Utilizare
Cursuri: 0
Publicare RED: 0
Publicare articole în reviste: 480
Servicii AI: 0
Valorificarea energiei cosmice (II)
După evenimentele din 1989 și tendința de globalizare, au apărut noi posibilități pentru abordarea spațiului cosmic. Un exemplu de colaborare în domeniul spațial îl reprezintă proiectul Alpha, care a fost inițiat de administrația Clinton în 1993 prin colaborare cu Rusia, costurile fiind estimate în 1995 la 93,9 miliarde de dolari.
La cererea Rusiei, proiectul a fost redenumit Stația Spațială Internațională (International Space Station), fiind concepută să conțină 14 module presurizate, care reprezintă compartimente de acostare, sasuri, compartimente pentru echipaj, spații de înmagazinare, la care se adaugă componente pentru producerea curentului electric, montarea și întreținerea stației.
Primul element al SSI a fost modulul de comandă Zarea (ro. Zorile) , lansat pe orbită în 20 noiembrie 1981 de pe cosmodromul Baikonur, cu ajutorul unei rachete Proton.
Modulul american Unity (ro. Unitatea) conectează partea americană a stației de partea rusă prin intermediul Adaptorului de cuplare presurizat (en. Pressurized Mating Adapter).
SSI este plasată pe orbită la o altitudine care variază între 319, 6 km și 346,9 km, cele 9 module fiind aduse cu o navetă spațială, o rachetă Soiuz sau o rachetă Proton.
În prezent, la acest magnific proiect internațional participă cinci mari agenții spațiale, și anume: NASA (SUA), RKA (Rusia), ESA (asociație de state europene), JAXA (Japonia) și CSA( Canada). SSI a fost construită ca platformă de observație a Terrei și Cosmosului, dar și pentru studiul efectelor microgravitației și a menținerii vieții în spațiu.
Faptul că valoarea maximă a iluminării solare a scoarței terestre are o valoare maximă relativ redusă (100 W/m2), precum și o distribuție neuniformă în spațiu și timp, constituie un impediment pentru conversia radiației solare în energie electrică prin intermediul panourilor solare sau a altor mijloace tehnice și tehnologice. Radiația solară incidentă perpendicular pe unitatea de suprafață în unitatea de timp la limita superioară a atmosferei, cunoscută sub numele de constantă solară, are o valoare destul de ridicată, de aproximativ 1340 m2.
Încă din anul 2000 am înregistrat la OSIM cererea de brevet de invenție nr. 98-00802, denumită „Concentratori cosmici de radiație”, în care sunt propuse dispozitive amplasate pe orbite geostaționare pentru concentrarea radiației solare prin reflexie și refracție.
Concentratorii de tip oglindă se pot obține prin acoperirea cu straturi de argint a unor plăci de formă plană sau calotă sferică, iar concentratorii de tip lentilă se pot fabrica din diverse materiale transparente, precum: sticlă, policarbonat, acril, PVC etc. Ambele tipuri de concentratori sunt produse la dimensiuni mari în varianta modulară. Desigur, modulele sunt sunt realizate pe Pământ și transportate pe orbită unde sunt asamblate.
Având în vedere dificultățile de transport în spatiu a unor module rigide, se recomandă o nouă variantă constructivă pentru concentratorii cosmici, ca se bazează pe folii flexibile rezistente la condițiile fizice existente la altitudini mari.
În figura 4 este prezentată schema constructivă a unui concentrator cosmic de radiație prin reflexie, alcătuit din folii sau table (1) din material reflectător (ex. staniol, aluminiu argintat sau nichelat) dispuse pe tuburi flexibile (2), care sunt alimentate cu gaz sub presiune de la un rezervor (3), pentru a asigura forma geometrică prestabilită.
În figura 5 este prezentată schema constructivă a unui concentrator cosmic de radiație prin refracție, alcătuit din pereții transparenți și impermeabili (1 și 2), care delimitează compartimentele (3), umplute cu gaz incolor sub presiune de la rezervorul (4), pentru a asigura forma geometrică și indicele de refracție prestabilite. Pereții interiori 2 sunt prevăzuți cu supape care permit trecerea gazului într-un singur sens.
Orientarea optimă a concentratorilor de radiație față de Soare și Pământ se poate realiza cu diverse sisteme de automatizare, care nu au mai fost reprezentate în desene, fiind cunoscute la nivelul tehnicii actuale.
Conversia radiației solare în energie electrică se poate face cu panouri solare direct pe orbită, după care este transformată în fascicule de microunde transmise către receptori situați pe stații energetice terestre sau pe mijloace de transport rutier, naval sau aerian.
