Научный интерес человечества всегда устремлялся в космос. Но чем больше мы узнаем, тем сильнее нам хочется пойти дальше. Для этого нам нужна энергия Солнца. Только благодаря близлежащей звезде функционируют все летательные аппараты, за ней и будущее продолжительных полетов к другим планетам.
Освоение космоса сегодня — привилегия основных мировых держав. В гонке за лидерство в космической области правительства первых стран выделяют огромные бюджеты на исследование Вселенной за пределами Земли и развитие технологий, предназначенных для постижения пока еще мало известного нам внеземного пространства.
— Наш главный заказчик оборудования и исследований в этом направлении — Российское космическое агентство, — рассказывает заместитель директора по науке Института физики полупроводников СО РАН им. А. В. Ржанова доктор физико-математических наук Олег Петрович Пчеляков. — Скажем, силами новосибирских ученых разработана технология производства солнечных батарей, необходимого элемента летательных аппаратов. Например, на международной космической станции (МКС) по своей площади они сравнимы с футбольным полем, благодаря чему ее можно увидеть прямо с Земли. Большая часть этих батарей принадлежит США, поэтому по энергообеспечению орбитальной станции Россия сейчас полностью зависима. Это не страшно, так как с МКС снята всякая оборонная нагрузка и военные задачи по обеспечению государственной безопасности, в отличие от станции МИР, которая была задействована, к примеру, в раннем обнаружении стартов ракет.
Однако уже становится ясно: стране необходимо избавляться от этой зависимости, особенно в сегодняшней геополитической обстановке. Срок службы солнечных батарей составляет порядка 10 — 15 лет, это значит, что скоро им понадобится замена. В условиях объявленных санкций наложен запрет и на поставку в Россию высоких технологий и оборудования двойного назначения, которым являются солнечные батареи для космических летательных аппаратов. Те преобразователи энергии Солнца в электричество, которые можно встретить на некоторых крышах домов, имеют эффективность не более 15%. Для космоса же необходимо устройство с производительностью не менее 30%, а стоит это недешево.
— Но когда речь идет о том, что стоимость доставки груза на орбиту составляет $25 000 за килограмм веса, то о цене батареи вопрос уже не стоит, важна ее эффективность, — поясняет Олег Петрович. — Конечно, если мы сделаем устройство легче в 2 раза, то и доставка его будет в 2 раза дешевле. Перед нами поставлена задача — создать такую технологию, которая позволяла бы производить особо легкие и высокоэффективные солнечные батареи, использующиеся для обеспечения энергией не только МКС, но и всей спутниковой системы, выполняющей огромное количество функций.
Создание и освоение серийного производства отечественного оборудования для преобразования энергии близлежащей звезды — одно из приоритетных направлений научных разработок в космической отрасли.
— Если мы сегодня — завтра не наладим производство, то лет через 10 прекратит работу «ГЛОНАСС», система, которая фактически обеспечивает независимость нашей державы в области навигации, — объясняет ученый. — Мы не задумываемся о том, насколько важна точность определения позиции объекта на Земле. Но когда начались военный действия в Осетии, в какой-то момент американцы изменили показания GPS, и наши орудийные прицелы все перенаправились: стали стрелять мимо цели. В таких условиях боевая задача становится невыполнимой.
На спутниковые системы нагружены функции, которые являются государственно значимыми: обеспечение связи и геолокации, исследование поверхности Земли (раннее обнаружение пожаров и наводнений), в последнее время часто говорят и о том, что большие средства вкладываются в разработку системы независимого интернета в нашей стране. Поэтому и обеспечение спутников энергией тоже является особо важной задачей.
Новосибирские ученые взялись за создание не только самих солнечных батарей, но и оборудования для их изготовления, причем космического базирования, то есть его установят прямо на МКС, где оно и будет фабриковать устройства переработки энергии Солнца в электричество и там же их использовать.
Поскольку основным процессом при производстве солнечной батареи является вакуумное нанесение тонкого материала на тонкую же подложку, то в реализации этой технологии поможет космическое безвоздушное пространство. К тому же сама станция летит с огромной скоростью — 7,9 км/c на высоте от 200 до 400 км. В таких условиях при обтекании расположенного на летательном аппарате защитного экрана, напоминающего зонтик, за ним возникает стабильная естественная область глубокого вакуума. Помимо этого, полупроводник — вещество, которое очень чувствительно к загрязнению: чем чище материал, тем выше коэффициент преобразования солнечного света в электричество. Поэтому технология производства в космосе, возможно, позволит получить более эффективный материал.
