Солнечная энергия на Луне

Kuasar

Самым простым решением энергетической проблемы на Луне, на сегодняшний день, является строительство солнечных электростанций. Идея проста до предела - на поверхности планеты монтируются панели солнечных элементов (наподобие тех, что применяются сейчас на космических аппаратах). Связано это с полным отсутствием на Луне атмосферы, а, следовательно, и факторов препятствующих поступлению солнечного света на поверхность (облака, запыленность атмосферы). Так же стоит заметить, что на Луне из-за отсутствия атмосферы, на поверхность поступает гораздо более широкий диапазон излучений, чем на Земле. Отсутствуют факторы, приводящие к загрязнению поверхности солнечных элементов и их повреждению (нет ветра и пыли). Единственная угроза - это микрометеориты, которые могут повредить поглощающие элементы. Для уменьшения ущерба, наносимого микрометеоритами, нужно сегментировать батареи. В этом случае, при повреждении одного сегмента, мощность панели в целом упадет незначительно. Существует, конечно, вероятность падения на Луну и довольно крупных метеоритов, которые могут вывести из строя довольно большую площадь поглотителей (за счет ударной волны, осколков, пыли и т.п.), но эта вероятность очень низка.

Материалы для производства солнечных батарей можно добывать непосредственно на луне, но это уже другая проблема.

Как было сказано ранее, панели солнечных элементов необходимо сделать сегментированными. Например, при размере панели 10х10 метров, размер сегмента может составлять 10х10 см. Эти сегменты складываются в квадратную матрицу 100х100, при этом положительные электроды всех сегментов объединяются по столбцам матрицы, а отрицательные - по строкам. Далее все столбцы и строки объединяются, и в результате получаем два выхода (положительный и отрицательный) для всей панели. При такой конфигурации несложно проводить диагностику исправности каждого отдельного сегмента путем сканирования (определения вырабатываемой мощности) на пересечении столбец-строка. Предположим, один раз в течение лунного дня (в полдень, когда нет затенения элементов) производится сканирование каждого сегмента, если его энергетическая отдача упала или вообще равна нулю, то это говорит о его неисправности и необходимости замены.

Замену неисправных сегментов можно производить автоматически с помощью простейшего координатного позиционного механизма перемещающегося по двум осям (как в планшетных плоттерах) и захватного устройства. Позиционируем захват над неисправным сегментом, извлекаем его из ячейки, переносим в "контейнер для мусора", а потом из контейнера с запасными сегментами извлекаем новый элемент и устанавливаем его на место поврежденного с помощью того же самого захвата. При следующем тестировании этот элемент должен быть исправен, если же он снова не работает, это значит, что неисправность не в светопоглощающем сегменте, а, например, в разъеме-держателе или контактных проводах. Те неисправности, которые не могут быть обнаружены и устранены автоматически, устраняются ремонтной бригадой, при этом необходимость в таком ремонте будет возникать крайне редко. Даже если не удастся устранить неисправность одного сегмента, это практически ни как не сказывается на энергоотдаче панели в целом (на одной панели 10000 сегментов). Таким образом, можно обеспечить довольно продолжительную автономность работы отдельных панелей.

В случае применения солнечных элементов есть два варианта их установки:

1. строго фиксированное расположение с полным покрытием поверхности (рис. 1а),
2. крепление отдельных панелей на управляемых стойках (рис 1б).

Рассмотрим каждый метод более подробно, а так же укажем их преимущества и недостатки.

1. Способ фиксированного крепления удобен тем, что для его реализации кроме крепежных ферм (белые) и самих панелей солнечных элементов (красные) практически ни чего не требуется. Угол наклона фиксированного расположения выбирается в зависимости от широты местности и остается постоянным (на рисунке изображен случай полностью горизонтального расположения, такое расположение оптимально в экваториальных зонах).

Основные преимущества: простота конструкции.

Недостатки: непостоянный выход энергии - максимум только в полдень (синусоидальная зависимость), как следствие - нерациональное использование солнечных элементов.

