Ворожихин В - Клуб субъектов инновационного и
advertisement
Ворожихин В.В. генеральный директор Агентства практического энергосбережения ЦФО ОСНОВАНИЯ ГЕОКОСМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ГКЭ) Актуальность развития энергетики для человечества Значительное - до 7,1 млрд. человек - увеличение населения Земли, рост качества жизни и энергетических потребностей населения приводит к росту глобальной потребности в энергии и нарастанию проблем комплексной энергетической безопасности. Бурно развивается поиск новых технологий и способов организации энергетических рынков – за последние три года ведущими мировыми компаниями и международными организациями выполнено почти триста исследований путей развития энергетики. Новая архитектура мировой энергетики должна обеспечить энергетическую безопасность и ликвидировать энергетическую бедность – даже сегодня доступа к электроэнергии не имеет 1,4 млрд. чел., 3 млрд. использует уголь и местные виды топлива для отопления и приготовления пищи, что требует создания 100 ГВт в год. Развитие ВИЭ и традиционных нефтегазовых и угольных энергетических технологий, бурное развитие информационных и космических технологий, силовой, «информационной» и наноэлектроники, интеллектуальных систем управления создает принципиально новые возможности развития человечества и решения энергетических проблем, в том числе и за счет космических ресурсов. Космические ресурсы и энергия Космические ресурсы и энергия крайне многообразны: Солнечная энергия (1367 Вт/м² на входе в атмосферу Земли); Органические ресурсы (порядка 130 органических веществ, включая метиловый спирт); Плазма: газовые потоки с температурой порядка 80 миллионов К; Звезды и планеты: в Млечном пути около 100 млрд. систем, а во Вселенной порядка 100 млрд. галактик, в 85 процентах систем, схожих с нашей, есть хотя бы одна планета, пригодная для обитания разумных существ; Астероиды: Пояс Койпера; Потоки и пояса заряженных частиц, в т.ч. радиационные пояса Земли; Кинетическая энергия космических тел; Преобразование материи (массы) в энергию (например, 1 кг ~ 9 1016 Дж = 21 мегатонна в тротиловом эквиваленте), сегодня реализовано в ядерных реакторах и ядерном оружии; Аннигиляция материи и антиматерии. 1 Геокосмическая энергетика рассматривает земные ресурсы как средство для преодоления технологических и экономических барьеров на пути к безграничным ресурсам и энергии Вселенной. Задача освоения ресурсов космоса крайне актуальна и для развития России, сохранившей конкурентоспособность в нефтегазовых и космических технологиях, которые могут стать ядром коммерческого освоения космоса. Развитие космических – наиболее сложных технологий – позволяет выйти на путь инновационного развития, упрощая и удешевляя инновации для использования в хозяйственной деятельности. Проекты космической энергетики предполагают решение двух основных проблем - энергообеспечения двигателей и выработки энергии для потребителей на КА и на Земле. Они должны быть дополнены промышленным освоением астероидов и планет. Вблизи Земли около 9500 астероидов и каждый год находят еще около 1000. На многих из них обнаружены запасы льда, металлов (например, никеля) и газов — в частности, метана, который можно использовать в производстве топлива для спутников. Сегодня такие проекты развивают американские компании Deep Space Industries (DSI) и Planetary Resources. К проекту подключилась Bechtel с доходами 33 млрд. долларов, построившая грандиозную плотину Гувера на реке Колорадо в США, подводный тоннель под Ла-Маншем длиной 39 км. Цель компании – создать заправки и склады в космосе для коммерческих спутников и государственных межпланетных станций. Проведены исследования рисков и разработано ТЭО проекта: производство в космосе из имеющихся материалов в 30 раз дешевле, чем перевозка с Земли. Космический энергетический спутник (КЭС) должен иметь собственную систему информации и управления, собственное электромагнитное поле и собственную двигательную установку; эффективно собирать космическую энергию, в том числе иметь возможность утилизации микрообъектов и влияния на траекторию крупных космических объектов; аккумулировать энергию и передавать ее в систему (и получать в случае необходимости); иметь электрические, магнитные и механические сервоустройства – 3D-принтеры, позволяющие проводить локальные ремонты и необходимые операции над внешними объектами; иметь аварийный запас