Доклад директора НИИЦ МИРЭА Валерия Матюхина на форуме «Фотоника. Мир лазеров и оптики-2021» завораживал своим визионерством. Масштабами своего замысла ученый превзошел Эдварда Теллера с его СОИ. Речь шла о миллиардах лет могущества.
«Кто станет лидером в этой области, тот, во-первых, обеспечит свою страну энергией на ближайшие тысячи лет. А может быть, и на миллиарды лет. Планета будет существовать еще 5 миллиардов лет. А во-вторых, – обеспечит свое господство в воздушно-космическом пространстве», – заявил д.т.н. Валерий Матюхин, возглавляющий Научно-инновационный инженерный центр «Силовой адаптивной фотоники и солнечной аэрокосмической энергетики» Московского института радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА).
Для начала докладчик определил предмет своей науки. Силовая адаптивная фотоника (САФ) – это междисциплинарное научно-технологическое направление исследований с целью создания лазерного излучения мегаваттного и гигаваттного уровней мощности и беспроводной транспортировки лазерных энергетических потоков по атмосферным и космическим магистралям потребителям энергии.
У САФ три основные задачи:
– лазерная локация и распознавание удаленных объектов (плотность мощности 150 мВт/кв. см);
– энергоснабжение удаленных объектов на Земле и в космосе (плотность мощности порядка 100 Вт/кв. см);
– проведение технологических операций в воздушно-космическом пространстве типа утилизации космического мусора или обеспечения астероидной безопасности Земли (плотность мощности более 100 кВт/кв. см).
При этом подразумевалось, что под понятие космического мусора в зависимости от ситуации может много что подойти.
Отдельно докладчик остановился на понятии адаптивности. Наибольшие неприятности луч лазера подстерегает в тропосфере, нижнем слое земной атмосферы, простирающимся до высоты 11 км. Это облака, дым, пыль, осадки, а главное – турбулентность. Бороться с последней позволяет адаптивная оптика, которая учитывает искажение луча от неоднородностей плотности атмосферы. Но прежде чем учесть эту неоднородность, ее надо измерить. Это можно сделать измеряя искажения сигнала альтернативного источника излучения с известными характеристиками. Но где взять такой источник за пределами атмосферы и при этом в поле зрения исследуемого объекта? Было найдено интересное решение: лазер с длиной волны 589 нм возбуждает атомы натрия на высоте около 90 км, образуя в нужной точке стратосферы аэрозольную «звезду». По искажению излучения этой «звезды» определяется влияние атмосферы на прохождение сигнала. Этот метод широко применяется в астрономии, позволяя наземным обсерваториям получать изображения, сравнимые по качеству со снимками космических телескопов.
Считается, что эта технология была изобретена в 1981 году американцем Фейнлейбом (Feinleib), тут же засекречена и снова открыта в 1985 некими Фоем (Foy) и Лэйбери (Labeyrie). Однако докладчик рассказал, что этот метод впервые был предложен в СССР в 1979 году, о чем имеется авторское свидетельство номер 124703 от 3.01.1979, а в 1983 году об этом написал сам Матюхин в журнале «Квантовая электроника».
«Мы должны были стать в мире лидерами по этому направлению, – сетовал докладчик, – но к великому сожалению эта вещь была с одной буковкой (то есть под литерой С – секретно, – прим. НИКСа) и 20 лет лежала в закромах родины. За это время наши зарубежные коллеги достаточно хорошо развили эти технологии».
Впрочем, эта технология развивалась и в нашей стране, правда применительно не к астрофизике, а в системе контроля космического пространства, позволяя получать более четкие изображения объектов на околоземной орбите. Применительно же к теме доклада адаптивная оптика позволяет не только получать более четкие изображения объектов в космосе, но и бороться с искажением лазерного энергетического пучка и обеспечивать более равномерные поля по приемникам излучения, что важно, учитывая плотность приходящей на них энергии.