O altă soluție tehnică pentru conversia energiei solare se bazează pe mașinile termice, care pot deveni eficiente în spațiul cosmic, având în vedere diferența mare dintre temperaturile din fața și spatele unui obstacol orientat spre Soare . Într-adevăr, randamentul unui motor termic este limitat superior de randamentul ciclului Carnot, η = 1 – T2 /T1, unde T1 este temperatura absolută a sursei calde, iar T2 este temperatura absolută a sursei reci.
Sursele termice calde și reci sunt utile pentru producerea de lucru mecanic cu ajutorul unor mașini cu abur, turbine cu abur sau chiar a unor motoare termice de tip Wankel.
Motoarele termice pot fi utilizate pentru acționarea unor generatoare electrice, curentul continuu permițând stocarea energiei sub formă de hidrogen, combustibil nepoluant obținut prin electroliza apei.
În figura 6 se prezintă schema constructivă pentru o sursă caldă în spațiul cosmic, care este compusă în principal din captatorul (C) a radiației solare, rezervorul (R) cu fluid și placa (6) din sticlă sau alt material transparent, pentru crearea efectului de seră.
Rezervorul (R) se află în focarul captatorului (C), care este de forma unui paraboloid de rotație, fiind prevăzut cu două incinte vidate (4 și 5), delimitate prin pereții argintați (1, 2 și 3), pentru evitarea propagării căldurii prin conducție în spațiul cosmic.
Orientarea spre Soare a captatorului se realizează cu ajutorul unor sisteme de reglare automată, care nu au mai fost redate în figura 6, pentru simplificarea desenului.
Sursa cosmică rece poate avea o schemă constructivă similară, cu mențiunea că nu este necesară placa transparentă (6), iar captatorul este în sens opus față de Soare.
O altă posibilitate pentru obținerea energiei electrice în spațiul cosmic se bazează pe efectul Seebeck, prin utilizarea unor termoelemente ale căror puncte de sudură se află în contact termic cu sursele calde și reci. Energia electrică poate fi stocată în baterii de condensatoare de mare capacitate sau poate fi utilizată pentru producerea de hidrogen prin electroliza apei.
În perspectivă, mijloacele tehnice pentru conversia radiației solare, de studiu sau de procesare a substanțelor pot fi amplasate pe stații orbitale sau pe corpuri cerești, precum Luna, satelitul natural al Pământului.
Din cauza intensităţii reduse a câmpului gravitaţional propriu, Luna nu reţine moleculele de gaze şi vaporii de apă, atmosfera selenară fiind practic inexistentă. Lipsa atmosferei şi a precipitaţiilor, variaţiile mari de temperatură de la zi la noapte, sau între zonele luminate şi cele neluminate, vântul solar şi impactul meteoriţilor sunt principalele condiţii în care s-a format stratul superficial denumit regolit, materie constituită dintr-un amestec de praf şi fragmente de roci de diverse dimensiuni, care pot atinge valori de ordinul metrilor sau chiar mai mult.
Modificarea strălucirii discului selenar este posibilă, într-un viitor apropiat sau mai îndepărtat, prin acoperirea părţii vizibile a Lunii cu materiale reflectorizante având proprietăţi de reflexie mult mai bune decât cele ale solului lunar. Aceste materiale trebuie să reziste la presiuni extrem de mici, precum şi la o radiaţie solară intensă şi la variaţii de temperatură cuprinse aproximativ în intervalul -1600 ºC şi +1300 ºC, corespunzătoare trecerii de la noaptea la ziua selenară. Lipsa atmosferei şi a hidrosferei pe Lună prezintă şi aspecte benefice, având în vedere că nu există precipitaţii şi curenţi de aer sau apă care să provoace procese de degradare a materialelor utilizate pentru amenajarea reflectorizantă a discului selenar. Dacă la aceste condiţii se adaugă faptul că solicitările mecanice sunt datorate doar gravitaţiei selenare, de şase ori mai mică decât cea terestră, atunci se justifică afirmaţia că “urmele paşilor cosmonauţilor şi ale vehiculelor lunare folosite în deplasări se vor conserva cel puţin 50 000 de ani “ (Ştefan Airinei, Pământul ca planetă).