воды, энергии и топлива. Энергетическая защита, рассчитанная на воздействие лазера, кинетического оружия и ЭМИ должна снять, преобразовать и передать или аккумулировать энергию. Перспективным мощным аккумулятором могут быть ядерные и термоядерные установки, расположенные на удалении в космосе и на Земле. На 2 основе импульсных МГД-эффектов, электрических и магнитных полей, ЭМИ и выброса массы реализуется вариант «силового поля». Объединение энергостанций, разнесенных по пространству, но находящихся в постоянном взаимодействии в единую распределенную систему – рой позволяет получить качественно новые результаты, не достижимые в рамках централизованных систем. Размещение станций по пространству и синхронизация электромагнитных импульсов позволяет создать аналог рельсотрона или ускорителя, позволяющего разгонять и тормозить КА за счет внешней энергии, накопленной КЭС. Энергетические станции могут быть выполнены за счет создания автоматического производства на основе 3D-принтеров, материалом для изготовления новых станций служат космическая пыль, материал астероидов, комет и планет. Для ловли и переброса материи формируется пространственная система энергетических станций, воздействующих на объекты в зоне их действия, челноки-буксировщики, снабжаемые энергией от энергетических станций. Регулирование энергетических потоков позволит перебрасывать их в осваиваемые пространства Вселенной, в которых наиболее интенсивно развивается экзопроизводство. Схема роя КЭС позволяет организовать большой распространенный по пространству аккумулятор энергии, который способен воспринять внешний поток энергии, используемый как оружие, или организовать его. Верхний предел энергетической плотности потока на современном этапе целесообразно оценить на уровне максимальной достигнутой плотности ЭМИ к настоящему времени на Земле. Рой энергетических спутников позволяет за счет пространственного разнесения концентрированных угроз, объектов сформировать уклониться пространственно от воздействия распределенные воздействия, позволяющие разделить траектории движения защищаемых объектов и потоков неблагоприятных воздействий в т.ч. потоков высокоэнергетичных частиц для кораблей роя, на которых присутствуют биообъекты. Объединение совокупности национальных энергетических систем и системы космической энергетики позволяет использовать ряд синергетических эффектов, которые связаны с повышением надежности, эффективности и устойчивости работы совокупной геокосмической энергетической системы. При работе в космосе крайне важны вопросы диагностики - наличия скоростных чувствительных датчиков и он-лайн доступа к всемирной базе данных, а также вопросы информационной безопасности – космос может быть освоен высокоразвитыми внеземными цивилизациями. Также в каждом рое должна быть организована человеко-компьютерная интеллектуальная интерактивная система управления. Особенностью является автономность действий 3 локальных групп с опорой на поддержку всего человечества. Локальная неудача несет риски для всей цивилизации. Эффективность геокосмической энергетики во многом определяется возможностью комбинирования энергетических потоков, технологий, инвестиций, распределения пространства реализации проектов в космосе и на Земле. В период освоения космоса очень важно правильно распределить ресурсы и организовать потоки ресурсов в нужном направлении. На старте необходимым условием будет организация постоянных потоков конструкций и роботов с Земли в космос, результатом должна стать система энергетических потоков, направляемых для нужд Земли и дальнейшего проникновения в глубокий космос. Перспективы ГКЭ связаны с развитием автоматического изготовления экзопроизводства, КА для использованием автоматизированного ресурсов производства космоса на для основе самовоспроизводящихся 3D-принтеров и энергетических спутников, формирования системы «роев», распространяющиеся в разные стороны. Задачей является выявление локальных условий, благоприятных для проживания и организации деятельности человека. Предлагаемая энергоустановка с использованием воды или газов Установка (рис. 1) состоит из двигателя на основе газовой турбины, жидкого рабочего тела, солнечного нагревателя для генерирования сжимаемой среды – пара, конденсирующего охладителя. При нагревании прямыми солнечными лучами в космосе (температура поверхности Солнца около 6 000 К) температура в баке-полуцилиндре повышается до вскипания