А.В.ЛОМАКИН,
СОШ с. Ладомировка, Белгородская обл.

Освоение космоса и глобальные проблемы

Цели занятия: ознакомить с глобальными проблемами человечества и путями их решения, с перспективными научными и техническими направлениями, помочь учащимся осознать значимость этих проблем и необходимость их решения, создать условия для развития познавательного интереса, показать роль экологии.

Человечество совсем недавно вступило в третье тысячелетие. Чем оно будет ознаменовано? Нас ждёт немало проблем, которые нужно решить во что бы то ни стало. По прогнозам, уже к 2050 г. численность населения на Земле увеличится почти в 2 раза и составит 10–11 млрд человек. Причем 94% прироста дадут развивающиеся страны и только 6% – промышленно развитые. Кроме того, мы учимся управлять процессами старения, и продолжительность жизни человека неуклонно возрастает. Всё это приведёт к резкому увеличению численности населения, и в связи с этим – к новым проблемам.

В первую очередь, нужно всех накормить. Сейчас более 600 млн человек страдают от голода, а около 50 млн ежегодно умирают от голода. А для обеспечения нормальным питанием 11-миллиардного населения необходимо увеличить производство продуктов питания более чем в 10 раз. Следовательно, немаловажной станет проблема поиска энергии и сырьевых ресурсов для обеспечения жизни 11 млрд человек, для чего нужно будет увеличить в несколько раз добычу сырья и топлива. Способна ли Земля выдержать такую нагрузку?

А проблема загрязнения окружающей среды? Наращивая темпы производства, мы не только истощаем земные ресурсы, но и постепенно изменяем климат нашей планеты. Выбросы в атмосферу углекислого газа заводами, электростанциями, машинами могут привести к парниковому эффекту, т.е. к увеличению средней температуры на Земле*. А это, в свою очередь, – к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, что, конечно же, неблагоприятно скажется на условиях жизни человека.

А не начать ли нам осваивать космос? Переместим туда заводы, освоим Луну, Марс, будем добывать там энергию... И оживут страницы научно-фантастических романов и фильмов. А почему бы и нет?!

1. Энергия из космоса

В настоящее время 9/10 всей энергии получают, сжигая топливо в котлах электростанций, в автомобильных двигателях, в домашних печах. Каждые 20 лет происходит удвоение потребления энергии. Совершенно естественно возникает вопрос: на сколько лет хватит природных ресурсов для наших быстрорастущих нужд? По прогнозам, углём человечество обеспечено на 100–150 лет, запасов нефти хватит на 40–50 лет, а запасы газа будут израсходованы уже через 30–40 лет. Сегодняшнюю атомную энергию следует также отнести к источникам исчерпаемым.

Теоретически проблему поиска энергии решили еще в 30-х гг. прошлого века, когда была осуществлена ядерная реакция (распад тяжёлого ядра на два лёгких с выделением энергии). Тогда же была открыта и её противоположность – реакция термоядерного синтеза, когда ядра двух лёгких элементов, например дейтерия и трития, сливаются с выделением колоссальной энергии, в несколько раз большей, чем при ядерной реакции. Именно реакция термоядерного синтеза (управляемого!) может стать основой энергетики будущего. К великому сожалению, для осуществления термоядерной реакции ядра нужно нагреть до нескольких миллионов градусов, затем сдержать неминуемый взрыв, «растянуть» его во времени и заставить отдавать энергию не мгновенно, как в водородной бомбе, а длительно. Пока задача управления термоядерной реакцией не решена.

Предположим, что её решили. Тогда будущая индустрия сможет обеспечить себя энергией в любом количестве. Но не так всё просто – безграничный рост производства энергии может привести к перегреву Земли и её атмосферы. За последнее столетие наблюдается устойчивый рост производства энергии, в среднем на 3% в год. При таком темпе потребуется всего 50–60 лет для достижения предела теплового загрязнения планеты*. С освоением термоядерной энергии проблема ещё более усугубится. Кроме того, темп производства энергии будет возрастать и за счёт увеличения населения. При численности 11 млрд человек тепловой порог будет превышен на 30%, что может привести к необратимому воздействию на климат планеты.

