Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин

Уверен, вы уже поняли, что сверхпроводники тут необходимы для создания магнитной ловушки, в которой будет удерживаться «искусственное Солнце», дающее доступ к безграничной и дешёвой энергии. Повторюсь, что, если не окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, она не будет удерживаться в заданном объёме и просто прожжёт стенки реактора.

К слову, в международном проекте по созданию прототипа термоядерного реактора ИТЭР именно Россия отвечает за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для «укрощения» плазмы. Предполагается, что первые испытания магнитов состоятся во время пробного запуска реактора в 2025 году.

Возможна ли сверхпроводимость без охлаждения?

Думаю, каждый уже задался этим вопросом. Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости, главная мечта всех физиков и инженеров – комнатная температура сверхпроводимости, которая откроет ей дорогу в повседневный быт и по сути ключ к передаче энергии без потерь, левитирующим космическим поездам, лунным лифтам и другим атрибутам научной фантастики, – пока не достигнута.

Время от времени сообщения о достижении сверхпроводимости при комнатной температуре появляются, но это, как правило, преувеличение СМИ. К примеру, физики из университета Рочестера (США, штат Нью-Йорк) в статье «Сверхпроводимость при комнатной температуре в углеродистом гидриде серы», опубликованной в Nature, сообщили о достижении сверхпроводимости при необычайно высокой температуре +15 °C (Elliot Snider, 2020). Есть нюанс: для этого потребовалось довольно высокое давление.

Учёные на протяжении многих лет шаг за шагом подбирались к этому достижению. Например, в 2015 году был поставлен рекорд сверхпроводимости при –70 °C (A. P. Drozdov M. I., 2015), а в 2019 году физики добились этого состояния при –23 °C – не самый морозный зимний день в России (A. P. Drozdov P. P., 2019). И вот теперь сверхпроводимость достигнута при комнатной температуре. Что удивительно, но компонентами для сверхпроводника послужили самые простые и дешевые вещества: сера и углерод в виде очень мелкого порошка, а также газообразный водород.

Смешав всё это, состав поместили между алмазными наковальнями, подвергли воздействию давления 2,6 млн атмосфер, а дополнительно благодаря прозрачности алмаза несколько часов эту смесь облучали лазером, чтобы запустить в нём химические реакции. В результате был получен принципиально новый материал (в объёме всего лишь триллионных долей литра), который оставался сверхпроводящим при 15 °C.

По сути, сбылась мечта физиков! А вот у инженеров работа только началась, ведь показана лишь принципиальная возможность сверхпроводимости при комнатной температуре, что уже просто потрясающе, но до внедрения технологии в повседневный быт ещё далеко. Тем не менее, изучив физические механизмы, лежащие в основе «комнатной» сверхпроводимости, учёные и инженеры однажды смогут реализовать её и при нормальном давлении. Это станет началом появления очередных технологий из фантастических романов в повседневной жизни, а спустя ещё десяток-другой лет современники будут с совершенно скучающим видом садиться в левитирующий космический поезд, чтобы отправиться на работу на станцию термоядерного синтеза на орбите высотой в 20 000 км над Землёй.

Зачем создавать термоядерный реактор, если у нас уже есть один работающий?

Илон Маск как-то написал в своём аккаунте в социальной сети, логотипом которой является птичка: «Термоядерная энергия не нужна». Позже он объяснил, что у нас есть термоядерный реактор, стабильно работающий уже более 4,5 млрд лет, – Солнце.

Идея о том, чтобы получать энергию с помощью солнечной электростанции, размещённой в космосе, старше даже космической программы. Вообще, согласитесь, довольно интересно наблюдать за тем, как описанные фантастами технологии постепенно становятся обыденной реальностью.

Проектов орбитальных солнечных электростанций не то чтобы много, но и не мало. На сегодня лидерами в разработке этих технологий являются США. Не отстаёт Китай, есть подобные проекты и в России.

Итак, наиболее активно над подобными технологиями в США работали в 1970-х годах. Тогда основной идеей было создание на орбите солнечной электростанции, которая могла бы наиболее эффективно вырабатывать энергию и передавать её на Землю.

Самая успешная демонстрация (Dickinson, 1975) состоялась уже в 1975 году: чуть более 30 кВт энергии было передано на расстояние более 1,5 км. Эффективность передачи составила 82 %, что очень неплохо. Проблема была в масштабах оборудования. Генерировала пучок радиоволн параболическая зеркальная антенна диаметром 26 м. Принимающая, площадью 24 м2, была установлена на специальной башне высотой 30,5 м.

Таким образом, для регулярной передачи довольно большого количества энергии на расстояние в сотни километров на тот момент требовались бы гораздо бóльшие антенны. Но технологии не стояли на месте, поэтому американские специалисты (военные, как правило) возобновили работы по данному направлению.

К примеру, в 2018 году ВВС США заключили контракт с Northrop Grumman на разработку технологий для создания спутника, который мог бы дистанционно снабжать энергией удаленные военные базы. В 2021 году в рамках этого проекта был продемонстрирован прототип солнечной панели с интегрированной передающей антенной.

У ВМС США есть собственный проект по разработке технологий передачи энергии по воздуху. Научная лаборатория, занимающаяся им, рассказала, что с помощью обычной зеркальной антенны диаметром в несколько метров, генерирующей узкий пучок электромагнитного излучения с частотой 10 ГГц, им удалось передать энергию на расстояние 1 км с пиковой мощностью в 1,6 кВт. Принимала радиоволны квадратная антенна, состоящая из множества приёмников, подсоединенных к выпрямляющим диодам для генерации постоянного тока.

Во время другого теста инженерам удалось добиться меньшей пиковой мощности, но более стабильной передачи. Отмечено, что данная система работает в допустимом мировыми регуляторами диапазоне мощности, признанном безопасным для людей и животных.

Когда в космос?

На данный момент известно только, что в рамках полёта беспилотного космоплана X-37B, который начался в мае 2020 года, некоторые элементы такой системы проходили испытания, но, поскольку проект секретный, никаких подробностей нет.

Не отстаёт и Китай

Так, Китайская академия космических технологий работает над созданием орбитальной электростанции, которая будет собирать солнечную энергию в космосе и передавать её на Землю. О ходе разработки известно мало, но, согласно первоначальным планам, КНР планирует запустить тестовую станцию до 2025 года, что уже совсем скоро, к 2030 году на орбиту планируется вывести полноценную электростанцию мегаваттного класса, а коммерческую станцию гигаваттного класса китайские учёные хотят построить на орбите к 2050 году.

В России тоже появилось своё видение этих технологий

В начале 2022 года холдинг РКС предложил концепцию космической электростанции, согласно которой передавать энергию на Землю и космическим аппаратам будут при помощи лазерного луча. Предложенный РКС комплекс включает в себя два модуля:

• передающий: беспилотный космический корабль площадью 70 м2;

• приёмный: «система наземных мобильных антенн (так называемых ректенн) с аккумуляторами, которые получают солнечную энергию с космического корабля по лазерному каналу, преобразуют в электроэнергию и распространяют наземным потребителям».

Будет довольно интересно наблюдать за развитием этого направления, но давайте разберёмся с тем, какие