жидкого рабочего тела, происходит процесс интенсивного парообразования. Образующийся пар подается на адаптивную турбину, работоспособную при прямом и обратном направлении потока пара. После турбины газ со сработанной энтальпией попадает в бак-холодильник. Поставленная задача решается тем, что, силовая установка (СУ) для комических аппаратов (КА) использует оптимизационное решение для условий космического пространства, отличающееся тем, что СУ содержит емкость нагрева рабочего тела, адаптивную турбину, емкость конденсации рабочего тела. Устройство силовой энергетической установки для КА, таким образом, имеет две герметичных емкости, в одной из которых – емкости нагрева рабочего тела находится рабочее тело (РТ), находящееся в твердом или жидком состоянии, другая емкость является приемником газообразного рабочего тела, прошедшего через адаптивную турбину, позволяет периодически организовать фазовое превращение РТ 4 из твердого или жидкого в газообразное, при этом поглощается лучистая (радиационная) энергия солнечного потока (Ти = 6000 °K), преобразуется во внутреннюю энергию РТ, повышается давление РТ, находящегося в газовой фазе, Внутренняя энергия срабатывается на адаптивной турбине, работоспособной при любом направлении потока газообразного РТ (реализуется за счет конструкции турбины или дооснащения ее системой обратных клапанов), газовый поток рабочего тела конденсируется в емкости конденсации РТ, охлаждение которой проводится путем переизлучения энергии конденсируемого потока в открытый космос (Тп = 0 °K). После «срабатывания» массы РТ в емкости нагрева, устройство поворачивается и емкости меняются местами – емкость конденсации попадает под поток солнечной лучистой энергии и выполняет функцию емкости нагрева РТ, а емкость, в которой ранее происходил нагрев РТ, выполняет роль емкости конденсации. Съем энергии с адаптивной турбины производится за счет преобразования ее в электрическую или электромагнитную. Измеритель потока энергии является также датчиком поворота емкостей силовой энергоустановки. При срабатывании запасенного объема РТ в нагреваемой емкости (определяется по снижению мощности, снимаемой с турбины) управляющий компьютер дает команду на поворотное устройство, меняющее положение емкостей относительно солнца. Цикл повторяется. Вместо турбины может быть использована МГД-электростанция, если установка является хранилищем жидких или легкоплавких металлов. Может быть реализован жидкопоршневой режим с электромагнитным съемом энергии. В качестве рабочего тела может быть использована вода, газы (кислород, воздух), позволяющие восполнить запасы пилотируемых КА. Установка может быть снабжена внешним концентратором солнечных лучей. В результате мощность установки может быть увеличена с 1,4 кВт/м2 площади, перпендикулярной концентратора или световому системы потоку, до связанных значений, определяемых концентраторов - порядка площадью 102-106, позволяющих получить пиковые потоки мощности до 0,1 - 102 МВт/м2, достаточные для передачи мощности в виде потоков электромагнитного излучения СВЧ или оптического диапазона. В данном температурном диапазоне теоретический термодинамический кпд цикла фактически равен 1, а реальный кпд энергоустановки определяется кпд преобразователя и кпд системы передачи энергии. Целесообразно сформировать сдвоенную СУ из четырех емкостей, что позволит создать простую систему управления ориентацией емкостей относительно потока солнечной энергии. 5 Другие преимущества настоящего решения будут ясны из подробного описания конкретных вариантов выполнения и прилагаемого рисунка 1, на котором: Фиг. 1 изображает СУ, емкости нагрева и конденсации рабочего тела, схему радиационного нагрева от прямых солнечных лучей емкости нагрева и радиационного охлаждения переизлучением космос емкости конденсации рабочего тела Фиг. 2 изображает присоединение адаптивной турбины к емкостям. Фиг. 3 изображает поворотное устройство с шаговым двигателем, систему крепления емкостей 1, 2, 3 и 4 на круговых поворотных платформах, присоединение адаптивных турбин АТ1 и АТ2 к емкостям, связанным с потребителем П, установленным на оси поворотного устройства. Для ремонта устройств могут быть предусмотрены 3D-принтеры, способные перемещаться по направляющим, вращающимся вокруг внешних цилиндрических поверхностей баков поверхности, а также в пространстве между внутренних плоскостей баков. Необходим также 3D-принтер на поворотном