Один из радикальных путей преодоления указанных трудностей состоит в переходе от «двумерной» индустрии (на поверхности планеты) к «трёхмерной» (переносу значительной части энергетики, а также части энергоёмких производств в космос).

Представим себе космическую электростанцию на стационарной орбите высотой 36 000 км. Такая станция будет освещаться Солнцем почти непрерывно. Каждый квадратный метр поверхности солнечных батарей ежесекундно будет получать от Солнца около 1400 Дж энергии, и даже если только 18% солнечной энергии удастся преобразовать в электрическую, мощность солнечной космической электростанции с двумя солнечными батареями размером 6 4 км каждая будет составлять 10⁹ Вт. При этом масса батарей площадью 48 км² составит примерно 50 000 т, а масса всей электростанции 70 000 т.

Предположим, что мы сумели произвести электроэнергию в большом количестве. Но как передавать миллионы киловатт-часов на Землю? Есть два способа беспроводной передачи на дальние расстояния: с помощью либо лазерного, либо высокочастотного луча. Наиболее реален пока второй способ: на Земле монтируется чаша приёмной антенны, которая принимает высокочастотное излучение, преобразует его в обычный переменный ток и передаёт потребителю. Этот проект базируется на реальных расчётах и экспериментах. Для сборки, развертывания, доставки на рабочие орбиты и обслуживания космической электростанции потребуется создание специальных транспортных и сборочно-монтажных комплексов, а также мощных носителей, способных выводить на орбиту грузы массой до 100 и более тонн и в сотни раз более дешёвых, чем сейчас.

По оценкам специалистов, космическая электростанция на 90% может быть изготовлена из лунных и других внеземных материалов, тогда отпадает необходимость доставки с Земли грузов, снижается проблема засорения атмосферы. В любом случае требуется создание эффективных внеземных систем добычи, переработки и транспортировки сырья, производственных и сборочных комплексов, что потребует в свою очередь создания больших орбитальных станций.

Есть идея создавать космические электростанции не у Земли, а в областях, более близких к Солнцу, на уровне орбиты планеты Меркурий. Тогда солнечных батарей потребуется почти в 100 раз меньше. Интересно предложение вынести приёмные устройства с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществить эффективную передачу энергии в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. При этом резко сократятся размеры передающих и приёмных антенн, существенно снизится стоимость систем приёма и передачи энергии. Подъём приёмной антенны предполагается осуществить с помощью аэростатов (дирижаблей) большой грузоподъёмности, управляемых автоматически.

Итак, принципиальная схема космической электростанции ясна. С точки зрения техники можно было бы приступить к её конструктивной разработке уже сегодня. Тормозит стоимость проекта. При современном уровне техники стоимость полученной электроэнергии была бы в 200 раз дороже стоимости электроэнергии, получаемой от тепловых электростанций. Однако прогресс науки и техники может существенно изменить это соотношение. Основной вклад в стоимость космической электроэнергии вносит стоимость солнечных батарей и их доставки на орбиту. За последние 20 лет масса и стоимость этих батарей значительно снизились и, по оценкам, её можно снизить ещё в 10 раз, а КПД можно существенно увеличить, если перейти на батареи из сульфида кадмия или арсенида галлия.

Таким образом, можно сделать оптимистичный вывод: создание солнечных космических электростанций представляет собой реализуемую задачу, для решения которой нет непреодолимых трудностей.

2. Круглосуточное Солнце

На всем протяжении своей истории человек пользовался солнечным светом. Однако потребность в свете не ограничивается рамками дня, он нужен гораздо дольше: для освещения вечером улиц, строек, полей во время сельскохозяйственных работ (уборки, посевной). Не говоря уже о Крайнем Севере, где Солнце по полгода не появляется на небосклоне. Как же увеличить продолжительность светового дня? Насколько реально повесить искусственное Солнце? Оказывается, на сегодняшнем этапе развития техники это вполне разрешимая задача.

Сегодня космическая техника открывает возможность установки в космосе приспособлений для отражения солнечного света на Землю. При этом интенсивность отражённого света можно менять от интенсивности полной Луны до интенсивности Солнца.

