Обитаемый искусственный спутник Земли предлагается создавать с помощью флота таких грузовых трехступенчатых ракет. Каждая ракета весит при взлете 7000 тонн, из которых 90 процентов — топливо. Последняя ступень снабжена крыльями для посадки па Землю и на ней находится полезный груз весом 35 тонн — части сооружаемого спутника (по проекту Брауна).
Одной из наиболее серьезных проблем будет снабжение спутника энергией, необходимой для работы многочисленных исследовательских установок и удовлетворения бытовых нужд его обитателей. Очевидно, обычные теплосиловые установки, используемые на Земле, для этого не годятся, ибо они нуждаются для своей работы в воздухе.
Двигатели, которые будут использоваться на спутнике, например для привода во вращение электрического генератора, питающего многочисленные электродвигатели, должны работать на топливе, сгорающем без воздуха, то есть таком же, на котором работают и двигатели космических ракет. Вполне возможно применение газотурбинных двигателей, работающих на продуктах сгорания подобных топлив. Однако и такие двигатели полностью проблемы, конечно, не решают; ведь топливо, необходимое для их непрерывной работы, достается уж очень дорогой ценой — оно должно доставляться с Земли.
Конечно, наиболее разумным решением было бы создание на спутнике силовой установки, не нуждающейся ни в каком топливе.
Существует несколько способов решения этой задачи. Можно использовать, например, атомную установку, так как она расходует ничтожно малое количество топлива.
На небольших автоматических спутниках можно применить существующие уже в настоящее время атомные батарейки, использующие так называемый вольтэлектронный эффект, благодаря которому атомная энергия непосредственно преобразуется в электрическую. Основой такой батарейки служит какое-нибудь искусственное радиоактивное вещество, излучающее электроны, например получаемый в атомных котлах радиоизотоп стронция. Для этого тонкий слой стронция наносится на поверхность полупроводника — например германия или кремния, который служит усилителем. Проходя через пластинку такого полупроводника, каждый электрон, вылетевший из стронция, вызывает целый «ливень» из сотен тысяч электронов, находящихся в полупроводнике. В результате возникает электрический ток, правда, очень слабый: элемент размерами около 1 куб. сантиметра дает ток силой в 5 тысячных ампера при напряжении 0,2 вольта. Этот слабый ток может быть значительно усилен, если несколько подобных «атомных элементов» собрать в одну батарейку, как это и сделано в уже созданных устройствах для питания радиоприборов и других целей. Так как стронциевая атомная батарейка может работать непрерывно в течение десятков лет и имеет очень небольшие размеры и вес, то понятно, почему она представляет большой интерес для использования на автоматических спутниках. Конечно, на больших населенных спутниках должны быть применены мощные атомные установки другого типа. Уже сейчас созданы атомные установки огромной мощности, имеющие весьма небольшие размеры; они будут очень подходящими для использования на спутниках.
Весьма вероятным является к непосредственное использование солнечной энергии, которой так богато околосолнечное пространство. Этому способствует и то, что ночь на спутнике очень коротка. Ведь ночь на спутнике наступает тогда, когда спутник оказывается в тени, отбрасываемой Землей, для него ночь — это полное солнечное затмение.
Заманчиво было бы создать на спутнике силовую установку, в которой энергия, излучаемая Солнцем, прямо переходила бы в электрическую энергию. Наука знает, как это можно сделать, и даже не одним способом.
Так, например, можно воспользоваться для этой цели фотоэлементом, в котором световая энергия Солнца преобразуется непосредственно в электрическую. Уже созданы такие батареи с коэффициентом полезного действия 12 % и даже более. Как известно, на третьем советском спутнике, а также на одном из небольших американских спутников («Авангард») были установлены кремниевые полупроводниковые солнечные фотоэлементные батареи, надежно питавшие радиоаппаратуру спутников электроэнергией в течение многих месяцев их полета. Успешные результаты применения этих солнечных батарей имеют большое значение и для будущих обитаемых спутников и межпланетных кораблей.[60]
Можно воспользоваться также термоэлементом, в котором в электрическую переходит тепловая энергия. Известно, что если спай проволок двух разных специально подобранных металлов — например, железа и сплава константан, или платины и родия, или некоторых других металлов — подогревать, а другой спай этих же проволок сохранять при меньшей температуре, то в электрической цепи, составленной из таких проволок, потечет ток. Сила этого тока зависит от того, какая пара металлов применена и какова разница температур обоих спаев: горячего и холодного. Это свойство широко используется в настоящее время для измерения температур в машинах, печах, лабораторных установках (для этой цели создаются так называемые термопары).
Использование этого принципа для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую очень заманчиво, потому что при этом во многих случаях сделались бы ненужными громоздкие и сложные тепловые двигатели. Но пока еще такой метод получения электричества на Земле применяется редко, так как он оказывается менее выгодным: удается использовать лишь небольшую часть тепла.
Другое дело в будущем, когда удастся полнее преобразовывать с помощью термоэлементов тепло в электричество.
Если один спай полупроводникового термоэлемента обогревать солнечными лучами, сконцентрированными отражающим зеркалом (оно может быть изготовлено из жести), а другой поместить в тень, то можно получить мощность порядка 100 ватт с 1 кв. метра поверхности зеркала или с 3 килограммов общего веса генератора. Примерно такую же мощность способен дать и фотоэлементный полупроводниковый электрогенератор.
Наиболее вероятным для больших межпланетных станций, а также для автоматических спутников большого размера будет использование солнечных теплосиловых установок, подобных тем, которые все шире начинают применяться и на Земле, в частности в южных районах нашей страны. В такой установке солнечные лучи собираются зеркалом и направляются на паровой котел, установленный в фокусе этого зеркала. Жидкость, текущая в трубках котла, например вода или ртуть, испаряется и направляется в паровую турбину, которая приводит в движение электрический генератор.
Модель населенного искусственного спутника Земли с полупроводниковой солнечной силовой установкой, показанная советскими учеными на Брюссельской выставке.
В конденсаторе отработанный пар снова превращается в жидкость, благодаря чему рабочая жидкость не расходуется, а все время циркулирует в замкнутом контуре. Расчеты показывают, что подобная установка в настоящее время будет более эффективной, чем любая другая, возможная на спутнике. Мощность установки может быть самой различной: от 1–2 киловатт для небольших автоматических спутников до тысяч киловатт для огромных межпланетных станций. К моменту сооружения первой такой мощной солнечной силовой установки для спутника уже будет накоплен большой опыт эксплуатации мощной солнечной энергостанции, сооружаемой у нас в стране, недалеко от столицы Армении — Еревана. Эта первая в мире солнечная электростанция промышленного значения будет иметь мощность 1200 киловатт. В центре огромного круга диаметром почти в километр будет сооружена башня высотой 40 метров с вращающимся паровым котлом. Большие зеркала (1293 штуки), расположенные на 23 кольцевых рельсовых путях, будут концентрировать солнечные лучи на этом котле, заставляя кипеть находящуюся в нем воду. Пар под давлением 30 атмосфер будет вращать турбину электростанции.
