Орбитальные отражатели солнечного излучения. Люди, как боги или да будет свет.

    Наша страна велика и широка, что есть, то есть. Вот только далеко не малая ее часть находится в северных и полярных районах нашей планеты, которые не очень комфортны для проживания человека. Человека как вида, появившегося и сформировавшегося намного южнее.

     Как говорят жители, проживающие в этих районах, особенно тяжело переносится не столько тяжелый климат и лютый холод этих мест, сколько темнота и психологический прессинг полярной ночи. Ночи, которая длится до нескольких месяцев кряду.

   Советскими ученными было предложено решение этой проблемы. И вот, что получилось!

       Программа космических экспериментов «Знамя» — серия экспериментов по работе космическими зеркалами, то есть специальными отражателями, которые отражают солнечный свет и освещают земную поверхность. 

    Декларируемая цель была создать "искусственное Солнце" -  это освещение ограниченных по размерам территорий (порядка 20 кв.км, т.е. масштаба города). Целевой потребитель: полярные районы , цель - имитация естественной смены дня и ночи и зоны ЧС, там планировалось на время работ создавать круглосуточное освещение. 

Земля непрерывно получает около 2x10¹⁴ кВт солнечной энергии. Человек для своих потребностей осваивает все новые и новые источники энергии, но достигнутый им на сегодняшний день уровень ее потребления составляет лишь 0,005% приходящей от Солнца. Ближайшее же к Земле космическое пространство пропускает через себя несоизмеримо большее количество энергии. Так, в границах 4-часовой круговой орбиты (высотой 6400 км) эта величина втрое, а в пределах геостационарной орбиты в 45 раз превышает величину энергии, падающей на Землю.

Идеи о том, как использовать эту энергию, появлялись еще до начала космической эры, а с развитием ракетной и космической техники эти проекты стали разрабатываться с уже гораздо большей степенью детальности.

Практические попытки утилизации бесполезно убегающих гигаватт начались с появлением первых солнечных батарей на борту космических аппаратов. Однако эффективность такого преобразования солнечной энергии очень низка, даже если она преобразуется на самом КА и не передается на Землю. Например, солнечные батареи станции «Мир» мощностью 10 кВт окупят энергетические затраты на их запуск только через 100 лет работы! Очевидно, что нужны другие, с энергетической точки зрения более эффективные конструкции.

Принципиально наиболее эффективной будет непосредственная, без промежуточного преобразования, передача световой энергии на Землю. С помощью космических рефлекторов (КР) она будет направляться в нужную область земного шара в заданный момент времени. Она может использоваться непосредственно (для освещения, фотосинтеза и т. п.) или преобразовываться в другие виды (электрическую, тепловую).

В зависимости от стоящей задачи могут потребоваться различные уровни освещенности. Наименьшие требования предъявляются к системам подсветки для создания общего невысокого уровня освещенности в темное время суток, поэтому такая задача кажется наиболее очевидной и простой в реализации и именно с нее логично начать всю практическую работу с тем, чтобы, во-первых, освоить новую технологию, а во-вторых, получить первые наглядные результаты. Какими же должны быть КР для решения подобной задачи? Исследования позволили рассчитать размеры космических отражателей в зависимости от их высоты над Землей и расчетного уровня освещенности.

Если технологические задачи будут решены, то реальными становятся три направления работ:

— создание одиночного рефлектора;

— объединение рефлекторов в систему, обеспечивающую освещение районов, расположенных вдоль выбранных трасс;

— конечная цель программы — развертывание глобальной системы КР.

Успешное выполнение эксперимента «Знамя» стало первым шагом к реализации этой программы. Вторым может стать новый проект  «Третье светило».

             Освещение из космоса –"Третье светило"

        Свет из космоса: Эту программу предложили еще в рамках проекта Колумбус-500, когда обнаружили, что солнечный парус – это почти идеальный рефлектор.
Намного раньше идею использовать космические зеркала для освещения Земли выдвинули корифеи космонавтики Ф.Цандер и Г.Оберт. К.Эрике блестяще разработал этот принцип в своих трудах.

        Систему космического освещения можно сконфигурировать, используя солнечный корабль в качестве основного компонента. Система будет состоять из нескольких группировок космических рефлекторов. Каждая группировка может обслуживать целый ряд больших и средних городов. Особенно эффективным представляется использовать рефлекторы для освещения заполярных и субполярных районов в зимний период полярных ночей. Эта система может оказаться незаменимой при ликвидации последствий катастроф, стихийных бедствий или наводнений.

       Следующие основные параметры представляются в настоящее время подходящим для ближайшего будущего:

• Диаметр рефлектора 200 м,
• Высота круговой орбиты 1.5 – 4.5 км,
• Диаметр светового пятна 15-45 км,
• Яркость отраженного света 10-100 лунетт,
• Число отражателей в экспериментальной группировке – 12,
• Группировка может в среднем освещать 5 городов.