Впервые идея создания космических рефлекторов была высказана немецким ученым и инженером Германом Обертом еще в 1929 г. Дальнейшее развитие она получила в работах американского учёного Эрика Крафта. Сейчас мы вплотную подошли к практическому осуществлению этих казавшихся фантастическими проектов. Конструктивно такой рефлектор может представлять собой раму с натянутой на неё полимерной металлизированной пленкой, отражающей солнечное излучение. Ориентация светового потока будет производиться автоматически, по заданной программе или по команде с Земли.

В США исследуется возможность размещения на стационарной орбите над Северной Америкой спутников с шестнадцатью зеркалами-отражателями, что позволит на два часа увеличить световой день. Два отражателя предполагается использовать для освещения Аляски, чтобы зимой увеличить там световой день на 3 ч. Использование спутников-рефлекторов для продления светового дня на несколько часов в крупных городах обеспечит высококачественное и бестеневое освещение улиц, строек, магистралей и окажется экономически выгодным. Например, затраты на освещение из космоса пяти таких городов, как Москва, окупятся только благодаря экономии электроэнергии за 4–5 лет. Причём ту же систему спутников-рефлекторов можно переключать на другую группу городов практически без дополнительных затрат. А насколько чище будет воздух, если энергия на освещение будет поступать из космоса, а не от чадящих электростанций!

И опять единственным препятствием на пути осуществления этого проекта в России является недостаток денег в казне.

3. Заводы вне Земли

Более 300 лет назад Э.Торричелли получил вакуум. Это открытие сыграло в технике огромную роль. Без изучения вакуума, без понимания его физики невозможно было создать ни двигатели внутреннего сгорания, ни электронную технику. И если вакуум, полученный на Земле, способствовал развитию промышленности, то можно себе представить, какие возможности откроются при освоении безграничных просторов космоса.

Сначала робко, а затем всё смелее человек стал обживать новую для себя стихию – космос. А нельзя ли космос заставить служить людям, создав там космические заводы, – в совершенно иной среде, в условиях вакуума, мощных потоков солнечного излучения, низких температур и невесомости?

Сейчас ещё трудно представить все преимущества этих факторов, но уже можно утверждать, что открываются поистине фантастические перспективы. Лучи Солнца, сконцентрированные параболическим зеркалом, способны сваривать детали из нержавеющей стали, титановых сплавов и других металлов. При плавке в земных условиях в металлы попадают примеси, например, от тиглей. А техника всё больше нуждается в сверхчистых материалах. Как же их получить? Металл можно «подвесить» в сильном магнитном поле. Под действием токов высокой частоты металл плавится и удерживается в магнитном поле, если его масса достаточно мала. Кроме того, многие мелаллы немагнитны, многие имеют слишком высокую температуру плавления.

В космосе, где царит невесомость, может висеть расплав любых размеров и массы. Здесь не надо ни тиглей, ни форм для литья. Последующие шлифовки и полировка также не будут нужны. А плавить материалы можно либо в солнечных печах, либо в обычных электропечах. В условиях космического вакуума возможна «холодная сварка»: прижатые друг к другу хорошо подогнанные зачищенные поверхности металлов образуют прочные соединения.

В космосе можно получать не только абсолютно совершенные, без примесей, стёкла, но и создавать новые составы, обладающие заданными оптическими свойствами. Здесь нет ограничений по размерам. Можно изготавливать линзы и зеркала для телескопов такими большими, что на Земле они просто треснули бы под своей тяжестью.

В земных условиях не удаётся получить большие бездефектные полупроводниковые кристаллы. А дефекты – это снижение качества не только самих кристаллов, но и изготовленных из них приборов и микросхем. Невесомость и космический вакуум обеспечивают получение кристаллов с нужными свойствами.

В осуществлении всех этих идей сделаны только первые шаги, а фантазия инженеров уже видит заводы на орбите. В апреле 1985 г. был запущен спутник «Космос-1645». После 13-суточного полёта спускаемый аппарат спутника доставил на Землю образцы материалов, полученных в космосе. Начиная с этого года, такие запуски стали ежегодными.

