил электромобиль мощностью 600 л.с.,  с  набором скорости  200 км/час за 6 сек. и временем заправки аккумулятора 15 мин. для пробега 600 км. Интересно, что в СМИ эта разработка представляется как конец эры углеводородов, хотя это в принципе неверно  и возможно только при выработке электроэнергии из возобновляемых источников, лидером среди которых может стать осуществление КСЭС. Если источником электроэнергии является наземная электростанция, то ситуация  для электромобилей в целом не отличается от традиционной. Сжигание бензина в цилиндрах двигателя  или мазута в топке тепловой электростанции в данном случае равнозначно и не является концом эры углеводородов, но ведёт к нему. При использовании источника энергии, находящегося в космосе вне атмосферы Земли, такого как КСЭС, можно говорить о конце эры углеводородов.

Перспективы топлива и топливных ячеек водород-кислород

В отличие от большого числа токсичных элементов, выделяемых при сгорании углеродосодержащих топлив и отрицательно влияющих на экологию окружающей среды, продуктом реакции химической пары водород-кислород является дистиллированная вода. Существенным отличием пары водород-кислород от других химических веществ является повышенное энерговыделение при вступлении их в реакцию. В жидкостных ракетных двигателях это выражается в том, что удельная тяга на водород-кислороде составляет 4500 м/сек, а на кислород-керосине 3500 м/сек. Электрохимический потенциал пары водород-кислород также значительно выше, чем у других веществ. Поэтому химические аккумуляторы электроэнергии на их основе значительно эффективнее других химических пар.Сегодня водородные системы имеют ряд принципиальных недостатков:

— водород в природе в чистом виде почти не встречается;

— производство водорода электролизом из воды сопряжено с большим электропотреблением от тепловых или ядерных электростанций, работающих с КПД менее 30% и интенсивно нагревающих окружающую среду;

-  сжигание водорода в двигателях транспортных систем происходит с тем же низким тепловым КПД  и нагревает окружающую среду;

-   при эксплуатации водородных систем неизбежно попадание водорода в воздух и образование «гремучего газа» — одного из самых сильных взрывчатых  веществ, что предъявляет повышенные требования к системамбезопасности и затрудняет  широкое внедрение водородных систем.

Имеется большой интерес во всём мире к водородным системам,  но недооцениваются большие  технологические сложности создания и эксплуатации таких систем. В случае использования «космического электричества» от космических солнечных электростанций вместо тепловых или ядерных электростанций  для получения водорода электролизом воды ситуация может быть значительно улучшена. Наиболее перспективен перевод всего  наземного транспорта на электропривод, снабжаемый электроэнергией от водород-кислородных топливных ячеек, заряжаемыми на заправочных пунктах, питаемых космическими солнечными электростанциями. При этом исключается использование сжигания топлива с низким тепловым КПД. Электроприводы имеют КПД значительно выше, порядка 90% и не отравляют и почти не нагревают окружающую среду. В последние годы в Японии, Китае и США к таким системам проявляют повышенный интерес.

Удельную энергоёмкость 700 - 1000 Вт-ч/кг могут обеспечить только водород-кислородные системы, что почти в 3 раза выше следующих за ними по эффективности литий-ионных аккумуляторов. Водород-кислородные системы совершенствуются во всём мире, но пока не нашли широкого применения из-за технологических сложностей и опасностей при утечке для  подобных систем.

Сочетание «водородных технологий» с КСЭС при крупномасштабном производстве электроэнергии  весьма эффективно, как по вышеназванным причинам, так и  из-за больших затрат энергии для получения водорода,но сопряжено с необходимостью решения проблемы сложности его хранения и опасности образования «гремучего газа», как сильного взрывчатого вещества, при утечках водорода.

 

Рис.3. Схема космической солнечной электростанции [2].

 

Заключение

Современные методы промышленного выращивания сельскохозяйственных культур (например, гидропоника), скота и морепродуктов безусловно способны прокормить ожидаемые к середине ХХI века 11-13 млрд. населения при условии благоприятной экологической обстановки.   За счёт выноса в космос первичных преобразователей солнечной энергии в электрическую  появляется возможность  повысить пороговую величину энергопотребления, обусловленную опасностью теплового, химического и радиационного  загрязнения планеты от традиционных тепловых и атомных электростанций.  Передача энергии с орбиты непосредственно в районы потребления исключает наземные линии электропередач большой протяженности  и связанный с их постройкой экологический ущерб (вырубка лесов,  не использование земель).  Вынесение на космические орбиты энергоемких и экологически вредных производств, создание орбитальных солнечных электростанций большой мощности и трансляция электроэнергии на Землю — вот путь развития большой космической энергетики и космонавтики в перспективе и одно из эффективных направлений в решении проблемы энергетического кризиса и стабилизации погоды.

