Впервые такой принцип получения энергии был описан 54 года назад в журнале "Техника Молодёжи", в статье известного писателя-фантаста Георгия Гуревича "Увлекательная гравитация" (номер 11/1970, стр. 56-58).
Писатель выразил основную идею образно, но очень точно: "Луна целиком состоит из первосортного угля".
Гравитация: Первый источник энергии, который мы осваиваем с детства
Гравитация является первой силой Природы, с которой мы осознанно сталкиваемся ещё в раннем детстве. Гравитационная энергия является самой доступной и простой для использования, и легко преобразуется в механическую энергию движения; фактически, это и есть скрытая форма механической энергии, которая переходит в кинетическую энергию при изменении положения тел в пространстве. Для сравнения, чтобы придать телу скорость с помощью электрической или тепловой энергии, нужны сложные системы тел-посредников — проводники с током, поршни, рычаги, турбины… для того, чтобы придать этому же телу такую же скорость с помощью гравитации, не надо вообще ничего, кроме самого тела и гравитационного поля. (Вы когда-нибудь видели, чтобы дети пяти лет играли в песочнице с источниками электромагнитной, ядерной или тепловой энергии? А вот гравитационную энергию они используют вполне успешно, и при этом нет никаких смертельных излучений, радиационных и химических загрязнений местности).
Земные ограничения: Почему гравитационная энергия не используется
Тем не менее, гравитация пока ещё мало используется в качестве источника энергии. Это объясняется тем, что на планете Земля относительно мало легко доступных для использования запасов гравитационной энергии: почти всё, что могло упасть на планету, стечь вниз или опуститься ниже — за миллиарды лет упало и опустилось. Даже вещество мантии планеты за счёт гравитационной дифференциации разделилось на фракции различной плотности, и более плотная часть опустилась вниз, в ядро; при этом выделилась значительная энергия, достаточная для нагрева недр Земли на 3-4 тысячи градусов — но эта энергия пока недоступна для нас.
В настоящее время 99% запаса потенциальной гравитационной энергии на поверхности планеты находится в виде вещества горных массивов, которые состоят из твёрдых горных пород. Запас этой энергии не так уж мал: при современном уровне потребления, человечеству хватило бы этой энергии на 100 тысяч лет. Но использовать эту энергию при современном уровне техники сложно: чтобы спустить камни с вершины горы на 3-5 километров вниз для получения энергии, их пришлось бы перемещать на десятки километров вдоль склона, а выход энергии с килограмма вещества всего 30-50 килоджоулей, то есть в 1000 раз меньше, чем при сжигании углеводородов. Такой способ получения энергии возможен, но пока слишком сложен и экономически не оправдан.
Единственный доступный сейчас для прямого использования запас гравитационной энергии вещества — это гидроресурсы, но их запас невелик, и практически используется только ежегодно возобновляемая часть, пополняемая за счёт атмосферных осадков. При этом 90% осадков выпадает на равнинах, на высоте до 200 метров над уровнем моря. Эффективность гравитационных гидроэлектростанций ограничена начальной разностью высот, с которой вода осадков начинает свой путь к морю, и бесконечно много энергии из этого источника извлечь не получится. Даже 100% использование всей гидроэнергии всех рек на Земле даст не более 1000 гигаватт средней мощности — то есть всего 100 ватт на каждого человека на планете, что явно мало.
Гидроэлектростанции поставляют 15% мирового производства электроэнергии, и это вроде бы не мало; но в развитых странах почти не осталось резервов для дальнейшего увеличения мощности ГЭС, и доля производимой ими энергии снижается, в 5-10 раз уступая тепловым электростанциям на ископаемом углеводородном топливе.
Космос: Неограниченный источник гравитационной энергии
Поскольку сейчас гравитационная энергия мало используется на Земле (почти исключительно в виде гидроэлектростанций), то её в силу привычки не рассматривают и в качестве основного перспективного источника для энергетики будущего, в том числе для освоения космоса.
Но в космическом пространстве ситуация совершенно иная, чем на поверхности нашей планеты: там не просто очень много вещества (масса всей Земли составляет всего 1/500 массы планет солнечной системы). Но, что более важно, удельная потенциальная и кинетическая энергия каждого килограмма этого вещества очень велика. Не использовать эту энергию, при наличии технических возможностей для этого, было бы неразумно.
Лунные электростанции: Энергия из обычного песка
Гравитационная электростанция на Луне может вырабатывать 60 МДж энергии из килограмма обычного песка — вдвое больше, чем даёт при сгорании, например, каменный уголь или нефть.
Принцип действия такой электростанции крайне простой: на поверхности Луны берётся обычный камень массой 1 килограмм, запускается оттуда в сторону Земли из пушки (газовой или магнитной) с начальной скоростью 2,4 км/с. На это надо затратить энергию 3 МДж.