În prezent se cunosc diverse materiale ieftine şi cu proprietăţi reflectătoare bune, care pot rezista un timp îndelungat în condiţiile existente pe Lună, ca de exemplu aluminiul sau varul. Stratul reflectorizant se poate obţine prin acoperirea, pe arii din ce în ce mai mari, a părții vizible a Lunii cu table subţiri din aluminiu (nichelate sau argintate), precum şi prin împrăştierea prafului de var cu pulverizatoare centrifugale. Suprafaţa care trebuie acoperită fiind foarte mare, este necesar ca grosimea stratului reflectorizant să fie cât mai mic posibilă, pentru a reduce consumul de materiale. Dintr-un metru cub de aluminiu se pot obţine table de 0,1 mm grosime, care permit acoperirea unei suprafeţe de aproximativ 10 000 m2, iar o tonă de praf de var este suficientă pentru a acoperi suprafeţe de 10…20 de ori mai mari.
Pe baza unor studii riguroase de fezabilitate, corelate cu evoluţia tehnicii şi tehnologiei, se poate stabili dacă este avantajos ca materialele reflectorizante să fie aduse de pe Pământ cu ajutorul unor mijloace cosmice de transport (rachete, navete spaţiale) sau pot să fie extrase direct din rocile lunare şi prelucrate cu maşini şi instalaţii automatizate. Calciul, element care formează diverse combinaţii chimice, se găseşte în cantităţi însemnate, atât pe Pământ cât şi pe Lună, însă aluminiul trebuie să fie adus de pe Pământ în stare prelucrată- sub formă de pachete din table subţiri, bine ambalate, pentru a asigura siguranţa transportului.
Deşi aplicarea metodei este dificilă în condiţiile tehnicii actuale şi presupune uriaşe eforturi materiale şi financiare, avantajele sunt incomensurabile pentru evoluţia civilizaţiei pe Pământ, deoarece modificarea strălucirii discului selenar asigură pentru o perioadă îndelungată de timp, nu numai îmbunătăţirea iluminării nocturne a suprafeţei terestre la scară globală ci şi a climei şi dinamicii atmosferei, prin efectele benefice asupra bilanţului radiativ şi a distribuţiei gradienţilor termici şi de presiune.
Pe de altă parte, pe fața vizibilă a Lunii se pot amenaja suprafețe de mari dimensiuni (de ordinul miilor de hectare), care sunt acoperite cu un strat reflectorizant și au forma oglinzilor sferice, focarul acestora fiind situat pe orbitele unor stații spațiale sau la nivelul atmosferei terestre, cu scopul intensificării radiațiilor selenare și utilizării acestora pentru producerea de energie electrică. Această tehnologie este mai eficientă decât transmiterea energiei prin fascicule de microunde.
Necesitatea utilizării unor surse neconvenţionale de energie, regenerabile şi nepoluante, reprezintă o opţiune sigură pentru viitorul omenirii, în condiţiile dezvoltării şi integrării economice la nivel planetar, pentru a preveni situaţiile critice cauzate de epuizarea rezervelor disponibile de cărbune, petrol şi gaze naturale. Intensificarea radiaţiei selenare ar permite locuitorilor Terrei reducerea considerabilă a consumului de energie electrică pentru iluminatul public, iar plimbările îndrăgostiţilor sub clar de lună ar deveni mult mai romantice.
În perspectivă, satelitul natural al Pământului poate juca rolul de staţie intermediară, extrem de utilă în cucerirea spaţiului cosmic pentru aprovizionarea cu alimente şi combustibil. Realizarea unor habitate umane şi amenajarea suprafeţei Lunii, prin acoperirea unor zone cât mai extinse cu un strat reflectorizant, sunt deziderate pentru omenire care pot deveni realizabile prin participarea tuturor naţiunilor, precum şi a unor organisme şi organizaţii internaţionale. Desigur, în competiția marilor puteri pentru colonizarea Lunii sunt necesare reglementări internaționale stricte pentru valorificarea unor posibile resurse selenare, ca de exemplu metale rare sau chiar acumulări ale izotopului Heliu-3, sursă importantă de energie prin fuziune nucleară.
Bibliografie
1. Airinei Șt., Pămîntul ca planetă, Editura Albatros, București, 1982
2. Borșan D., Fizica atmosferei, Editura Universității din București, 1981
3. Ștefu N., Marin C. N., Fizica Pământului și a atmosferei, Editura Eurobit, Timișoara, 2008
4. Tudor V., La captation de l'énergie du champ électrique terrestre, Ad Astra, 2011
5. CBI nr. 98-00802, Concentratori cosmici de radiație, OSIM, 1998
6. CBI nr. a 2000 00135, Metodă pentru intensificarea radiației selenare, OSIM, 1998
Ministerul Educaţiei