Очень кратко докладчик коснулся проблемы преобразования лазерного излучения в электричество, отметив главное: эффективность приемников повышается с увеличением плотности энергии. Например, фотопреобразователи солнечного излучения наибольшую эффективность показывают при плотности энергии в диапазоне 500-1000 солнц, а для лазеров – порядка сотни Вт/кв. см. Но если для получения света 500 солнц необходим концентратор излучения соответствующей площади, то с «уплотнением» лазерного излучения вопрос решается легче. Если сравнивать напрямую, то, как видно из таблицы выше, для снабжения энергией маловысотного БПЛА требуется солнечная батарея условным диаметром 4-10 м или приемник лазерного излучения диаметром всего 5-16 см. Тяжелый спутник на геостационаре можно обеспечить энергией с помощью приемника лазерного излучения диаметром всего 50 см. Для наземной солнечной электростанции мощностью 10 МВт необходимо поле диаметром 360 м, а для приема той же мощности в виде лазерного излучения из космоса достаточно приемника диаметром 5 м. (В таблице указано 50 м, но, очевидно, в расчеты ученых вкралась ошибка).
Еще более кратко докладчик коснулся вопроса о создании мощных лазеров, заметив, что разработки успешно идут во всем мире по самым разным направлениям, из которых он хотел бы выделить два: лазеры с солнечной накачкой и наноантенные лазеры. Лазеры с накачкой непосредственно солнечным светом, который подается в рабочее тело с помощью концентраторов солнечного излучения, появились еще в 1966 году, но их КПД не превышал 6%. Однако, как выразился докладчик, «по непроверенным данным из интернета», японцы и европейцы уже достигли КПД 42% на таком типе лазеров.
Что касается наноантенн, то так называют преобразователи солнечного света в электрическую энергию, которые действуют не на фотоэлектрическом принципе, а как обычная антенна для приема электромагнитного излучения, которым является и солнечный свет. Но поскольку это излучение с очень короткой длиной волны, то и наноантенны выполняются в виде нанотрубок длиной в сотни микрон. Теоретически КПД таких устройств можно довести до 80% вместо предельных 40% для фотоэлементов. Докладчик утверждает, что «американцы уже разрабатывают матрицу на триллион этих элементов и создают когерентные лазерные потоки, и здесь можно ожидать очень интересный прорыв в создании мощных лазеров».
Еще одна необходимая технология – это ретрансляция мощных лазерных пучков. Суть идеи применительно, например, к снабжению энергией спутников в том, что проходящий с Земли через тропосферу по кратчайшему маршруту луч корректируется методом адаптивной оптики, а затем передается на воздушную платформу (аэростат или беспилотник), откуда ретранслируется по стратосферным и космическим магистралям практически без потерь и искажений на расстояния в тысячи километров.
Что касается практического применения идеи воздушных платформ, то таких проектов было множество.
Один интересный исторический отсыл в докладе Валерия Матюхина хочется привести дословно: «В свое время мы рассмотрели возможность помещения наших информационных систем на воздушных носителях, в частности на «Руслане». Мы хотели использовать идею синтезированной апертуры, когда за счет перемещения объекта с достаточно высокой скоростью получается синтезированное изображение высокого разрешения. К великому сожалению, мы столкнулись с тем, что турбулентные искажения потока, обтекающего сам носитель, очень высокие и очень динамичные, там происходит перепад давлений с быстротой десятков килогерц. К сожалению, как скомпенсировать эти искажения мы на тот период времени не знали и сейчас не знаем. Единственный выход это переход к более длинным волнам, то есть на средний и дальний ИК-диапазон. А дальнейшее развитие – подняться в стратосферу и там создать высотные платформы, которые могли бы обеспечить нас информацией с более высоким качеством, чем на поверхности земли. Но это были прожекты нашей молодости».
Один из таких «прожектов» можно видеть на слайде выше. Вот такие летающие тарелки должны были охранять наше небо.
Были проекты и попроще, вроде изображенного на слайде выше. Докладчик особо подчеркнул, что это не его домыслы, что все эти технологии существуют и в свое время были опробованы экспериментально на Государственном лазерном полигоне «Радуга» во Владимирской области с получением обнадеживающих результатов.
«Развитие этого направления позволило бы обеспечить энергией труднодоступные северные регионы, дистанционно, на сотни и тысячи километров передавая энергию атомных станций или атомных ледоколов с помощью таких технологий», – констатировал докладчик.
