Ликбез по космической цивилизации - часть I: Источники энергии

[sergeyr]

С энергией в космосе всё будет скорее всего намного хуже, чем кажется и хочется. Потому что кажется это на основании - во-первых, халявы, наполовину уже проеденной, и, во-вторых, фантастических прожектов, почти наверняка на практике нереализуемых.

Для ясности распишу подробней как дела обстоят у нашей, вовсе не космической, цивилизации, и только потом перейду к космосу.

Мы живем сейчас на еще недоеденных запасах очень дешевой энергии - неглубоких месторождениях нефти, угля, газа и легко расщепляемых элементов. В принципе их еще много под нами, но вот удобного для добычи - осталось далеко не так много, и даже при самых совершенных технологиях существует предел, за которым добыча энергоносителя категорически невыгодна: на сам процесс добычи (включая производство и обслуживание нужной для добычи техники) будет в конечном итоге тратиться больше энергии, чем добывается в результате. Подчеркиваю - речь идет не о финансовой невыгодности, а об энергетической, кою уже не обойдешь никакой дешевой рабочей силой или печатанием фантиков. Так вот, этот предел уже вполне обозрим и нагрянет в ближайшие век-два, скорее всего. После чего останутся только "возобновляемые источники" (т.е. прямое или косвенное использование солнечного света) и термоядерные реакторы (если они окажутся энергетически выгодны - что еще неясно, т.к. конструкция обещает быть сложной и, соответственно, требующей немало энергии как на постройку, так и на обслуживание в течение всего срока эксплуатации).

Зеленые, как известно, много трындят о возобновляемых источниках энергии, особо упирая на солнечные и ветровые электростанции, а также биогаз вместо добываемого газа, но это всё жалкие ужимки политических проституток и неграмотных песнопевцев, не желающих разобраться в элементарных инженерных вопросах, о коих они зачем-то взялись активно судить.
Солнечные электростанции всех мыслимых проектов окупаются (без дотаций!) разве только в пустыне - где их крайне тяжело обслуживать. Их панели попросту слишком дороги, капризны и недолговечны, и радикально улучшить их конструкцию вряд ли возможно. Ветряки не так дороги в пересчете на габариты, им нужны еще более редкостные условия: местность с постоянно сильными ветрами. Биогаз выглядит с технической точки зрения дешево и универсально, но на него нужно тратить такие бешеные селькохозяйственные площади, что для перехода всерьез на этот источник придется сокращать площади под продовольствие, причем сокращать не на какие-то проценты, а в разы (т.е. большая часть населения тупо вымрет от голода - и это даже если одновременно не перейти на любимое зелеными органическое земледелие, кое продуктивность сельского хозяйства снижает еще в разы, так что в случае _полной_ реализации зеленых программ вымереть от голода придется уже всем, кроме ничтожного процента избранных).
В общем, возвращаясь к нашим баранам - на поверхности земли "зеленые" электростанции окупаемы только в нескольких специфически-удачных местах и не могут обеспечить энергией сколько-нибудь заметную промышленность.
Лучший из возобновляемых источников - гидроэлектростанции в местностях с хорошим перепадом высот. Они же очень удобны простотой аккумулирования энергии - воду можно то удерживать в водохранилищах, то спускать через турбины, согласно потребностям (такой себе получается предельно дешевый, надежный и простой в обслуживании огромный аккумулятор). Если такие станции понаставить на каждой подходящей реке, то они смогут обеспечить, может быть, аж четверть минимальной потребности технической цивилизации с населением порядка 8 млрд чел.
В целом, при хотя бы относительно разумном планировании и сохранении нынешних демографических тенденций (к концу века население должно начать быстро сокращаться) можно успеть "спрыгнуть" на уровень, при коем настоящих, разумных типов "возобновляемых" станций (гидростанций и глубинных геотермальных) хватит на поддержание стабилизировавшегося населения на пристойном уровне жизни. Только про семейные дома для среднего класса, личный автотранспорт, массовые воздушные перевозки и многие другие транжирства придется всё же забыть - на это энергии не хватит. В этом состоянии человечество свой век и может дожить, как и положено благоразумному пенсионеру. Если же этот "коллективный пенсионер" будет блистать тем уровнем коллективного интеллекта, как сейчас, то комфортно не доживет - помрет в муках, т.е. войнах за "внезапно" истощившиеся ресурсы. (Смерть, ня!)

