Зачем на Луне зеркала?

Это наша заключительная статья на Хабре (в серии были посадочные площадки, солнечные панели, и как на луне можно сделать спутник – 1, 2, 3). Здесь интересная и технически подкованная аудитория, но, похоже, наша тема всё-таки не совсем совпадает с её интересами. Продолжить следить за «Лунной гонкой 2.0», и её коммерческой составляющей вы можете нашем Telegram-канале.

Солнце — один из наиболее очевидных источников энергии на Луне. Солнечные панели и солнечные концентраторы — два способа его использования. Первый из них вырабатывает энергию, второй же обладает более широкими возможностями.

С помощью концентраторов солнечный свет способен нагревать материалы до очень высоких температур. Это полезно как для разных видов тепловых электростанций, так и для плавки реголита в строительстве или же промышленности напрямую, без лишних преобразований.

Тепло также можно запасать: для этого нагревают специальный материал, а затем используют накопленную энергию, когда солнечного света уже нет. В отличие от солнечных панелей, такой подход не требует сложных аккумуляторов с земли, подойдет любой материал с хорошей теплоемкостью. Правда, такой подход не решает проблему лунной ночи: для длительного хранения потребуются значительные запасы теплоаккумулирующего материала и эффективная теплоизоляция.

Но раз концентрированный свет так полезен, стоит разобраться, каким образом его можно получить.

Какие бывают солнечные концентраторы?

Самый понятный вариант — большая выпуклая линза. Она преломляет солнечные лучи, концентрируя энергию на небольшом участке. Но обычная линза для крупной лунной установки может оказаться слишком большой и тяжелой для доставки на Луну. А ее изготовление на месте может быть проблематично ввиду сочетания сложной геометрии и большого размера. Поэтому для Луны могут быть интереснее конструкции, позволяющие уменьшить массу и сложность оптики.

Например, линза Френеля использует тот же принцип, но вместо сплошной толстой линзы состоит из множества концентрических ступеней. Благодаря этому она получается значительно тоньше и легче обычной линзы сопоставимого размера. Вместе с тем есть и другое преимущество: линзу Френеля не обязательно отливать целиком. Один из исследователь Карлтонского университета в Канаде предложил технологию изготовления такой линзы по сегментам. Сначала поштучно нарезаются концентрические кольцевые канавки, каждая со своим углом наклона. А после они все соединяются титановыми рамками.

Другой подход — использовать множество зеркал, каждое из которых поворачивается вслед за Солнцем и направляет свет на общий приемник. Преимущество такой схемы в том, что зеркала могут быть простой плоской формы и в её простой масштабируемости. На Земле подобную схему применяют в солнечных тепловых электростанциях, где приёмник расположен на высокой башне.

Если нужна высокая концентрация энергии, можно использовать систему из двух изогнутых зеркал. В схеме Кассегрена главное зеркало собирает свет и направляет его на вторичное, которое перенаправляет лучи к приемнику. Такая оптическая конструкция позволяет получить компактную систему с высокой концентрацией света. NASA испытывало подобный концентратор диаметром около полуметра для нагрева имитатора лунного реголита и исследования технологий переработки местных ресурсов.

Наконец, концентрировать солнечный свет можно не только в точке, но и вдоль линии. В линейном концентраторе Френеля для этого используются длинные плоские зеркала, расположенные параллельными рядами. Каждое зеркало поворачивается вокруг своей оси, отражая солнечный свет на общий приемник над зеркальным полем. Луч от такой системы не подойдет для обеспечения высокой температуры, например, для плавки реголита. Однако его тепла вполне достаточно для того, чтобы запитать механический двигатель (например, двигатель Стирлинга).

Из чего можно изготовить концентраторы на Луне?

Если солнечные концентраторы должны стать частью лунной промышленности, доставлять всю оптику с Земли будет невыгодно. Поэтому исследователи рассматривают возможность изготавливать хотя бы часть конструкции из местных материалов.

После переработки реголита можно получить стеклокерамику. Это уже проверили в лабораторных исследованиях, изготовив базальтовое стекло из имитатора лунного грунта. Однако итоговый материал темный, с невысокой прозрачностью. Чтобы добиться качественного оптического стекла после плавки, необходимо изготавливать его из значительно более чистого сырья. Это значительно усложняет технологический процесс.