Лазерные космические солнечные электростанции в сочетании с водородными технологиями предназначены для решения этой проблемы.Когда китайцы и японцы начнут продавать всему миру электроэнергию от космических электростанций  по цене в 6 раз дешевле, чем стоит её выработка при использовании традиционных энергоресурсов, то нефть, уран  и прочие природные  энергетические источники России обесценятся. Нефте- и газопроводы, как и тепловые и атомные электростанции потеряют востребованность общества.Необходимо лидерство России в создании КСЭС.

Литература

 

  1. Мельников В. П., Мельников В. М. Экологическая безопасность: учебник под ред. Мельникова В. П.-М: КНОРУС, 2021.-280 с.

 

2. Space-Based Solar Power As an Opportunity for Strategic Security. Phase of Architecture  Feasibility Study.// Report to the Director. National Security Space Office. 10 October 2007.

3.  S. Sasaki  and JAXA Advanced Mission Research Group. SSPS development road map / IAC- 09.C3.1.4. October 2009.

4.  Китай обещает построить космическую солнечную электростанцию

к 2035 году. http://www.xinhuanet.com/english/2019-12/02/c_138599015.htm

«РКТ» №         49, 2019 г., стр. 25-26.

 

5. Glaser P. F. Power from the Sun: its future.// Science, 1968, vol.168, Nov., p.857-861.

6. Г.Г. Райкунов, В.А. Комков, В.К. Сысоев,  В.М. Мельников. Космические солнечные электростанции – проблемы и перспективы. –М: Изд.РУДН 2017г.,283с.



климатстабилизацияресурсы 

11.01.2021, 509 просмотров.


Нравится

SKOLKOVO
17.02.2021 23:13:51

Существуют анализы на 2 разных типа антител к коронавирусу, но в поликлиниках делают только один

Врач из Инвитро разьяснил, что после вакцинации надо делать тест на S-белок, а не на N-белок вирусного капсида, который, как правило, делают в поликлиниках бесплатно.

антитела, Коронавирус, анализы

17.02.2021 00:06:25

Пыль разносит штаммы по всему миру?

Если  пыль из Африки попадает в Европу и Америку, то пыль из Китая могла вызвать пандемию? В эпоху вируса COVID-19 инфекциионный перенос c пылью приобретает новое значение.

пандемия, Африка, Китай

14.02.2021 23:08:48

Роботы против ковид-19

Международный онлайн-форум «Роботы против COVID-19» прошел в декабре на Робостанции ВДНХ.

форум, ковид-19, Москва

10.02.2021 23:17:59

Экспресс-тесты на коронавирус: споры специалистов и руководство для недоумевающих

Ученые все еще спорят о том, помогут ли миллионы дешевых быстрых диагностических наборов контролировать пандемию. Вот почему.

Специалисты, тест, Коронавирус

09.02.2021 22:48:29

Ковид-диагноз за 2 минуты

В России изобрели быстрый метод тестирования на коронавирус

тест, COVID-19, анализ

08.02.2021 22:41:18

Не дайте себя обмануть спадом заражений! / Новый штамм меняет правила игры

График заболевпемости объединяет две эпидемии: одну, быстро сокращающуюся, вызванную более старыми вариантами SARS-CoV-2, и меньшую, медленно растущую вспышку B.1.1.7

заражение, вирус, COVID-19

07.02.2021 21:34:33

В Екатеринбурге для лечения COVID применили ноу-хау подводников

В екатеринбургском госпитале ветеранов Екатеринбурга для реабилитации пациентов после COVID начали применять барокамеры. Об этом URA.RU рассказали специалисты клиники. Популярное у дайверов оборудование помогает пациентам, перенесшим коронавирус, привести в порядок легкие, а также насытить кислородом другие системы организма.

Екатеринбург, лечение, COVID

RSS
Архив "#ПроЗдоровье"
Подписка на RSS