Физика будущего

Каку Митио

Даже теперь, когда ученым неизвестны сверхпроводники при комнатной температуре, в некоторых странах действуют железные дороги для поездов на магнитной подвеске, парящих над рельсами. Здесь левитация основана на том, что одинаковые (к примеру, северные) полюса магнитов отталкиваются друг от друга. Магниты в рельсах и в днище поезда организованы таким образом, что позволяют поезду парить над самой поверхностью рельсов.

Лидерами в этом направлении являются Германия, Япония и Китай. Поезда на магнитной подвеске успели уже поставить несколько мировых рекордов. Первым коммерческим поездом на магнитной подвеске стал довольно медленный челночный поезд, соединивший международный аэропорт и железнодорожный вокзал в Бирмингеме; маршрут начал действовать в 1984 г. Самая

высокая скорость поезда на магнитной подвеске, составляющая 581 км/ч, зарегистрирована в Японии на поезде MLX01 в 2003 г. (Реактивные самолеты летают быстрее отчасти потому, что на больших высотах сопротивление воздуха меньше. Поскольку поезд на магнитной подвеске парит в воздухе, энергию он тратит в основном на преодоление трения о воздух. Если бы такой поезд ездил в вакууме, он мог бы развивать скорость до 6500 км/ч.) Но такие поезда обходятся очень дорого и вряд ли найдут широкое распространение в мире. Сверхпроводники при комнатной температуре могли бы полностью изменить ситуацию. В частности, они могли бы оживить систему железных дорог в США и уменьшить таким образом эмиссию парниковых газов от двигателей реактивных самолетов. Согласно оценкам, самолетные двигатели ответственны примерно за 2% парниковых газов, и поезда на магнитной подвеске могли бы серьезно уменьшить эту долю.

Энергия с небес

К концу текущего века появится, вероятно, и еще один источник энергии — энергия космических солнечных электростанций. Ее добыча подразумевает отправку в космос и выведение на околоземную орбиту сотен спутников, которые будут поглощать солнечное излучение и передавать энергию на Землю в виде микроволнового излучения. Спутники будут базироваться на расстоянии 36 000 км над земной поверхностью, на геостационарной орбите (это означает, что они будут делать один оборот вокруг Земли ровно за сутки и, соответственно, будут все время висеть над одной и той же точкой поверхности). Поскольку известно, что до поверхности Земли доходит лишь восьмая часть солнечной энергии, такой подход представляется вполне реальным и даже выгодным.

В настоящее время главным камнем преткновения в деле добычи космической энергии является стоимость проекта и, главное, стоимость запуска всех этих космических коллекторов. Ничто в законах природы не запрещает добывать энергию непосредственно от Солнца, но для реализации масштабного проекта такого рода потребуется решить огромное множество технических и экономических проблем. Но если к концу века появятся новые дешевые способы космических путешествий, его вполне можно будет осуществить, как мы убедимся в главе 6.

Первое серьезное предложение о добыче космической солнечной энергии прозвучало в 1968 г., когда Питер Глейзер (Peter Glaser), президент Международного общества солнечной энергии, предложил вывести на орбиту спутники размером с современный город, которые затем передавали бы энергию на Землю энергетическим лучом. В 1979 г. ученые NASA проанализировали его предложение и выяснили, что стоить такой проект будет несколько сотен миллиардов долларов. Естественно, проект был отвергнут.

Однако в космической отрасли постоянно происходят подвижки, появляются новые технологии, поэтому с 1995 по 2003 г. NASA продолжало финансировать небольшие исследовательские проекты по космической энергетике. Ее сторонники утверждают, что реализация проекта — всего лишь вопрос времени. «Космическая энергетика предлагает поистине надежный, глобальный и не загрязняющий окружающую среду источник электричества», — говорит Мартин Хофферт (Martin Hoffert), физик, работавший прежде в Нью-Йоркском университете.

