Алиса Шпигель - История зеркал. От отражения в воде до космической оптики [litres]

Используя современные технологии уже можно проектировать крупные космические зеркала, с помощью которых можно осветить сразу крупный регион или город; в несколько раз повысить отдачу энергии наземных солнечных электростанций; космическая система освещения не боится никаких земных катаклизмов вроде землетрясений и ураганов. Также подобное зеркало могло бы продлить вегетационный период полезных растений.

Сложности реализации крупных проектов космических зеркал по-прежнему заключаются лишь в несовершенстве технологий вывода грузов в космос и отсутствии технологий орбитальной сборки и обслуживания подобных конструкций. На геостационарной орбите (оптимальной для зеркала) нужно сооружать космическое зеркало огромной площади. На более низких круговых орбитах для непрерывного освещения участка Земли целесообразно использовать множество отдельных зеркал, что также отнюдь не удешевляет проект и к тому же упирается в проблему космического мусора.

У человечества есть интересная возможность повысить комфортность своего обитания не в рамках отдельно взятого помещения, а крупного города или целого региона. В ближайшем будущем, возможно, появятся новые технологии доставки грузов в космос, будут созданы технологии изготовления космических зеркал с помощью, например, наночастиц на основе метаматериалов. И тогда, наконец, человечество сможет реализовать давнюю мечту и создать свое искусственное Солнце в ночном небе.

Космонавтика без солнечной энергии немыслима. Как известно, для энергоснабжения орбитальных станций используются солнечные батареи. Им не требуется никакого топлива, а для увеличения мощности надо только нарастить площадь панелей, похожих на крылья. Однако эффективность солнечных батарей зависит от температуры и со временем падает до нуля. А наращивание площади «крыльев» увеличивает парусность и гасит скорость — ведь на высоте полета орбитальных станций действует остаточная аэродинамика.

Поскольку применение солнечных батарей не решает проблемы космического энергоснабжения, в умах энтузиастов из Ракетно-космической корпорации «Энергия» возникла идея — использовать энергию Солнца более эффективно.

Солнце — источник не только световой, но и тепловой энергии. Солнечные лучи хорошо фокусирует вогнутое зеркало. Как показал еще в начале XX века профессор В. К. Цераский, изображение нашего светила в фокусе параболического зеркала диаметром около метра дает температуру, при которой плавится даже вольфрам. Значит, специальный зеркальный концентратор может, нагревая котел с теплоносителем, постоянно обеспечивать орбитальную станцию электроэнергией для оборудования и теплом для экипажа. У зеркальных концентраторов и КПД в 2–3 раза выше, чем у солнечных батарей, и площадь в несколько раз меньше, а температуры они дают в тысячи градусов, да и время над ними не властно.

Правда, изготовление вогнутого зеркала требует высокой точности оборудования и технологии. Чем больше мощность (а значит, и размеры зеркала), тем сложнее техника его изготовления. Космос накладывает на изделия строгие ограничения по размеру и массе. Так что качественный зеркальный концентратор солнечных лучей — очень дорогое удовольствие. Значит, его надо удешевить. Способ такого удешевления нашел ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», кандидат технических наук Альберт Шолохов.

Существующее оборудование позволяет изготовить отражающую поверхность параболического зеркала диаметром не более трех метров, что соответствует мощности гелиоустановки примерно в 3 квт — а для орбитальной теплоэлектростанции нужна мощность в сотни и тысячи киловатт. Конечно, отражающую поверхность можно делать сборной из нескольких трехметровых параболических зеркал. Но изготовление каждого такого зеркала требует больших затрат времени и средств, а сборка крупногабаритного концентратора на орбите выливается в несколько запусков, так как головные обтекатели ракет ограничивают размер полезного груза. И Шолохов решил: зеркало должно быть небольшим и легким, с высоким КПД и большой мощностью, собирающим солнечные лучи «в точку» и «в линию», а главное — плоским.

Вспомните туристский или охотничий стаканчик в сложенном виде. На плоском донышке лежат несколько концентрических колец в виде поясков, нарезанных из пустотелого конуса. Потянули наружное кольцо кверху — получился конический стакан. Наполнили, опрокинули, сложили — и стакан снова превратился в систему кольцевых элементов на плоском основании. Осталось представить, что внутренние стороны колец имеют зеркальные поверхности. Вот и вся модель зеркала Шолохова.