XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Космические зеркала как альтернативные источники света.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Ученые давно задумывались о том, что хорошо бы создать альтернативный источник солнечного света, который был бы особенно востребованным в осенне-зимний период и в областях полярных ночей. Очевидно, что до полноценного искусственного Солнца еще далеко, однако многое человечеству под силу уже сейчас. Что могут предложить ученые и какова основная преграда?
Солнечная энергетика – преобразование солнечной энергии в электроэнергию фотоэлектрическим и термодинамическим методами.
Геотермальная энергетика – способ получения электроэнергии путем преобразования внутреннего тепла Земли (энергии горячих пароводяных источников) в электрическую энергию.
Ветроэнергетика-это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра (кинетической энергии воздушных масс в атмосфере).
Волновая энергетика – способ получения электрической энергии путем преобразования потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и оформлении пульсаций в однонаправленное усилие, вращающее вал электрогенератора.
Градиент-температурная энергетика - этот способ добычи энергии основан на разности температур. С его помощью можно вырабатывать достаточно большое количество энергии при умеренной себестоимости производства электроэнергии.
Биомассовая энергетика - при гниении биомассы (навоз, умершие организмы, растения) выделяется биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева, выработки электроэнергии и пр.
Приливная энергетика – использование энергии приливов и отливов для выработки электроэнергии. Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов.
Основная часть.
Космическое зеркало – альтернативное использование энергии Солнца
Идея «космического» или «орбитального» зеркала очень проста. На геосинхронной орбите Земли располагается конструкция, основным элементом которой является огромная плоскость, покрытая светоотражающим слоем. То есть, по сути очень большое зеркало. Положение конструкции в пространстве корректируется таким образом, чтобы отраженный от зеркальной поверхности солнечный свет попадал на поверхность планеты.
А дальше все зависит от параметров зеркала – его размера, величины создаваемого «солнечного зайчика», угла, под которым свет падает на планету и т.д. Если пятно будет очень маленьким, температура в его эпицентре будет огромной – это позволит поджигать предметы, нагревать теплоноситель в энергетических установках, теоретически даже проплавлять горные породы. При больших размерах пятна и низкой температуре «зайчик» может служить прекрасным источником освещения достаточно обширной территории.
Другим применением «искусственного солнца» было бы освещение районов стихийных бедствий (землетрясения, наводнения, техногенные катастрофы) в ночное время. Дело в том, что спасательные работы даже при наличии желающих работать ночью приостанавливают с наступлением темноты: слишком опасно разбирать завалы или обследовать затопленные районы в свете карманных фонариков. Провести же электричество в городе, разрушенном землетрясением - задача не из лёгких.
История исследования и создания Солнечного паруса и космическая программа «Знамя».
Об идее огромных зеркал на орбите планеты говорил еще К. Э. Циолковский, а в 90-х годах был проведен успешный эксперимент по их созданию. Но практической выгоды от таких установок до сих пор нет. Почему?
Первые опыты в области разработки "космического прожектора" осуществила Россия. Это закономерно, учитывая огромные пространства и большое количество северных городов. Проект "Знамя" был многообещающим и начался вполне успешно.
Российские ученые планировали вывести на орбиту 20-метровое зеркало, которое должно было осветить Землю ночью. Поскольку монолитное металлическое зеркало такого диаметра на орбиту вывести невозможно, было решено использовать зеркало из тонкой светоотражающей пленки. Разворачивание столь большого полотнища из тончайшего непрочного материала само по себе является сложнейшей инженерной задачей. В итоге была выбрана довольно "мудреная" конструкция: на борту грузового космического корабля "Прогресс М-15" устанавливалось восемь катушек с полосами светоотражающей полиэтилентерефталатной пленки толщиной всего 5 мкм. Данная пленка сегодня широко используется практически повсеместно: от упаковки продуктов до создания металлизированных солнечных парусов.
На орбите космический корабль должен был начать вращаться, а катушки постепенно разматывать пленку. Под действием центробежной силы зеркало разворачивалось, а специальное гибкое кольцо обеспечивало круглую форму зеркала.