НПО «Салют» разработало проект космического аппарата «Технология» массой 20 т и космического завода массой 100 т. Этот аппарат снабжён баллистическими капсулами, способными доставить на Землю изготовленную продукцию. Завод работает в автоматическом режиме, может посещаться космонавтами. И вновь только одно «но»: недостаточное финансирование.

4. Космические поселения

В начале ХХ в. К.Э.Циолковский написал фантастическую повесть «Вне Земли», в которой рассказал о космических поселениях. А спустя сто лет человечество подошло к практическому осуществлению этого фантастического проекта.

В 1974 г. профессор Принстонского университета «США) Джерард О'Нил, хорошо известный своими работами в области физики высоких энергий, опубликовал проект колонизации космоса. По его замыслу, гигантские космические поселения должны расположиться в точке либрации (точке, где силы притяжения со стороны Земли, Луны и Солнца компенсируют друг друга). Такой космический посёлок вечно будет висеть в одном месте.

О^'Нил предполагает, что к 2074 г. значительная часть человечества будет жить в космосе, обладая неограниченными ресурсами энергии и изобилием пищевых и материальных средств. Земля превратится в огромный парк, свободный от промышленности. Она станет прекрасным местом, где можно будет провести отпуск.

Рассмотрим модель космической колонии О'Нила. Первоначально строится первая модель радиусом 100 м. В подобном сооружении могут разместиться около 10 тыс. человек. Основная задача этой колонии – разработка и создание следующей модели, в 10 раз большей. Затем площадь колонии ещё увеличивается, и конструируется модель диаметром 6–7 км и длиной более 20 км.

Проект О'Нила вызывает яростные споры. Плотность населения в предлагаемых им поселениях примерно такая же, как в современных городах. Многовато! Особенно если учесть, что уж там в выходной день за город, на приволье полей и лесов, не выедешь. А в тесных парках не всякий захочет отдыхать. Разве можно это сопоставить с земными условиями? Как в этих «закупоренных банках» будет обстоять дело с психологической совместимостью, с удовлетворением жажды новых впечатлений, с тягой к перемене мест?

Не получится ли так, что и техника позволяет, и средства нашлись, а вот люди ещё не готовы? Или просто не захотят? Не явятся ли космические колонии местами, где будут широко распространены конфликты? Не сулит ли человечеству сам по себе процесс колонизации космоса широкого распространения насилия и глобальных бедствий?..

Однако, если смотреть на будущее с позиций завтрашнего дня, выход есть. Неограниченные возможности для человека появятся, как только он сможет направленно воздействовать на свою эволюцию. Цель этой эволюции – формирование человека будущего, интеллектуально и морально отличающегося от сегодняшнего человека.

5. Луна – первая станция на пути в космос

Чуть меньше пяти десятилетий отделяют нас от того момента, когда первый человек совершил полёт по космической орбите. За этот сравнительно короткий отрезок времени автоматические станции побывали на Луне, Марсе и Венере, человек высадился на Луну.

В свете этих достижений мы можем сделать предположение, что в скором времени Луна станет полигоном перспективных исследований, где будут проводиться эксперименты и наблюдения, которые нельзя организовать на Земле.

Дело не только в том, что мы получили ещё одну научно-исследовательскую базу, аналогичную организованной, например, в Антарктиде, а в том, что на Луне мы получаем новые условия для наблюдений. Это связано с отсутствием атмосферы, большими перепадами температур, пониженной силой тяжести. Появляется возможность детального обследования астероидов и спутников планет. В лунном грунте содержатся все вещества, необходимые для широкой деятельности человека на Луне, в первую очередь это кислород и металлы. Технологии выплавки металлов, выделения воды, получения кислорода и других элементов из лунных пород уже сейчас обстоятельно обсуждаются, отрабатываются экспериментально. Уместно обратить внимание на то, что вопрос об освоении ресурсов Луны диктуется не только настоятельной необходимостью получения ископаемых, но и выносом за пределы Земли целого ряда энергоёмких производств, которые губительным образом действуют на окружающую среду.