Если же отказаться от изготовления линз в пользу зеркал, то оптические свойства стекла уже не столь принципиальны. Для них стекло может выступать как основа, но ему не обязательно нужно пропускать через себя свет для работы. Тонкий отражающий слой алюминия можно нанести не только с внутренней стороны зеркала, но и с внешней. Минус заключается в том, что тогда тонкий слой металла будет уязвим перед внешними воздействиями.

Так же здесь есть два отдельных ограничения. Во-первых, качество зеркала зависит от гладкости основы: даже небольшие неровности рассеивают свет и ухудшают фокусировку. Во-вторых, у алюминия для зеркал так же есть жесткие требования к чистоте материала для эффективной работы. И в данном случае нужен либо импорт, что может приемлемым по той причине, что алюминий выступает в качестве покрытия и несет в себе малую часть массы итогового зеркала. Либо возвращаемся к вопросу выделения из реголита чистого материала, как отдельного технологического процесса.

Таким образом, лунные концентраторы потенциально можно создавать из местных материалов. Извлеченный из реголита кремний может стать основой стекла стекла, а алюминий — для отражающих покрытий. При этом и извлечение необходимых компонентов из реголита, и изготовление оптики с требуемой точностью остаются самостоятельными технологическими задачами.

Как получать электричество из концентрированного тепла?

Как уже упоминалось в начале, солнечные концентраторы могут не только плавить реголит, но и использоваться для выработки электричества. Один из вариантов — использовать термоэлектрические генераторы (ТЭГи).

ТЭГи работают за счёт эффекта Зеебека. Когда один конец полупроводника нагревается сильнее другого, электроны в нагретой области получают больше тепловой энергии и интенсивнее перемещаются. В результате электроны из горячей области статистически чаще перемещаются в холодную область, чем наоборот. Это направленное движение создает электрическое поле, в результате чего появляется напряжение между концами полупроводника.

Главное преимущество ТЭГов — простота конструкции. В них нет движущихся частей, что значительно упрощает обслуживание. Ценой за это является сравнительно низкий КПД около 6%. Значительная часть тепла не превращается в электричество, а отводится через холодную сторону генератора.

Эффективность зависит от температурного перепада и свойств термоэлектрического материала. Есть множество разных вариантов составов таких генераторов, подходящих под разные условия. Если использовать концентраторы, то перепад температур может быть в тысячи градусов, плюс важно учитывать, что многие существующие составы требуют такие редкие для Луны материалы, как: свинец, висмут или германий. Готового типа ТЕГов для работы с солнечными концентраторами, который можно было бы изготовить из лунных ресурсов нет. Его разработка — отдельная технологическая задача, либо же можно найти компромиссный вариант с минимальным количеством импортируемых ресурсов.

При этом ТЭГи — далеко не единственный способ превращения солнечного тепла в электричество. Можно использовать термоэмиссионные преобразователи. При нагревании катода электроны получают энергию и могут покинуть металл, преодолев силы, удерживающие их внутри. Оказавшись в вакууме, они перемещаются к аноду, поскольку между электродами поддерживается разность электрических потенциалов. А далее по внешней электрической цепи перемещаются обратно в катод — так и возникает полезный электрический ток.

Для изготовления таких преобразователей может понадобиться меньше импортных материалов, либо же может получиться изготовить ее из местных материалов. Когда есть второй параллельный вариант для исследования, это повышает шанс получения подходящей технологии.

Но если поставить параметр минимального импорта в приоритет, тогда стоит обратить внимание на электродвигатели. Например, может подойти двигатель Стирлинга или паровой двигатель. Такие системы способны обеспечивать более высокий КПД, но имеют меньшую надежность и более сложны в обслуживании.

Поэтому выбор технологии зависит от масштаба установки и степени минимизации импорта. Для небольших автономных устройств, где важны простота и надёжность, ТЭГи могут оказаться удобными. Для крупной лунной электростанции, от которой потребуется много электричества, имеет смысл на механические генераторы, использующие рабочее тело.

Что делать во время лунной ночи?

Одна из главных проблем солнечной энергетики на Луне — продолжительность ночи. В большинстве районов между восходом и закатом проходит около 14 земных суток, после чего примерно столько же длится ночь. Исключения существуют в полярных областях, где рельеф и положение Солнца позволяют отдельным участкам получать свет значительно дольше.

Есть несколько способов справиться с этим ограничением.

