Технологии возобновляемых источников энергии постепенно развиваются и уже в обозримом будущем могут начать реально конкурировать с использованием ископаемого топлива, что всё в большей степени снижает его роль, как энергоносителя. Речь идёт, разумеется, главным образом о солнечной и ветровой энергии, других возобновляемых источников энергии несравнимо меньше.
И в этой связи обращает на себя внимание факт, что часть солнечной энергии, достигая поверхности нашей планеты, теряется в атмосфере. Соответственно, теоретически большую эффективность могли б иметь солнечные электростанции, расположенные за пределами нашей планеты, например, на той или иной орбите, или на луне, не имеющей атмосферы.
И тем не менее, если вырабатываемая такими солнечными электростанциями энергия не найдёт применения на месте, целесообразность является сомнительной. Периодически встречаются упоминания о проектах строительства солнечных электростанций на орбите или на луне, но доставка вырабатываемой энергии на нашу планету не является возможной, и, скорее всего, такая возможность, как минимум, в этом веке не появится.
Точнее говоря, некоторая вероятность осуществимости такого проекта в не очень далёком будущем существует, и в этом плане самым вероятным методом является космический лифт. В этом контексте можно подразумевать любую технологию возможности физического соединения аппарата на орбите с оборудованием на поверхности нашей планеты, начиная от банальных электрокабелей, которые, будучи протянутыми до геостационарной орбиты, не порвутся под собственным весом.
Во всех иных случаях существует два основных варианта: доставка энергоносителей с орбиты и передача энергии с помощью излучения. Второй способ может показаться простым, но следует учитывать, что даже с низкой околоземной орбиты ошибка направления в одну угловую минуту приведёт к смещению места на поверхности почти на 100 метров.
При этом на слишком низкой орбите такой аппарат будет испытывать некоторое сопротивление воздуха, приводящее к его постепенному снижению, а будучи чуть выше, окажется в области радиационных поясов, где солнечные панели будут сравнительно быстро приходить в негодность. Если такой аппарат разместить выше, то незначительные ошибки в направлении будут приводить уже к смещению на километр и больше.
Вряд ли в обозримом будущем появится возможность достаточно надёжного обеспечения направления излучения с точностью до угловых секунд. В ином случае вокруг приёмных точек излучения большой мощности придётся создавать зону отчуждения в километры или десятки километров, а если возможная ошибка направления будет достигать градуса или больше, то зону отчуждения придётся ещё больше увеличивать.
Если энергию передавать с помощью излучения безопасной мощности, то смысл такого оборудования почти теряется, поскольку если требованием является, например, предотвращение закипания воды в водоёме, в который такое излучение попадает по ошибке, то его мощность может превышать соответствующую величину для солнца менее, чем в три раза, что делает целесообразность проекта сомнительной.
Доставка выработанной энергии виде в химического топлива, исходные материалы для которого доставляются с нашей планеты, невозможна. Например, если вырабатываемую энергию преобразовывать в химическую путём электролиза воды, то её доставка на орбиту потребует затрат большего количества энергии химического топлива, чем возможно запасти путём электролиза. Это как минимум следует из того, что удельная энергия горения водорода в кислороде соответствует кинетической энергии для скорости, которая даже меньше первой космической, не говоря уже о том, что КПД в 100% вряд ли бывает достижим.
Для некоторых более экзотических химических реакций их удельная энергия может соответствовать кинетической энергии для скорости, которая немногим больше первой космической, но, во-первых, их сложно осуществлять в обоих направлениях, а во-вторых, даже для минимальной эффективности КПД должен быть слишком близким к 100%.
Пригодное количество энергии на единицу массы возможно только в атомном виде. Например, плутоний-238 имеет удельную энергию распада более 2 ГДж/кг, что соответствовало б возможности разгона ракеты с равной по массе полезной нагрузкой более, чем до 65 км/с, или разгону до первой космической скорости ракеты, масса которой превышает массу топлива почти в восемь раз. Даже с учётом возможных потерь энергии, при её доставке в виде плутония-238 на обратную доставку исходного материала на орбитальную электростанцию возможно тратить в пределах третьей части выработанной энергии.
Понятно, что такой способ доставки энергии в атомном виде возможен лишь теоретически, если доставляемый плутоний-238 будет по весу меньше суммарного веса вместе с контейнером менее, чем в эти три раза, то в случае неуправляемого падения такого контейнера проникновение плутония-238 в окружающую среду будет практически неизбежным. Иначе говоря, при таком способе транспортировки энергии всего лишь одна авария способна вызвать экологическую катастрофу планетарного масштаба. И способов значительно снизить эту опасность в обозримом будущем не предвидится.
Способы доставки энергии из-за пределов нашей планеты без опасности экологической катастрофы в случае технического сбоя возможны, если для химической энергии использовать исходный материал за пределами нашей планеты. Это возможно в двух вариантах:
- доставка применимого на нашей планете энергоносителя с других небесных тел;
- использование веществ с других небесных тел для выработки энергоносителей.
