Абрам Фет - Катастрофы в природе и обществе

Если необходимость сохранения ресурсов для будущих поколений – пока лишь политический лозунг, то при создании космических систем жизнеобеспечения соответствующая задача минимизации запасов расходуемых веществ уже практически важна, поскольку надо уменьшить крайне дорогостоящие, сложные и небезопасные поставки с Земли. Атмосфера в космических кораблях, из-за их скромных размеров, может изменять свой состав в несколько дней, тогда как в земной атмосфере такие процессы заняли бы столетия. Поэтому космические системы жизнеобеспечения и создаваемые для их испытания наземные прототипы, искусственные биосферы, в некоторой степени являются "экологическими машинами времени", позволяющими предвидеть возможное экологическое будущее Земли. Мы рассмотрим в этой главе проблемы энергоснабжения, теплообмена, дыхания и питания людей в космических системах, а затем сделаем заключения о соответствующих процессах на Земле.

В развитии глобального экологического кризиса важная роль принадлежит энергетике, поскольку тип энергетики во многом определяет структуру современного производства. Поэтому надо обсудить, каким образом сейчас решаются проблемы энергообеспечения в космосе – тем более, что технические решения в области космонавтики пользуются заслуженно высоким авторитетом и рассматриваются как передовые.

В космосе используются химическая, солнечная и ядерная энергия, каждая их которых имеет свою область применения, где она необходима или выгоднее других. С инженерной точки зрения различают "ближний космос", то есть непосредственную окрестность Земли, "средний космос" – от Меркурия до пояса астероидов, и "дальний космос" – за астероидами. Зона между Солнцем и Меркурием пока не исследуется и представляет особые трудности, из-за сильного тяготения Солнца и интенсивного облучения.

Химическая энергетика, основанная на процессах окисления, то есть на сжигании топлива, используется лишь при старте и посадке космических кораблей, когда требуется высокая "пиковая мощность" – большая выдача энергии в короткое время. До сих пор космические корабли стартовали лишь с Земли и садились на Землю, спуская на другие небесные тела небольшие "модули", тоже на химическом топливе, так что химическая энергия применялась главным образом в ближнем космосе; но при посадке кораблей на Луну и планеты также возникнет проблема пиковой мощности, которую мы пока умеем решать лишь с помощью химической энергии. Соответствующие ей системы, содержащие вредные вещества, выносятся за оболочку систем жизнеобеспечения человека. Все же известен случай с американскими космонавтами, когда из-за разгерметизации кабины произошло отравление экипажа продуктами сгорания топлива, к счастью, без летального исхода; после этого были приняты дальнейшие меры для разнесения зоны обитания экипажа и систем топливной энергетики.

В условиях космоса топливная энергетика не может конкурировать с солнечной – в среднем космосе, где солнечное излучение достаточно сильно. В самом деле, солнечная батарея площадью около квадратного метра и весом в десять килограммов способна десятки лет давать электроэнергию мощностью в сто ватт. Если же взять с собой, например, четыре килограмма керосина, требующих для своего окисления шесть килограммов кислорода (который на Земле берется из атмосферы, а в космос его надо везти вместе с керосином), то эти десять килограммов химических веществ способны дать около восьми тысяч килокалорий тепловой энергии, из которой можно получить в лучшем случае примерно двенадцать тысяч килоджоулей электроэнергии – столько же, сколько дает описанная выше стоваттная солнечная батарея за восемь суток. Самые лучшие топлива, такие, как водород, при том же общем весе вместе с кислородом в десять килограммов, дали бы столько же энергии, сколько стоваттная солнечная батарея за полмесяца. Из приведенных оценок понятно, насколько топливная энергетика неконкурентоспособна в условиях космоса. В действительности для открытого космоса, где можно избежать "пиковых" нагрузок, химическая энергетика (за исключением электрических аккумуляторов и батарей) даже не планируется. Преимущества солнечной энергии перед химической, столь очевидно демонстрируемые в космосе, могут послужить хорошим уроком и для Земли.

Солнечная энергия не только может обеспечить все жизненные потребности экипажа: есть реалистические проекты ее применения для движения межпланетных кораблей в открытом космосе, с помощью ионных двигателей. В таких двигателях электрическая энергия используется для разгона тяжелых частиц (ионов), например, ионов цезия или ртути, выбрасываемых с большой скоростью в направлении, противоположном требуемому курсу ракеты, наподобие струи газов химического реактивного двигателя. Приращение энергии ракеты пропорционально квадрату скорости ионной струи (вспомните формулу для кинетической энергии E=mv 2/2), но, поскольку запас ионного топлива ограничен, выбирается оптимальная скорость выбрасывания частиц; например, для полета к Марсу, продолжительность которого составит около шести месяцев, эта скорость должна быть равна 40 км/сек. Для получения такой энергии понадобятся солнечные батареи большой площади, напоминающие паруса, которые будут распускаться в космосе, так что космический корабль с ионным двигателем будет странным образом похож на парусные корабли – причем его паруса не будут испытывать сопротивления воздуха! Вес батарей, со всеми устройствами, составил бы сейчас около 120 кг на 1 квт мощности, но может быть во много раз уменьшен.