На пути к созданию систем дополнительного внеземного освещения
Можно ли в ночное время использовать отраженный солнечный свет для освещения объектов на Земле?
Мысль об использовании зеркал, установленных на орбитальных станциях для дополнительного освещения отдельных участков поверхности ночной стороны Земли отраженным солнечным светом, высказывалась ещё в двадцатые годы Ф.А. Цандером и другими пионерами космонавтики. Её также активно развивал немецкий учёный и инженер Г. Оберт и его последователи. Но первые практические шаги в осуществлении такого проекта были сделаны лишь в феврале 1993 года в рамках известного и до сих пор уникального для мировой космонавтики эксперимента «Знамя», проведенного на российской космической станции «Мир».
Сама идея освещения отдельных участков поверхности на ночной стороне Земли весьма проста. Все знают, что осветить темный угол комнаты в яркий солнечный день можно, направив туда «солнечный зайчик» с помощью обычного зеркала. Таким же образом расположенный на околоземной орбите и определенным образом сориентированный отражатель (имеющий, конечно, несколько большие размеры) может осветить отдельные участки Земли отраженными лучами Солнца. Сегодня, когда энергетический кризис уже начинает ощущаться, использование такого экологически чистого источника энергии сулит немалые выгоды.
Космическое зеркало, размещенное на круговой геосинхронной (геостационарной) орбите, как подвешенная под потолком лампа может освещать расположенный под ним район Земли все 24 часа в сутки. Можно расположить такой отражатель и поближе – на эллиптической высокоапогейной орбите с большим углом наклонения к экватору. С такой орбиты лучше всего освещать районы приполярной зоны. По расчетам, несколько отражателей, расположенных на такой орбите, способны освещать в течение примерно 12 часов в сутки северные города – например, Мурманск, Воркуту, Тикси, Норильск... Правда, при движении по орбите придется корректировать наклон зеркала, чтобы «солнечный зайчик» не уходил с нужного места. Но в принципе такая система и должна быть управляемой – это позволит оперативно перенацеливать солнечный луч туда, где необходимо освещение, например, в район стихийного бедствия или катастрофы. В перспективе можно будет даже продавать искусственное освещение с орбиты – так же, так сегодня продается газ, уголь и нефть.
Однако реализация подобных проектов связана с рядом весьма сложных технических проблем. Самая, пожалуй, сложная из них – это необходимость создания в космосе громоздких и тяжелых крупногабаритных конструкций, несущих отражающие поверхности, и разработка систем и агрегатов для управления ими. Ведь для того, чтобы обеспечить нормальное освещение города размером с Москву, необходимо развернуть на геостационарной околоземной орбите зеркальную панель площадью в 12 квадратных километров. Поэтому перед создателями «искусственного солнца» в первую очередь стоит задача уменьшения веса конструкции. Кроме этого, надо найти эффективные и надёжные способы быстрого развертывания столь громоздких зеркальных систем на орбите.
По своей конструкции орбитальные отражатели могут быть трёх видов: надувные, отражатели с жёстким стержневым каркасом или развертывающиеся бескаркасные. При запуске первых спутников Земли уже были попытки использования легких надувных оболочек, но они оказались крайне непрочными. Любое столкновение даже с мельчайшей частицей естественного или техногенного происхождения может привести к потере герметичности, а значит, и к разрушению конструкции. Каркасные отражатели гораздо лучше подходят для освещения Земли, но они имеют очень большой вес и их сложно монтировать на орбите.
Отечественные разработчики пошли по иному пути. Они использовали плёночные бескаркасные быстрораскрываемые отражатели. Основным материалом для них стала лёгкая и прочная пластиковая плёнка, покрытая алюминием (майлар) толщиной всего в 4 нанометра. Она настолько тонкая, что вес одного её квадратного метра составляет всего 5 граммов (для сравнения, газетный лист такой же площади весит более 40 граммов). Но как «натянуть» ее в космосе, как заставить сохранять нужное положение в пространстве? Конструкторы нашли оригинальное решение этой проблемы. Они сумели использовать природные силы инерции. Зеркало развертывается за счёт центробежных сил, эта идея оказалась особенно удачной для условий безвоздушного пространства и невесомости.
Отражатель состоит из восьми отдельных пленочных секторов, намотанных на барабан. По расчетам, для устойчивого и достаточно быстрого развёртывания плёнки за счёт центробежных сил скорость вращения барабана должна составлять не более 1,5 радиан в секунду. В развернутом положении секторы должны образовать 25-метровое кольцо, вращающееся вокруг продольной оси вместе со спутником.
В первый раз эксперимент был проведен 4 февраля 1993 года на грузовом корабле «Прогресс-М». Потребовалось всего три минуты, чтобы развернуть на орбите плёночную зеркальную конструкцию. Эксперимент прошёл удачно – развёрнутая плёночная поверхность сохраняла устойчивое положение в пространстве и успешно выполнила роль космического зеркала. Космонавтам удалось направить отраженный пучок солнечного света на Землю. Световое пятно диаметром пять километров и вдвое ярче Луны темной февральской ночью проскользило по маршруту Тулуза – Лион – Женева – Штутгарт – Мюнхен – Прага – Лодзь – Брест – Гомель.
Повторный эксперимент, проведенный позднее также в рамках проекта «Знамя», к сожалению, потерпел неудачу. В процессе развертывания пленочной конструкции на орбите произошел непредвиденный «захлест» секторов-отражателей, что не дало возможность полностью развернуть зеркальную поверхность, и эксперимент на орбите был прекращен.
Конечно, проведенные эксперименты с зеркальным отражателем на орбите – лишь первые шаги на пути к созданию систем дополнительного внеземного освещения. До развертывания промышленных орбитальных систем предстоит решить ещё много технических проблем, связанных с развертыванием на орбите секций плёночных конструкций большой площади, их управлением и обслуживанием.
Сегодня же специалисты полагают, что применение подобных решений сулит существенные выгоды. Принципы, заложенные в бескаркасных отражателях, будут использоваться при создании крупногабаритных космических конструкций различного назначения – для межконтинентальной теле- и радиосвязи, систем очистки спутниковых трасс от космического мусора, космических систем ретрансляции энергии на большие расстояния и так далее. Дело за будущими проектами.
Фото: 1. С сайта Консорциум «Космическая регата»; 2. С сайта www.edu.pe.ca.
5 декабря 2012