Поскольку на других небесных телах солнечной системы редко присутствует значительное количество свободной химической энергии, этот вариант преимущественно осуществим путём доставки веществ, способных выделять её значительное количество при реакции с кислородом. Вещества, изначально не содержащие кислород, естественно, состоят преимущественно из элементов, распространённость которых ему сильно не уступает. К ним относятся водород, гелий, углерод, азот и неон. Разумеется, использование инертных газов в качестве химического топлива невозможно, кроме того, многие соединения азота выделяют чрезвычайно мало энергии при реакции с кислородом, поэтому в этом контексте имеет смысл рассматривать только углерод и водород. По сути, получаются два основных вещества - молекулярный водород и метан, последний может быть в сочетании с другими алканами.
Атомы водорода лёгкие, поэтому его отдельные молекулы, а тем более атомы, даже при не очень высокой температуре могут достигать весьма большой скорости, которая при не очень значительной гравитации превысит вторую космическую, что приведёт к их потере атмосферой планеты. Соответственно, значительное количество молекулярного водорода присутствует только на газовых гигантах, преодоление гравитации которых определённо потребует больше энергии, чем приходится на единицу массы водорода, как топлива. Конечно, при доставке на нашу планету чистого водорода можно оценивать энергоёмкость, не считая требуемое для реакции с ним количество кислорода, но даже в этом случае итоговая скорость при полном использовании его энергии на единицу массы не превысит 16 км/с, что меньше второй космической скорости для всех газовых гигантов солнечной системы.
Метан в твёрдом виде присутствует на большом количестве небесных тел солнечной системы, а в жидком - на Титане. Гравитация Титана невелика, поэтому при полном использовании энергии метана, как топлива без учёта окислителя, расход на достижение второй космической скорости составил б примерно десятую долю от общей массы. Соответственно, даже для реального КПД доставка метана с Титана в качестве топлива в принципе могла б покрывать необходимые затраты энергии.
Разумеется, при этом оказываются неучтёнными затраты на доставку соответствующей ёмкости на Титан с нашей планеты, а соотношение массы грузового контейнера и перевозимого в нём груза может быть достаточно разным. Но в любом случае целесообразность такого проекта когда-либо в будущем выглядит весьма сомнительно, даже если контейнер будет сравнительно лёгким и на пути к Титану не будет необходимости в гравитационных манёврах, при разумном расходе топлива этот путь займёт не менее пяти лет.
Обратный путь для обеспечения доставки топлива большей энергоёмкости, чем было затрачено энергии, потребует применения каких-то способов возврата на нашу планету и спуска на неё без значительного использования реактивной тяги, соответственно, в этом случае потребуется значительное количество гравитационных манёвров, и такой маршрут может занимать почти 15 лет. Один такой рейс в 20 лет сам по себе ставит под сомнение целесообразность, не говоря о том, что потребуется преодоления ряда технических сложностей, например, подъём груза с Титана, имеющего атмосферу.
Использование для электролиза на орбите воды, полученной из-за пределов нашей планеты, выглядит сомнительным по схожим причинам. Для этой цели сложно использовать приближающиеся к нашей планете кометы, во-первых, поскольку на них вода находится преимущественно в твёрдом состоянии, а во-вторых, в этот момент их скорость существенно отличается от скорости нашей планеты, соответственно, потребовались б затраты топлива на изменение траектории взятого с комет груза воды, не считая сложности периодичности такого источника воды на орбите.
Астероиды с более удобной орбитой, как Рюгу, содержат мало воды даже в твёрдом виде, это относится и к астероидам с менее удобной орбитой, как Дионис или Зефир. По-видимому, ближайшим небесным телом с большим количеством воды и очень малой гравитацией является Веста или какой-то из окрестных астероидов. В случае Весты решением может быть извлечение ледяных кубов за счёт растапливания льда путём фокусировки солнечного света на небольшую поверхность, при достижении достаточной глубины возможно выкачивание подповерхностной воды.
Вторая космическая скорость для Весты составляет менее 400 м/с, а использование гравитационных манёвров позволило б доставлять на нашу планету водород в чистом виде, поднимая с её поверхности только подходящие ёмкости, прочее оборудование возможно использовать многократно. Но схожая с доставкой природного газа с Титана продолжительность получения очередного груза водорода делает целесообразность этого проекта тоже сомнительной, тем более что потребуется избегать опасности возгорания и взрыва контейнеров с водородом при их спуске на нашу планету.
Использование присутствующего на луне водяного льда для этой цели тоже вряд ли может быть эффективным, его слои не располагают к извлечению в виде больших кубов, как это можно было б делать на Весте, и основные запасы сосредоточены вблизи полюсов, где его электролиз был б не очень эффективным, а его транспортировка по поверхности луны была б затратной.
Кроме упомянутой возможности космического лифта, электромагнитные ускорители для подъёма исходного материала для топлива тоже в какой-то степени смогут обеспечить такие возможности в не очень далёком будущем. Вероятно, космический лифт появится раньше полномасштабного овладения атомными реакциями, включая возможность быстрого устранения радиоактивного заражения при необходимости, но вряд ли возможны более простые решения.