Но все это было лишь вступление к тому главному, что Валерий Матюхин хотел рассказать. Вот этот рассказ.
«Сегодня мы занимаемся проблемой создания солнечной аэрокосмической энергетики, которую мы хотим превратить в национальный проект России. Позвольте, я об этом скажу чуть подробнее».
«Поскольку дело идет об энергетических потоках гигаваттного уровня, то такие пучки могут воздействовать на верхние слои атмосферы, вызывая разогрев, искусственные молнии и прочие негативные вещи. Мы предлагаем наш подход к решению такой проблематики».
«Территория нашей страны достаточно большая и нам не нужно локализовать всю энергию в какой-то точке или области. Нам нужно создать распределенные системы, чтобы эту энергию можно было подать в труднодоступные регионы страны. Мы предлагаем систему дистанционного распределения энергии, состоящую из двух эшелонов: космического, который аккумулирует энергию порядка сотен мегаватт, и некоторого количество стратосферных элементов, которые могут перемещаться по стратосфере над определенным регионом, получать лазерную энергию из космоса, преобразовывать в СВЧ-пучок и передавать потребителям. В этом случае мы можем передавать энергию в любых климатических и погодных условиях в любую точку нашей территории».
«Так как нам не нужно переводить всю энергию в одну точку, то нам не нужно таскать через тропосферу гигаваттные пучки, достаточно лучей с энергией до 10 МВт».
«Отдельная проблема – строительство космических солнечных электростанций. Разработан уже целый спектр подобных проектов, но все они сталкиваются с проблемами, которые на сегодняшний день еще не до конца решены. Доставить в космос подобные громадные платформы сегодня затруднительно. Поэтому мы предлагаем использовать в качестве их основы пленочный концентратор, чей удельный вес составляет от 0,1 до 100 г на кв. м. Такая пленка раздувается газом в космосе и получаются сфероидальные концентраторы полезной площадью порядка 250-300 кв. м. Это позволяет сконцентрировать примерно 100 МВт солнечной энергии. Эта энергия преобразуется в электрический сигнал, а дальше – в лазерное излучение».
«Чтобы пучок лучей на Земле не давал километровых или даже 100-метровых пятен, нужны достаточно большие апертуры, порядка 6-25 м. Мы предлагаем в качестве системы формирования лазерных пучков использовать шароскоп диаметром 25 м, который позволит обеспечивать на стратосферных платформах диаметры пучков в десятки метров. Это нормальные и вполне реальные цифры, и плотность энергии будет оптимальна для преобразования. Промежуточные стратосферные платформы принимают лазерное излучение, преобразуют его в СВЧ-излучение и передают в любую точку».
«А так как мы имеем возможность транспортировки лазерных пучков по стратосфере, то такая технология позволит обеспечить безопасность нашей страны на ближайшие лет 200-300 или 500, за счет создания так называемого кольца недоступности. Мы обложены военными базами со всех сторон. Если мы создадим такие платформы, то они будут в мирное время обеспечивать нас энергией, а в неприятный период времени их энергетический потенциал может быть направлен на нейтрализацию замыслов потенциальных неприятелей».
Вот над такими проектами сейчас работают наши ученые. Кто-то может сказать, что все это просто бред. С одной стороны, так и есть, а с другой – не больший бред чем, скажем, идея Илона Маска о создании автономного поселения на Марсе на миллион человек в ближайшие десятилетия, под которую он уж стал самым богатым человеком на планете.
Холдинг НИКС – это сеть из более чем 100 магазинов цифровой техники по всей России; это инжиниринговый центр по проектированию высокотехнологичных производств «Проектмашприбор», на 75% принадлежащий компании НИКС и на 25% – Госкорпорации «Ростех»; это нанотехнологическая лаборатория, в стенах которой разработаны и изготовлены сканирующие туннельные микроскопы, исследуется квантовый электронный транспорт в металлических наноструктурах, ведутся работы по квантовым вычислениям; это агропромышленный комплекс «Тюринский» площадью 19 800 га в Тульской области, который по производительности труда сопоставим с немецкими фермерскими хозяйствами.