2. При креплении каждой панели отдельно на управляемых стойках (минимум две степени подвижности) можно достигнуть более рационального использования солнечных батарей. В этом случае применяются системы самонаведения либо часовые механизмы, которые располагают поглощающую панель строго перпендикулярно световому потоку. При этом, выход энергии остается почти неизменным в течении всего дня. Правда стоит заметить, что при довольно близком расположении таких стоек друг к другу, в начале и конце дня панели будут создавать некоторое затенение, что приведет к снижению вырабатываемой мощности. Но этого можно избежать, если расположить панели довольно далеко друг от друга. Ориентировочное расстояние удаления стоек 30 метров при размерах каждой панели 10х10 м. Стойки с панелями необходимо разместить в узлах квадратной сетки так, чтобы прямые, которые ее составляют, не были ориентированы на точку захода или восхода солнца, это позволит уменьшить затенение в начале и в конце дня. Ориентировочный угол поворота сетки относительно меридиана или экватора - 30-60 градусов. Такое расположение позволит получать практически полную мощность (падение не более 10%) в течение 90% лунного дня.

Однако есть еще один, немаловажный момент - строительство солнечных электростанций на Луне, впрочем, как и на Земле имеет смысл только в средних и низких широтах. Это связано не с климатическими условиями, а с тем, что в полярных областях солнце всегда находится низко над горизонтом и сильного взаимозатенения панелей солнечных элементов можно избежать только при очень больших размерах сетки расположения.

Теоретически энергоснабжение всех лунных баз и поселений может быть полностью централизовано, так как поверхность Луны имеет небольшую площадь (примерно равна площади Южной Америки). Для этого достаточно расположить через равные промежутки несколько "полей" по добыче энергии. Например, можно поставить 5 таких энергостанций на экваторе. В этом случае, в любой момент времени две или три из них будут находиться на дневной стороне и работать на полную мощность, а остальные - на ночной стороне. Станции расположенные на ночной стороне, тоже могут добывать некоторое количество энергии (например, поглощая свет, отраженный от Земли).

Передачу энергии от энергостанций потребителю можно осуществлять, как проводными линиями, проложенными по поверхности (что вполне реально даже на сегодняшний день), так и с помощью спутников ретрансляторов с использованием микроволнового или лазерного излучения (а над этим пока еще надо подумать).

Стоит заметить, что после наступления ночи, поверхность Луны быстро остывает до очень низких температур, а это дает возможность использования сверхпроводниковых ЛЭП на ночной стороне. Сверхпроводники для передачи энергии можно использовать и на дневной стороне, но для этого необходимо обеспечить их принудительное охлаждение. Однако их применение на дневной стороне будет целесообразно только при очень больших передаваемых мощностях (когда потери энергии в обычных проводниках будут превышать затраты на охлаждение сверхпроводников).

В принципе, на первом этапе освоения Луны, когда не будет необходимости в большом количестве энергии и Лунные поселения будут расположены компактными группами, можно обойтись локальными солнечными энергостанциями, находящимися поблизости от базы. Это устранит проблему передачи энергии на большие расстояния, но появиться новая проблема - аккумуляция энергии для ее использования ночью. Оптимальным была бы постройка аккумулирующей станции, при этом совершенно неважно на каком принципе она будет действовать.

В будущем, когда будут найдены возможности осуществления управляемой термоядерной реакции или строительства безопасных атомных станций и добычи для них "горючего" прямо на Луне, можно будет отказаться от использования солнечных энергостанций. Но не стоит забывать, что возможно, когда-нибудь, Луна будет так же густо населена, как и Земля сегодня, поэтому уже сейчас не стоит закрывать глаза на проблемы лунной экологии. Не нужно превращать наш спутник в кладбище радиоактивных отходов или в ядерный полигон. Солнечная энергия в этом плане всегда остается самым "чистым решением". Так есть и было на Земле, так будет и на Луне.