Первый — накапливать энергию в виде тепла. Днем концентраторы нагревают теплоаккумулирующий материал, а ночью накопленное тепло используют для обогрева оборудования или выработки электричества. В качестве теплоносителей и аккумуляторов могут рассматриваться расплавленные соли и другие материалы с высокой теплоемкостью и рабочей температурой. 

Второй вариант — использовать аккумуляторы. Но для двухнедельного периода без солнечного света необходим значительный запас энергии, что означает необходимость в большом объеме аккумуляторов. Учитывая сложность изготовления и состав современных стандартных космических аккумуляторов, скорее всего они будут импортными. Это делает вариант не оптимальным, ведь большая масса импортных компонентов затрудняет освоение Луны.

Третий подход — маховики. В отличие от прошлого варианта они проще конструктивно и их основа не требовательна к материалам. Они запасают энергию в виде вращения массивного ротора, а затем возвращают её через электрогенератор. Вакуум позволяет не терять энергию на потерях, связанных с сопротивлением воздуха. А использование магнитных подшипников может помочь уменьшить потери на трении. 

Наконец, можно перенаправлять солнечный свет из освещенных районов в затененные. Для этого рассматривают системы зеркал, которые направляют свет на удаленные участки поверхности. Однако источник света, зеркала и освещаемая площадка должны располагаться так, чтобы между ними сохранялась прямая видимость, а рельеф не перекрывал луч. Кроме того, зеркала должны иметь подходящую ориентацию и возможность менять её вслед за движением Солнца. Поэтому подобные системы могут обеспечивать энергией отдельные заранее выбранные участки, но не позволяют произвольно освещать любую точку Луны. Даже в полярных районах, где некоторые возвышенности долго остаются на солнце, доставка света в соседние кратеры зависит от взаимного расположения объектов и высоты их рельефа.

Таким образом, единственного универсального решения нет. Для реальной базы, вероятно, придётся сочетать накопление тепла, электрические накопители и несколько независимых источников энергии. Концентраторы могут предложить дополнительные способы выработки энергии, в том числе те, которые смогут работать на накопленном тепле некоторое время после захода солнца.

Почему концентраторы могут стать основой лунной промышленности?

Как упоминалось выше, концентраторы могут использоваться не только для спекания реголита и производства строительных материалов, но и для более сложных промышленных процессов.

Один из вариантов — использовать концентрированный солнечный свет для высокотемпературной переработки реголита. Например, при вакуумном пиролизе грунт нагревают при пониженном давлении, чтобы вызвать разложение некоторых соединений и выделить летучие продукты. Другой подход — электролиз расплавленного реголита: через расплав пропускают электрический ток, чтобы разделить содержащиеся в нем соединения и получить кислород и металлические продукты.

Это разные процессы, но у них есть общая проблема — необходимость обеспечить высокую температуру. Солнечные концентраторы позволяют это сделать без промежуточных этапов, сильно упрощая схему и позволяя экономить электричество на процессе с высоким потреблением.

Какое место займут концентраторы в освоении Луны?

Солнечные концентраторы не станут универсальным решением для лунной энергетики и промышленности. У каждой конструкции свои компромиссы. Линзы и системы Кассегрена позволяют получать высокие температуры на небольшом участке, но требуют точной оптики. Поля зеркал собирают энергию с большой площади и могут перенаправлять свет, однако нуждаются в системе управления множеством зеркал. Линейные концентраторы удобны для равномерного нагрева протяженных приемников, но не обеспечивают такой же концентрации энергии в одной точке.

Не менее важны условия эксплуатации. Пыль ухудшает отражение и может нарушать работу механизмов, а длительная лунная ночь требует накопителей энергии или дополнительных источников питания. Наконец, изготовление зеркал и линз из местного сырья само по себе потребует промышленного оборудования, поэтому на первых этапах часть компонентов, вероятно, придётся доставлять с Земли.

Поэтому оптимальная система будет зависеть от того, что именно требуется лунной базе: высокотемпературная переработка реголита, производство электричества или передача солнечной энергии в затененные районы. Концентраторы будут особенно полезны там, где прямое использование тепла выгоднее его преобразования в электричество, а условия освещения позволяют обеспечить стабильную работу. Именно сочетание подходящей оптической схемы, накопления энергии и местного производства материалов определит, насколько оправданно их применение на Луне.