устройстве, способный восстановить работоспособность указанных 3D-принтеров. Другая важная функция 3D-принтеров – производство новых энергостанций из доступных или поставляемых материалов. Заправка емкостей проводится доступными рабочими телами, используемыми в системах КА. КА постоянно находятся в информационном взаимодействии, позволяющим сформировать систему электромагнитных воздействий на внешние космические тела, образуя распределенных ловушки. При необходимости КЭС может сблизиться с 6 крупным астероидом и смонтировать оборудование для организации управляемого полета за счет внешнего распределенного электромагнитного воздействия, реализуемого роем КЭС. Энергетические станции могут быть выполнены за счет создания автоматического производства на основе 3D-принтеров, материалом для изготовления новых станций служат космическая пыль, материал астероидов, комет и планет. Для ловли материи формируется пространственная система энергетических станций, воздействующих на объекты в зоне их действия, челноки-буксировщики, снабжаемые энергией от энергетических станций. Прообраз КА нового поколения Системы КА нового поколения должны проводить диагностику явлений и процессов, в том числе принципиально новых, распознавать и прогнозировать потенциальные угрозы, передавать информацию об угрозах в условиях информационной безопасности, обеспечивать сбор, аккумулирование, концентрацию и распределение, передачу и прием энергии, обеспечивать энергетическую и силовую защиту с использованием распределенных эффектов «роя», изменение траекторий космических объектов, использования их энергии и массы, что требует согласованной работы ряда систем: - Система мониторинга и диагностики Заблаговременное выявление процессов и явлений, способных оказать воздействия на КА, диагностику жизни, опасности, в том числе неизвестных, выявление новых знаний, использования всей совокупности знаний, имеющихся на Земле, срочную пересылку части информации, оцениваемой как наиболее существенной, для принятия оперативных решений, полный набор данных, собранных КА, для проведения подробных научных исследований - Информационно-коммуникационная геокосмическая система Современные риски в информационной сфере пересекаются в части обеспечения каналов связи, защиты информации и ее передачи для принятия решений в отношении1: факторов, затрагивающих национальную безопасность РФ, в том числе военную, информационную, космическую, энергетическую и экономическую; чрезвычайных ситуаций техногенного и антропогенного характера; мониторинга с использованием навигационных систем критически важных объектов, в том числе подвижных, а также комплексных систем; 1 Гасин В. Материалы презентации. 7 построения единого инфокоммуникационного геокосмического пространства РФ; построения ведомственных и корпоративных защищенных сетей связи и управления в рамках геокосмической системы; данных построения систем управления, основывающихся на сборе и анализе со всей совокупности КА и наземных объектов интерактивной интеллектуальной информационной системой управления страной (ИИСУС) (см. ниже). ИКГКС должна использовать системы кодирования, позволяющие определять попытки информационной разведки, работы под внешним управлением, контроль систем диагностики. - Преобразователи вида энергии Любое энергетическое устройство является преобразователем вида энергии. Для обеспечения возможности получения энергии в любом виде (электроэнергия, электромагнитные поля и потоки, тепловая энергия, конденсированные энергетические среды) и преобразования ее в вид, требуемый для пользователя, - Системы передачи энергии Традиционными системами передачи энергии являются электрические сети и трубопроводы. По трубопроводам транспортируется теплоноситель, обеспечивающий доставку тепловой энергии, природное или синтетическое топливо. Возможным вариантом доставки топлив является их транспортировка. - Энергетические излучатели и приемники беспроводной передачи Излучатели и приемники беспроводной энергии должны обеспечивать достаточную энергетическую плотность потоков, определяемую вектором УмоваПойнтинга, устойчивость и достаточную длительность жизненного цикла. Испарения зеркал при лазерных исследованиях показывают, что существующие материалы малопригодны. Требуются решения с использованием метаматериалов. - Системы аккумулирования энергии В зависимости от применяемых технологий и способов регулирования энергия является