        Оценка окупаемости. Предварительные оценки, основанные на сокращении расходов по освещению больших городов, показывают, что вводимая в эксплуатацию система космического освещения может окупиться в течение 3-5 лет. Расходы могут также покрываться за счет использования системы для оказания помощи при стихийных бедствиях и катастрофах.

         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.

              Эксперимент «Знамя-2»

       Эксперимент «Знамя-2» должен был подтвердить идею, которая была высказана еще в 20-х годах Ф.А. Цандером, о передаче с помощью плоских космических отражателей энергии Солнца на Землю. Для эффективного использования отражателей их площадь должна быть до 10 000 м². Поэтому разработчики эксперимента столкнулись с проблемой, как при таких площадях минимизировать массу отражателя и обеспечить успешное автоматическое его раскрытие из транспортного положения.На тот момент развития техники этим условиям лучше всего удовлетворили отражатели, выполненные из полимерной металлизированной пленки, развертывание которых происходило бы за счет центробежных сил, создаваемых путем вращения отражателя вокруг оси, перпендикулярной его плоскости.Эксперимент проводился с использованием агрегата раскрытия солнечного отражателя, установленного на ТГК «Прогресс М-15», запуск которого к ОК «Мир» состоялся 27.10.1992 г. Ряд областей земной поверхности был закрыт густым облачным покровом, что затруднило проведение эксперимента. Все же анализ информации, которая была передана на Землю, позволил сделать выводы о правильности принятых технических решениях и перспективности направления использования солнечного паруса для решения задач ретрансляции энергии.

Освещение из космоса, выполненное впервые в мировой практике, осуществили в предрассветные часы над Западной Европой. Световое пятно, отраженное рефлектором, размером около 5 километров скользило по Земле со скоростью около 8 км/сек от районов южной Франции через Чехословакию, Германию, Польшу и растворилось в лучах восходящего солнца над Белоруссией. В то утро погода не благоприятствовала эксперименту,   Европа оказалась покрытой почти сплошной облачностью. Тем не менее, многие люди из разных районов сообщили о вспышке света из космоса. Метеорологи из альпийской станции в Германии также прислали сообщение, хотя уровень освещенности оказался лишь на уровне одной полной луны (лунетты). Два витка спустя, после того как эксперимент был по существу закончен, отстреленный отражатель хорошо наблюдался над Канадой, где стояла ясная погода. На канадское телевидение пришло очень много сообщений, очевидцы даже присылали любительские фотографии.       Средства массовой информации широко освещали эксперимент в феврале 1993 года. Позднее видеоклипы демонстрировались многими телевизионными компаниями во всем мире. В целом эксперимент Знамя-2 оказался очень успешным, он продемонстрировал реальность и возможности новой космической техники.

          Знамя-2,5 явился промежуточным этапом научной программы. Так же как эксперимент "Знамя-2", он проводился на базе ОК "Мир", отражатель устанавливался на корабле  "Прогресс М-40".

          Запуск состоялся на грузовом корабле "Прогресс М-40" 26 октября 1998 года. Развертывание самого отражателя состоялось 4 февраля 1999 г. сразу после расстыковки корабля. Запланированная продолжительность эксперимента – 24 часа. За это время ОС "Мир" и ТГК "Прогресс М" должны были совершить 16 оборотов вокруг Земли и облететь все ее континенты. Эксперимент был досрочно прекращен из-за ошибки в автоматической программе управления кораблем, поэтому команда на открытие антенны не была блокирована. В результате, полотнище отражателя зацепилось за открытую антенну..

       Результаты проведения эксперимента Хотя главная задача по подсветке заданных областей земной поверхности не была выполнена, в полете грузового корабля «Прогресс М-40» получены ценные результаты, которые могут быть использованы в дальнейшей программе экспериментов «Знамя» и в других проектах.

           "Знамя-3" является принципиальным этапом всей экспериментальной программы. По-прежнему он базируется на возможностях грузового корабля "Прогресс", но требует его значительной модернизации. В конструкцию грузового отсека корабля  необходимо встроить рефлектор существенно большего размера (60-70 метров). Дополнительно необходимо разработать и внедрить на борт новый принцип и аппаратуру управления ориентацией корабля. Это даст возможность ориентировать корабль с гораздо большим моментом инерции без расходования топлива реактивных двигателей.

        Основной целью эксперимента является проверка в полете новой концепции построения системы. Специалисты "Консорциума "Космическая Регата" также работают над созданием цельного (не разделенного на секторы) отражателя.

    Срок реализации этого проекта не ясен.

     Продолжение исследований по программе  "Знамя", а тем более успешное претворение ее в жизнь, позволило бы остановить отток людей из перспективных и богатых полезными ископаемыми северных и приполярных районов нашей страны, что даст немедленный экономический эффект, который многократно окупит средства, вложенные в эту программу.