Подобная разработка внеземного производства солнечных батарей уже подготовлена американцем русского происхождения, профессором Алексом Игнатьевым. Он сконструировал подвижную платформу, напоминающую собой трактор, которая при движении по поверхности Луны будет за собой оставлять шлейф из солнечных батарей. «Передвижная фабрика» способна изготавливать из лунного грунта стеклообразную подложку, потом наносить на нее полупроводник и металл. В конечном итоге, задача этого проекта — покрыть большую площадь поверхности Луны пластинами для получения энергии, которая будет накапливаться в аккумулятор, и дальше ее можно передавать на Землю по лазерному инфракрасному, либо по радиоэлектронному лучам.
Система транспортировки энергии, полученной далеко за пределами нашей планеты, на огромные космические расстояния — задача сама по себе довольно интересная. Поток света маленького диаметра имеет весьма высокую плотность энергии и фактически становится оружием массового поражения. Поэтому необходимо этот пучок дефокусировать до безопасной концентрации в нем этой энергии, чтобы направить на Землю и использовать, например, для освещения тех мест, где наступает полярная ночь. Туда, где круглосуточно нет солнца, станет возможным подавать свет. Еще один вариант — сосредоточить его на поле солнечных батарей, обратно преобразовывать в электричество и использовать в местах обедненных солнечных энергией, которые, как правило, труднодоступны для проведения линии электропередач. Таких территорий на Земле очень много: почти половина человечества испытывает недостаток энергии.
Сегодняшнее развитие космонавтики побуждает человека устремиться к Марсу, несмотря на то, что многие специалисты сомневаются в целесообразности этой затеи. Аппараты, которые полетят на соседнюю планету, тоже будут энергозависимы от Солнца:
— С собой же не возьмешь атомный реактор, там все должно быть легкое, даже воздушное, — поясняет Олег Петрович Пчеляков. — Стенки орбитальной и межпланетной станции имеют толщину всего 1,5 — 2 мм. Иначе ее просто не вынести за пределы земного пространства.
Таким образом, возникает вопрос энергообеспечения длительных космических полетов: необходимы сверхэффективные солнечные батареи, которые будут производить достаточно электричества, не отяжеляя при этом конструкцию корабля.
Существует еще один фактор, представляющий серьезную проблему для осуществления длительного полета к соседней планете, — это космическая и солнечная радиация. Существует мнение представителей NASA, которые занимаются исследованием радиационного воздействия на живой организм, что человек и космос несовместимы, а дальние экспедиции — пока невозможны. Если миссия будет длиться дольше, чем месяц, то запас прочности здоровья космонавта просто не выдержит нагрузок. Это и является основным препятствием продолжительных полётов и предметом интенсивных исследований, на которые в NASA выделены около 4 миллиардов долларов.
— Когда человек находится на станции на небольшой высоте — это не показательно, потому что радиационные пояса задерживают излучение, и космонавт не ощущает большой нагрузки. Тонкого корпуса корабля достаточно, чтобы оградить астронавта от вредного воздействия внешней среды. Решающую роль играет защитный эффект радиационного пояса и магнитного поля Земли. Когда аппарат полетит к Марсу, то там человек испытает на себе сильное воздействие излучения, — поясняет Олег Петрович. — Поэтому у нас ведут разговоры о полете в одну сторону. То есть люди долетят, может, даже что-то увидят, и надо будет говорить «прощайте».
Тем не менее, на сегодняшний день как в России, так и за рубежом, ведутся исследования, направленные на решение проблемы совместимости живого организма с длительным пребыванием в космосе. По мнению директора Физико-технологического института РАН академика Александра Орликовского и его предшественника академика Камиля Валиева будущее всей вакуумно-совместимой электронной технологии лежит в ее выносе в космическое пространство. И насколько скоро это произойдет, зависит от темпов развития пилотируемых полетов.
Анна Терехова
Фото предоставлены Олегом Пчеляковым