товаром или услугой. В Техасе вступила в строй самая мощная на сегодняшний день аккумуляторная батарея1. Эта аккумуляторная батарея была построена компанией Xtreme Power по заказу американской энергетической компании Duke Energy. Емкость новой аккумуляторной батареи составляет 36 мегаватт-часов, что 1 http://www.dailytechinfo.org/energy/4521-v-tehase-vstupila-v-stroy-samaya-moschnaya-nasegodnyashniy-den-akkumulyatornaya-batareya.html. 8 равно емкости аналогичной китайской аккумуляторной батареи, находящейся в провинции Хэбэй, но новая американская батарея способна отдать в сеть всю накопленную энергию всего за 15 минут времени, что делает ее самой быстрой и самой мощной батареей в мире на сегодняшний день. - Системы концентрации и распределения энергии. Энергетическая защита Концентрацию лучистой энергии для поражения неприятельских кораблей, согласно легенде, применял еще Архимед. Сегодня для энергетической защиты необходимо иметь возможность сброса энергии с облучаемых конструкций во временные аккумулирующие устройства с последующей передачей ее в аккумуляторы большой емкости. Рой энергетических станций Беспроводная передача энергии на основе СВЧ- и лазерных пучков позволяет сформировать рой энергетических станций, работающих совместно. В результате принципиально меняется схема освоения космоса – автоматическое экзопроизводство энергостанций и распространение их в направлениях приоритетного освоения космического пространства. Совместная работа роя позволит создать разнесенные в пространстве разгонные и тормозные посадочные платформы с согласованными мощностями и длительностями электромагнитных импульсов, системы энергетической и силовой защиты КА, системы увода с траектории или уничтожения опасных объектов. Каждая из систем должна иметь самовосстанавливающуюся автоматику, иметь резервирование систем и возможность создания работающих систем из удаленных частей. Рой обладает информационный общим репликат, информационным пересылаемый на полем, базу в и которое входит формируемый как информационный дневник, и информационный пакет «нового знания», получаемый с «базы». Система «роев» позволяет передать управление любому из них и сделать его базой. Более рациональным является формирование динамической сетецентрической системы с разным масштабом роя. Переброс массы осуществляется за счет использования для разгона энергии роя, играющего роль ускорителя и внешнего энергоисточника работы двигателя КА. Аналогично осуществляется торможение, срабатывающее кинетическую энергию КА в роях, приближенных к месту назначения корабля. 9 По аналогичной схеме может осуществляться транспортировка астероидов, которые могут быть подвергнуты специальной обработке, на которые могут быть установлены станции приема внешней энергии. Схема выполнения позволяет организовать большой распространенный по пространству аккумулятор энергии, который способен воспринять внешний поток энергии, используемый как оружие. Для этого необходимо специальное конструктивное выполнение индивидуального энергетического устройства, работоспособного в очень широких пределах диапазонов энергетических потоков – накопления энергии от потоков космических излучений и сохранения работоспособности в условиях попыток энергетического поражения. Верхний предел энергетической плотности потока на современном этапе целесообразно оценить на уровне максимальной достигнутой плотности ЭМИ к настоящему времени на Земле. Следует также провести оценку ЭМИ, возникающего при высокоскоростных столкновениях космических объектов. В настоящее время обнаружено возникновение ЭМИ при столкновениях КА с микрометеоритами. Каждый КА должен обладать собственным электромагнитным полем, а вместе они должны сформировать пространственную ловушку для космических объектов, работающую на основе совокупности магнитогидродинамических, электрических и магнитных эффектов. Ориентиром для предварительных проработок могут служить данные о характеристиках ЭМИ: если ядерный боезаряд в 10 мегатонн взрывается на высоте 300400 километров, то на земной поверхности создается электрическая наводка до десятков киловольт на метр за одну миллиардную долю секунды в радиусе 1500 километров, а если применить заряд направленного действия, то есть направить на Землю плазму, то в США, Западной Европе или Японии из строя выйдут вся энергетика, электроника, транспорт, финансовая система, от коротких замыканий вспыхнут города, а