Ускоряясь в гравитационном поле Земли, снаряд приобретёт скорость 11 км/с, и кинетическую энергию, относительно Земли, более 60 МДж/кг.
На околоземной орбитальной станции, или неподвижной высотной платформе, размещённой в стратосфере Земли на высоте более 30 километров, находится приёмное устройство, которое преобразует кинетическую энергию прилетающего искусственного метеорита либо непосредственно в электрическую, либо в тепловую, причём энергии выделяется 60 МДж. Если 5% этой энергии снова передать на Луну для следующего выстрела, то получится возобновляемый цикл выработки энергии, расходующий только лунный грунт, которого на Луне очень много.
Правда, цена вырабатываемой таким образом энергии для наземных нужд может оказаться слишком высокой, но для снабжения космических объектов такой принцип доставки энергии может быть оправдан. Помимо выработки энергии, космическому аппарату при этом будет передаваться удельный импульс более 10 км/с, и это можно использовать как для маневрирования в космосе без затрат бортового запаса топлива, так и для вывода грузов на околоземную орбиту без использования ракет.
Конечно, 60 МДж на килограмм — это не очень много, всего в 4 раза больше, чем даёт при сгорании смесь водорода и кислорода. Но если использовать гравитационный потенциал не Земли, а, скажем, фотосферы Солнца, то там энергии будет уже в 3000 раз больше. Килограмм песка, льда или водорода, взятый на каком-то астероиде или комете, и перемещённый к поверхности Солнца, выделит 180 ГДж энергии; это, правда, всё же в 500 раз меньше, чем может дать при делении килограмм урана-235. Но зато льда в Солнечной системе много, он дешёвый, и не радиоактивный. Гравитационная энергия будет намного чище ядерной и термоядерной, и на 1-2 порядка дешевле. При этом запас доступной гравитационной энергии в веществе планет Солнечной системы превышает запас ядерной энергии в уране, тории, литии и дейтерии на этих планетах.
Отказываться от такого эффективного источника энергии, по крайней мере для снабжения космических объектов и инфраструктуры, нельзя. Конечно, есть ряд очень существенных технических трудностей, в том как организовать такой процесс, но потенциальная выгода очень велика — выше, чем при использовании ядерной энергии.
Один из возможных, и наиболее простых технически, способов получения гравитационной энергии в межпланетном пространстве и передачи её потребителю — это ускорение небольшой массы вещества (в виде небольшого снаряда или контейнера) за счёт энергии другой массы вещества, сбрасываемой в достаточно глубокую "потенциальную яму" — например, в атмосферу Юпитера, что даст энергию 1,8 ГДж/кг.
Далее поток этих снарядов, состоящих из льда или замороженного газа, может лететь со скоростью в 50-100 километров в секунду к любому потребителю в солнечной системе, в том числе в окрестностях Земли. Управление движением этих снарядов может осуществляться с помощью внешнего воздействия на промежуточных корректировочных станциях, расположенных вдоль траектории движения, и при этом точность траектории может поддерживаться с любой желаемой точностью, что позволит передавать таким образом энергию на астрономические расстояния и поставлять конечному потребителю, расположенному в околоземном пространстве, либо движущемуся в межпланетном пространстве космическому аппарату для его разгона, что позволит разгоняться до скоростей в десятки километров в секунду и более, и наконец решит проблему межпланетных перелётов и освоения планет Солнечной системы.
Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса
Подробнее о развитии этой концепции (и ещё некоторых других полезных вещах) можно прочитать в очень маленькой и короткой книжке:
"Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса".
Аннотация: "Это первая часть книги (главы 1-4 из 8 запланированных), в которой автор пытается объяснить, почему всё-таки надо осваивать космос и как это сделать почти без затрат. Это технический текст, фантастики здесь нет. Автор расскажет вам, как сделать лунный парашют, где взять много луца, как построить гравитационную электростанцию, запускать ракеты без топлива со скоростью 50 км/с и отправить звездолёт к Альфе Центавра."
По мнению автора книги, такой способ получения энергии позволит снизить её стоимость до 0,1 цента за киловатт-час, выводить грузы на околоземную орбиту менее чем за 1 доллар за килограмм (на воде, взятой из речки), и летать на Луну в викенд за 500 долларов.
Вот, оказывается, откуда они там, в будущем, будут брать столько энергии, чтобы школьники на каникулах могли слетать, ну хотя бы на Уран…
Обязательно оставьте комментарий, и приводите трёх друзей.
(Про то, как добраться до соседних звёздных систем, будет во второй части книжки… если, конечно, первая вызовет интерес у читателей).
Если кто-то прочитает книгу и оставит критический отзыв, автор будет очень рад. Нужна критика, а вдруг что неправильно.
Автор: Полюх Алексей Леонидович, инженер-конструктор, 46 лет, Белоруссия