Теперь переходим к космической цивилизации. (Еще раз повторю, что человеческой она не будет и быть не может - люди слишком глупы, вздорны и безответственны, чтобы преодолеть свою плохую приспособленность к космосу. Поэтому человеческие потребности я далее в прикидках вообще учитывать не буду.)

Для космической цивилизации уголь, нефть и газ в качестве носителей энергии, ясное дело, не годны.
Даже энергия ядерного распада (кою юзают атомные электростанции) - ограниченно годна, т.к. запас пригодных для реакции и достаточно легко добываемых элементов истощается за считанные столетия вполне скромной по своему размаху деятельности, поэтому космической цивилизации придется их приберегать для экстренных случаев.

Что, навскидку, для космической цивилизации годно:

1. Энергия термоядерного синтеза (топливо - лёгкие элементы, коих вокруг просто дофига)

1.1 Реакторная энергия

Это если реактор окажется реализуемым. Пока-что это под большим вопросом - уже полвека ядерщики всё обещают что "вот-вот", а справиться никак не могут, даже когда всем миром взялись. Т.е. сама такая реакция энергию давать должна, тут сомнений нет, но вот удастся ли установку, удерживающую эту реакцию в устойчивом и компактном виде, сделать хотя бы самоокупаемой - это вопрос.
Важный частный вопрос - это тип установки и, соответственно, топлива для нее. Если она будет работать на гелии-3, то это даже для космической цивилизации проблема. На Луне, скажем, гелий-3 есть, но не в виде компактных месторождений, так что добывать его будет мучительно больно; высокой концентрации гелия-3 в природе, скорее всего, не бывает практически нигде. На более широко распространенных же изотопах реактор скорее "не взлетит".

Второй (еще более важный именно для космоса) вопрос с термоядерными реакторами - это отвод лишнего тепла. Реактор - это хрень, которая в бешеных количествах выделяет тепло. По построению. Это тепло и нужно быстренько утилизировать не на сам разогрев, а на всякие разные хитрые нужды. Это и делают всякие котлы, турбины, электрогенераторы и прочая - они просто ловят концентрированное тепло и переводят его в другие виды энергии. При каждом такои преобразовании часть энергии "сбегает" - по большей части в виде просачивающегося наружу тепла, в меньшей - в виде разных излучений и вибраций, или же просто в виде разрушения конструкции генераторов. Грамотное проектирование и использование подходящих материалов могут повысить КПД (уменьшить долю "сбегающей" энегрии), но у термоядерного реактора потери тепла и при самой лучшей его конструкции будут огромными. Здесь, на Земле, это не особо страшно - воды вокруг дохрена, теплоемкость у нее замечательная, любая речка унесет лишнее тепло в океан. Но в космосе подходящие речки с океанами - это, мнэээ, редкость, мягко выражаясь.
В общем, даже если всё с термоядом окажется хорошо, то он будет наиболее пригоден для обеспечения энергией в астероидных поясах, на планетоидах и кометах - везде, где есть большие запасы льда (который и пойдет на топливо, на хладагент в системы охлаждения, и на материал для простых, легко поддерживаемых в рабочем состоянии ледяных радиаторов).

Если с эффективностью термояда окажется _очень_ хорошо, то реакторы дадут независимость от звездных систем (т.е. может даже выгореть освоение межзвездных пространств). Но последний вариант я считаю наиболее маловероятным, потому что он сильнее всего конфликтует с молчащим космосом.