вторичный эффект от взорвавшихся атомных станций будет сильнее Чернобыля (А. Ващенко). По расчетам американских теоретиков, взрыв такого заряда мощностью 10 мегатонн на высоте 300-400 километров над штатом Небраска приведет к нарушению работы радиоэлектронных средств почти на всей территории страны в течение времени, достаточного для срыва ответного ракетно-ядерного удара. Геокосмическая энергетическая система 10 Объединение совокупности национальных энергетических систем и системы космической энергетики позволяет использовать ряд синергетических эффектов, которые связаны с повышением надежности, эффективности и устойчивости работы совокупной геокосмической энергетической системы (ГКЭС) (рис.2). Рис. 2 Схема геокосмической энергетической (ГКЭС) системы РФ. В такой системе ядерные энергетические установки могут выполнять роль быстродействующих аккумуляторов с темпом изменения мощности в 106 в секунду. Космические аппараты разгоняются и тормозятся за счет внешней энергии от системы энергетических станций ГКЭС. При реализации системы используются разработки, проводимые в рамках НИОКР, выполняемых по тематике проектов МГД- электростанций и пучкового оружия. Управление работой ГКЭС осуществляется подсистемой сетецентрической интерактивной интеллектуальной информационной системой управления страной (ИИСУС) с использованием гиперпрогностической системы – человеко-машинной модели мира, интегрирующей известные человечеству и латентные характеристики. Эта система предназначена для оценки последствий принимаемых решений и конструирования будущего путем корректировки настоящего и учета динамики прошлого. Она создается как саморазвивающаяся система с учетом: витальных ресурсов, ментальных уровней, психоэмоциональнных моделей, интересов и возможностей выбора решений, неявной информации. Потенциально в ГПС могут быть включены все люди земли. Гиперпрогностическая система имеет три базовые подсистемы обработки информации: сбора данных, прикладных исследований и фундаментального обеспечения: 11 Фундаментальное обеспечение: теория информации, создание и выбор из библиотеки моделей под структуру информационных потоков, развитие методов комплексного моделирования, прогнозирование развития науки, технологий и рынков; Проведение прикладных исследований: анализ информационных потоков; оценка рисков, разработка инвестиционных проектов и методик адаптации их к локальным условиям, генерация и проверка гипотез, оценка экономической эффективности в будущем. АСУ нижнего предварительная уровня: обработка, сбор данных выявление от компонентов значимой системы оперативной и их информации, формирование защищенных информационных потоков, контроль состояния и управления компонентами системы и их режимами. Использует дискретную, латентную и квантовую информации. Формирует информационное обеспечение и интерактивный семантический обмен. Объединяет разные виды прогнозирования. Синтезирует рекомендации устойчивого развития. Использует сетецентрические технологии и грид-системы, менеджмент ответственности и сетевой экспертный разум. Внедряются механизмы концентрации группового сознания и децентрализации управления, перехода к сетевой модели управления, делегированию полномочий институтам гражданского общества. Вводится сетевая полиархия – использование творческого потенциала каждого участника, сшивание экономических пространств агентов. Поддерживается диалог сознаний человечества. Обеспечивается регулируемая траектория перехода человечества в мир творчества. Выбор будущего на основе конкуренции параллельных образов будущего с социогуманитарными ценностями как основы развития 7-го технологического уклада к середине XXI века. Система междисциплинарной увязки информации и знаний о «мирах» – прошлого-настоящего-будущего, материального-виртуального-творческого и их связях; его многоуровневое представление - от простейших представлений до уровня знаний выдающихся умов человечества, на основе существующей и развивающейся классификации видов деятельности и групп товаров и услуг (5 трлн.). «Встраивает» в мироразвитие человека как сложную саморазвивающуюся систему с учетом: витальных ресурсов (4), ментальных уровней (8), психоэмоциональнных моделей (9), спектра интересов и возможностью выбора решения. ГПС – это система исследования мира с использованием 7 млрд. человек - «исследовательских систем», каждая из которых сама является предметом исследования и развития. 12