Как обеспечить нормальные жизненные условия человеку, оказавшемуся на Луне? Там ведь нет атмосферы, днем палит Солнце, а ночью мороз до –170 °С. Единственный путь – создать в жилых помещениях земные условия: атмосферное давление, температуру, земной состав воздуха. Это обстоятельство требует особых сооружений, способных выдержать значительное внутреннее давление и удержать заключённый в них воздух. Идеальной формой будет шар или цилиндр, способные обеспечить максимальную прочность и жёсткость. Будут сооружения различного целевого назначения: помещения для жилья, работы и отдыха лунопроходцев, площадки для посадки и взлёта летательных аппаратов, производственные помещения, где будут размещены мастерские и лаборатории, установки, вырабатывающие электроэнергию во время долгой лунной ночи.

Установлено, что наиболее просто из лунных пород можно получить кислород, стекло и керамику (практически все доставленные н Землю образцы содержат силикаты). Лунные породы наиболее целесообразно добывать открытым способом в горнодобывающих карьерах с помощью экскаваторов, а доставлять их на перерабатывающие заводы с помощью автоматических транспортных средств.

Рассмотрим жилое помещение на Луне. Оно должно быть помещено на глубине нескольких метров, чтобы защитить от ударов метеоритов. Мощные лампы дневного света будут создавать в лунных оранжереях освещение, близкое по спектру к солнечному. Ввиду того, что на Луне пониженная сила тяжести, растения будут вырастать гораздо более крупными, чем на Земле. Питательные соки из почвы смогут на Луне подниматься по стеблям быстрее, выше, в больших количествах, поэтому и плоды будут крупнее.

Основной формой энергии на Луне будет фотоэлектрическая. Таким образом, энергоснабжение всех лунных сооружений и установок, а также достижение необходимых топливного и светового режимов не вызовет каких-либо инженерных трудностей в течение лунного дня.

Но как обеспечить производство электроэнергии в течение долгой лунной ночи? Очевидно, это могут сделать установки, преобразующие тепловую энергию ядерного реактора в электрическую. Над созданием таких установок сейчас работают учёные.

Заключение

Неисчислимые материальные ресурсы таятся в недрах Солнечной системы, и естественно стремление человека заставить их служить ему.

Еще более века назад Циолковский говорил: «Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели…» Люди, утверждал он, «изменят поверхность Земли, её океаны, атмосферу, растения и самих себя. Будут управлять климатом и будут распоряжаться в пределах Солнечной системы, как на самой Земле, которая еще неопределённо долгое время будет оставаться жилищем человечества».

Космонавтика сделала пока первые шаги. Но надо признать, шаги эти весьма впечатляющие! Это шаги ребёнка, которому суждено стать гигантом. Никакая техника так быстро не развивается, как космическая. Мы уже многое умеем делать и на многое готовы, но освоение космоса потребует ещё больших усилий мысли и огромных материальных затрат. Это большие деньги, но их не сравнить с затратами на вооружение, на программу СОИ ??(1000 000 000 000 $). Даже только 50%-ное сокращение военных расходов до конца столетия позволило бы сэкономить средства, достаточные для оснащения трёх экспедиций на Марс!

И поэтому в наше время человечество должно проникнуться идеей о единстве мира, в котором мы живём. Космос станет символом сотрудничества. Лучше создать космические электростанции и заводы, освоить Луну и Марс и тем самым принести человечеству несомненную пользу, чем повесить над нашей планетой платформы с ядерным и лазерным оружием. Тем, кто утверждает, что с освоением космоса можно подождать, учёные отвечают: «Конечно, космос будет существовать вечно, а вот будем ли мы?»

Литература

Уманский С.П. Космические орбиты. – М.: Просвещение, 1996.

Энциклопедический словарь юного техника. – М.: Педагогика, 1988.

Зиятдинов Ш.Г. Народонаселение и энергопотребление. – Физика (ПС), № 21/03. – Ред.

_____________________

*Альтернативный взгляд на связь содержания углекислого газа в атмосфере и климата Земли изложен в статье акад. О.Г.Сорохтина «Адиабатическая теория парникового эффекта» («Физика (ПС)», № 11/05). – Ред.