Такой амбициозный проект неизбежно столкнется с серьезными проблемами, как реальными, так и воображаемыми. Некоторые испытывают перед ним страх, потому что энергетический луч, по которому энергия будет передаваться из космоса на Землю, может быть случайно направлен в населенную местность, что вызовет громадные жертвы. На самом деле подобные страхи сильно преувеличены. Если рассчитать реальное излучение, которое будет приходить на землю из космоса, оно окажется слишком

слабым и не опасным для здоровья. Так что образ взбесившегося спутника, посылающего с орбиты на Землю лучи смерти и поджаривающего целые города, пригоден только для голливудских кошмаров.

В 2009 г. писатель-фантаст Бен Бова изложил в газете Washington Post соблазнительную экономику солнечного энергетического спутника. Он оценил, что каждый спутник будет производить 5–10 ГВт энергии (это намного больше, чем производит традиционная угольная станция) по цене 8–10 центов за кВт-ч, что сделает эту энергию конкурентоспособной. Каждый спутник будет огромен, около 1,5 км в поперечнике, и обойдется примерно в миллиард долларов (приблизительно во столько обходится средняя атомная станция).

Чтобы запустить эту технологию, он предложил нынешней администрации инициировать демонстрационный проект и запустить спутник, который будет генерировать 10–100 МВт. Гипотетически, если начать реализацию проекта не мешкая, такой спутник мог бы быть запущен к концу второго президентского срока президента Обамы.

Будто отзываясь на комментарии американского фантаста, японское правительство озвучило крупную инициативу. В 2009 г. Министерство торговли объявило о планах по изучению реализуемости проекта космических электростанций. Mitsubishi Electric и другие японские компании совместно профинансируют программу стоимостью 10 млрд долларов; возможно, в космос будет запущена солнечная электростанция мощностью 1 ГВт — громадный спутник площадью в несколько квадратных километров, полностью облицованный солнечными батареями.

«Похоже на фантастический мультик, но производство солнечной энергии в космосе через 100 лет, когда ископаемое топливо закончится, может стать значительным альтернативным источником энергии», — говорит Кенсукэ Канэкиё (Kensuke Kanekiyo) из Института экономики энергетики — правительственной исследовательской организации.

Учитывая размах этого амбициозного проекта, японское правительство пока ведет себя очень осторожно. Следующие четыре года исследовательская группа будет изучать, насколько этот проект реализуем с научной и экономической точек зрения. Если эта группа даст добро, Министерство торговли и Аэрокосмическое исследовательское агентство Японии планируют запустить в 2015 г. небольшой спутник для испытания технологий передачи энергии из космоса на Землю.

Вероятно, основное препятствие здесь будет не научным, а экономическим. Хироси Ёсида (Hiroshi Yoshida) из токийской компании Excalibur КК, занимающейся космическим консалтингом, предупредил: «Расходы необходимо снизить в сто раз относительно нынешних оценок». Одна из проблем состоит в том, что расстояние до геостационарных спутников (36 000 км) очень велико, гораздо больше, чем 300–800 км до низкоорбитальных аппаратов, и потери при передаче энергии лучом на такие расстояния могут оказаться огромными [31] .

31

Вторая проблема состоит в том, что космическая электростанция посылает на Землю энергию, которая без нее прошла бы мимо Земли, т.е. вносит свой вклад в разогрев планеты. — Прим. пер.

И все же основная проблема — стоимость запусков. Именно здесь самое узкое место, именно это тормозит все планы возвращения на Луну и полетов на Марс.

Если стоимость ракетных пусков не будет кардинально снижена, любые планы развития космической энергетики обречены на неудачу.

В том случае, если все сложится удачно, японский план может вступить в действие примерно к середине столетия. Учитывая, однако, проблему с запусками, его реализации скорее всего придется ждать до конца века, когда появятся новые поколения ракет и стоимость запусков упадет. С другой стороны, если главная проблема космической энергетики — стоимость ракетных запусков, то возникает следующий вопрос: можем ли мы снизить стоимость космических путешествий так, чтобы когда-нибудь достичь звезд?