4 февраля 1993 года эксперимент "Знамя-2" был успешно осуществлен. Двадцатиметровое зеркало из тончайшей алюминизированной пленки развернулось в штатном режиме и осветило Землю. Поскольку "Прогресс М-15" мчался по орбите с огромной скоростью, "солнечный зайчик" диаметром около 5 км проносился по поверхности Земли так же быстро – со скоростью 8 км/с. Поэтому "волшебного восхода" посреди ночи жители Европы не наблюдали – лишь яркую вспышку в небе. Пятно света от "Знамени-2" пробежало от Франции до Беларуси, где его застал восход Солнца. Несмотря на то, что над Европой была сплошная облачность, многие люди видели вспышку света. Немецкие метеорологи даже зафиксировали освещенность от светового пятна "Знамени-2", она составила приблизительно 1 люкс (1 люмен на квадратный метр). Для сравнения, яркость 60-Вт лампочки накаливания составляет 700-800 люмен. На первый взгляд, космическое зеркало светило совсем тускло, но следует помнить, что оно имело не такую уж и большую площадь отражающей поверхности, да, к тому же, освещало не комнату в 10 кв. м, а круг диаметром 5000 м. В целом ученые сравнили свет от "Знамени-2" со светом полной Луны, что для 20-м зеркала очень неплохо.
Эксперимент "Знамя-2" привлек внимание мировой общественности и доказал возможность освещения Земли с помощью космического зеркала. Поэтому российские ученые подготовили следующий эксперимент этой серии – "Знамя-2,5". Это был переходный этап перед созданием "полнофункционального" 200-м зеркала, которое могло бы освещать на порядок большие регионы.
В "Знамени-2,5" использовались те же технологии, что и в первом эксперименте, только зеркало было на 5 м больше – диаметром 25 м. Оно должно было дать световое пятно размером около 8 км. 4 февраля 1999 года зеркало, установленное на борту транспортного космического корабля "Прогресс М40", начало разворачиваться, но зацепилось за антенну и запуталось в ней. Эксперимент не удался, и корабль затопили в океане.
Третий проект, "Знамя-3" так и не состоялся.
Идея использования космических зеркал особенно актуальна в России – стране с большим количеством северных городов. Вспомните, как вы радуетесь тёмными зимними дням и выглянувшему ненадолго солнышку. А ведь за полярным кругом люди не видят солнца по полгода. Изначально «Знамя» и задумывалось как отработка технических решений для проекта «Третье Светило» - орбитальной группировки спутников, освещающих 5-6 крупных северных городов в полярные зимы. Предполагается, что 10-12 спутников будут в «дневное» время пролетать по очереди над некоторыми городами, освещая их отражённым от солнца светом. Теоретически зеркала диаметром 200 метров хватит для создания освещённости в сотню лун – освещённости заката.
«ТРЕТЬЕ СВЕТИЛО»
Проект предусматривает создание и развертывание в космосе крупногабаритного отражателя, который, видимо, станет прототипом космических аппаратов нового поколения.
Модифицированный грузовой корабль «Прогpecc-М», выполнив основную задачу по доставке на борт комплекса «Мир» топлива и «сухого» груза, на втором этапе своего полета станет базой для проведения новых экспериментов с отражателем, диаметр которого на этот раз достигнет уже 70 м. Целями программы станут:
— опробование на орбите концепции управления крупногабаритными гибкими конструкциями в виде большого спаренного гироскопа;
— проведение эксперимента по подсветке заданного района ночной поверхности Земли отраженным солнечным светом;
— определение характеристик отраженного света на Земле и из космоса;
— проведение экспериментов по исследованию возможности использования конструкции в качестве отражателя электромагнитного излучения в радио— и других диапазонах.
В отличие от эксперимента «Знамя», в ходе этой программы планируется провести подсветку заданного района и поддерживать световое пятно в этом месте в течение определенного времени.
Заключение.
Подводя итоги можно сказать следующее:
а) Для развития программы космических зеркал необходимо усовершенствований технологий вывода грузов в космос, обеспечение финансирования.
б) Программа космические зеркала перспективная программа будущего космоса.
Список источников и литературы:
Альтернативные источники энергии: https://ria.ru/20091113/193404769.html
Космические зеркала, проекты «Знамя», «Знамя 2»: https://zoom.cnews.ru/rnd/article/item/iskusstvennoe_solnce_plyusy_i_minusy_proektov
Проект Третье светило: https://testpilot.ru/espace/bibl/ziv/1994/01/znama.html