1.2 Солнечная энергия

Звезды - это и есть готовые термоядерные реакторы с гравитационным удержанием плазмы. Надежно, мощно, не требует обслуживания. Главная сложность - размерчик великоват-с. Приходится пастись на удалении и использовать излучение - никакими иными способами систематически использовать эти супер-пупер-топки, скорее всего, просто невозможно.

В космосе такое использование выглядит всё же получше, чем на поверхности - погода всегда идеальная, осадков и бурь нет, землетрясений и осыпей тоже, живность и растительность не мешают. Есть, правда, метеориты и жесткое излучение, но на достаточно терпимом уровне (человеческая тушка без мощного экранирования не выживет, как ее ни лечи, но хорошая автоматика, скорее всего, вполне может выживать на самообслуживании). От особо жёстких частиц (прилетающих извне звездной системы) можно прикрывать "спину" и "бока" толстыми слоями простой и легко обслуживаемой радиационной защиты (тупо толстыми пластами любого вещества), но "морду" солнечных электростанций нужно по построению держать неприкрытой - и мириться с тем, что от Солнца прилетает не только удобный ровный поток лучистой энергии, но и постоянные микроскопические плюхи, которые постепенно портят солнечные панели (и чем сильнее поток энергии - тем больше и плюх).
Дело осложняется тем, что фотоэлементы и зеркала - это дорогие конструкции, достаточно сложные как в производстве, так и в ремонте. (Сейчас их делают для космоса на хайтековом уровне и вообще практически не ремонтируют - так их всего на десяток лет хватает в хороших случаях.)

В общем, солнечная энергия - это для таких себе космических агломераций, греющихся вокруг хороших, тепленьких, стабильных звезд. Агломерация должна быть достаточно велика, чтобы иметь постоянно действующие ремонтные бригады, поточное производство запчастей для изношенных до неремонтопригодного состояния, оперативные ремонтно-спасательные группы для экстренных случаев. Поставок всякого сырья стабильная околосолнечная агломерация будет требовать не так уж много (в сравнении с человечески городом) - если, конечно, не спустится слишком близко к звезде, где площади начнут сильно "выгорать".

2. Кинетическая энергия (энергия движения)

2.1 Циклическое движение планет, спутников и планетарных колец

Энергию стабильного вращения в принципе использовать в своих целях довольно удобно, и у космической цивилизации может хватить мощи присосаться в этом смысле ко всяких огромным природным маховикам.
Можно попытаться выкачивать энергию этого вращения как через гравитационные градиенты (так уже делается в приливных электростанциях), так и через градиенты магнитных полей (у тех планет, у которых сильные магнитные поля есть) - тут сама планета становится как бы гигантским элементом электрогенератора.

Запаса этой энергии будет много меньше, чем термоядерной энергии, но зато она в некоторых местах неплохо сконцентрирована: в Солнечной системе в этом смысле привлекательней всего выглядит Юпитер - у него и магнитное поле мощное, и спутники вращаются довольно плотно. В некоторых других системах могут быть и более удобные для этого объекты. Кроме того, можно пытаться ловить блуждающие планеты и аккуратно выводить их на нужные орбиты, но это сложно и долго.

Такие источники энергии требуют огромных астроинженерных сооружений и годятся в основном для масштабных проектов - для запуска больших космических кораблей, для переделки планет, для выкачивания с планет огромных масс материалов, и т.п.

2.2 Поступальное движение потоков плазмы, газа и прочих частиц

Теоретически такую энергию можно "ловить" возле некоторых астрономических объектов, которые выбрасывают достаточно плотные и стабильные потоки вещества. Как это может выглядеть на практике - представить сложно, т.к. ни одного такого объекта поблизости нет. В Солнечной системе самое близкое к тому - это гейзеры, но стабильных мощных гейзеров, увы, не наблюдается.

Кинетическую энергию залетающих в систему астероидов и планетоидов систематически использовать можно только переведя их движение в циклическое, т.е. см. предыдущий пункт.


Вот и всё, на этом список известных источников энергии, пригодных для космической цивилизации, и заканчивается. Всё остальное - либо слишком жиденькое, либо слишком быстро исчерпывается.