5.1. Взгляд в историю познания Солнечной системы и начало использования солнечной энергии

На протяжении многих столетий лучшие умы человечества пытались изучить и понять жизнь и законы мироздания. С развитием научной мысли шло и познание Солнечной системы.

Возникновение первой модели мироздания – геоцентрической системы мира (IV–II столетие до новой эры) – связано с именами древнегреческих ученых Евдокса из Книда (408–355 до н.э.), Аристотеля, Гиппарха (190– 125 до н.э.). Завершающую форму геоцентрической теории мироздания во II столетии придал Птолемей Клавдий (около 90–168). Свою систему мира он изложил в книге «Альмагест».

Земля в геоцентрической системе мира (по-гречески «гео» – земля) считалась неподвижным центром мира. Вокруг Земли, согласно теории Птолемея, равномерно и непрерывно вращаются все небесные тела (рис. 5.1). Сложные движения планет он объяснял на основе теории эпициклов. Каждая из планет, по мнению Птолемея, обращается вокруг некоторой точки. Точка эта в свою очередь движется по окружности, в центре которой находится Земля.

Геоцентрическая система Птолемея согласовывалась с религиозным вероучением о центральном месте Земли во Вселенной, и поэтому церковь в течение многих веков препятствовала развитию иных научных представлений о строении мира. В систему Птолемея вносились небольшие дополнения, но основной её принцип оставался неизменным.

Лишь полторы тысячи лет спустя Николай Коперник (1473–1543) показал, что геоцентрическая система мира не отражает действительного устройства Вселенной. Правда, сомнения в справедливости этой системы возникали и раньше. Так, в III столетии до новой эры древнегреческий учёный Аристарх Самосский (320 – около 250 до н.э.) выдвинул идею о том, что Земля движется вокруг Солнца. Однако современники Аристарха не приняли его гипотезы. И только великий польский учёный Н. Коперник, использовав идею Аристарха Самосского, превратил его общую философскую догадку в строгую математическую теорию. В своём знаменитом сочинении «Об обращении небесных сфер» (1543) Н. Коперник изложил основы геоцентрической системы мира (рис. 5.2). Земля вращается вокруг своей оси за 24 часа. Этим вращением объясняется суточное движение звёзд и всех других небесных светил. Земля обращается вокруг Солнца и полный оборот совершает в течение года. Этим движением Земли объясняется годовое движение Солнца среди созвездий. Все планеты также обращаются вокруг Солнца, причём периоды обращения у различных планет разные. Таким образом, все видимые петлеобразные движения планет получили простое и естественное объяснение.

За Землёй признавалась лишь роль рядовой планеты, а не центра мироздания. В этом важное революционное значение коперниковой системы мира для всего развития естествознания.

В наше время гелиоцентрическая система Коперника служит для описания Солнечной системы, а Аристарха Самосского стали называть «Коперником стародревнего мира».

Учение Коперника сыграло огромную роль в последующем развитии естествознания. На основе его теории И. Кеплером (1571–1630) были открыты законы движения планет, И. Ньютоном (1643–1727) – закон всемирного тяготения. Гелиоцентрическая система послужила основанием для развития идеи множественности обитаемых миров, бесконечности самой Вселенной. Она показала возможность теоретико-экспериментального познания мира. Поэтому гелиоцентрическая система Коперника вошла в историю естествознания как великая научная революция.

В начале XIX века великий немецкий философ И. Кант (1724–1804) и крупнейший французский физик и математик П. Лаплас (1749–1827) выдвинули космогоническую гипотезу образования тел Солнечной системы в результате конденсации околосолнечного газово-пылевого облака. Трудами учёных О.Ю. Шмидта (1891–1956), Ф. Хойла, А. Камерона, Э. Шацмана и других эта гипотеза была развита и утвердилась во второй половине ХХ века.

Человечеству даровано жизнетворное благо солнечных лучей. Поэтому неудивительно, что отношение всех цивилизаций за всю историю человечества к этому фактору нашей окружающей среды было весьма почтительным. Свидетельства поклонения Солнцу и его богам находили по всему миру с незапамятных времён (см. раздел 1).

Солнечное излучение не только создаёт благоприятный климат для жизни человека, люди стали направлять его энергию себе на службу: для сушки шкур животных, из которых шили одежду, изготавливали мебель и сосуды; сушки пищи с целью длительного её хранения; получения соли из воды методом выпаривания.

Не так давно профессор Вильгельмина Ивановска, директор обсерватории в Торуни (Польша), опубликовала статью, где доказывала, что идея гелиоцентрической системы зародилась у Коперника ещё в 1491 году, т.е. в годы учения в Краковском университете. Позже, когда ему приходилось быть врачом, юристом, инженером и картографом, идея вращения планет всегда была для Коперника не только объектом серьезных раздумий, но и математических расчётов. Коперник вёл астрономические наблюдения и производил расчёты в течение сорока лет. И только потом изложил принципы своей теории и передал рукопись для печати. Труд «Об обращении небесных сфер» был издан, однако, с предисловием, искажавшим главную идею. Изменено было и название. Теперь даже неизвестно, какой заголовок дал сам Коперник своей замечательной книге, ибо титульный лист оригинала пропал бесследно.

Некоторое время труд Коперника свободно распространялся среди учёных. Только тогда, когда у великого польского астронома появились последователи, инквизиция спохватилась. Его учение было объявлено ересью, а книга внесена в индекс запрещённых книг. В «чёрном списке» она находилась ни много ни мало 217 лет!

Рис. 5.2. Старинное изображение системы мира по Копернику

Рис. 5.3. Солнечные часы в Полтаве

По мере того, как люди совершенствовали орудия труда, они изобретали новые способы использования солнечного излучения для других полезных целей. Так, еще в VI веке до новой эры в Вавилоне были изобретены солнечные часы. Несколько позже такие часы стали применяться в Греции, а затем и в Риме. Состояли они из циферблата и стержня. Тень от стержня, перемещаясь по циферблату вследствие движения Солнца по небу, показывала время.

Рис. 5.1. Старинное изображение системы мира по Птолемею

Известно, что в 212 г. до новой эры с помощью концентрированных солнечных лучей зажигали священный огонь у храмов. Точно так же, согласно легенде, выдающийся древнегреческий учёный Архимед при защите родных Сиракуз поджёг паруса кораблей римского флота.

Были изобретены навесы, сохраняющие солнечное тепло зимой и укрывающие от жары летом. Солнечные помещения и теплицы пристраивали к домам на протяжении тысяч лет для увеличения обогреваемой площади в доме и продления периода сельскохозяйственных работ. К VI веку солярии в домах получили такое распространение, что в Юстинианском кодексе это закреплено как правило.

Любопытное описание древнейших часов оставил испанский путешественник монах Вениамин из города Тудель. В XII веке он посетил Дамаск, бывший тогда столицей турецкого княжества. В городе находилась большая мечеть Гоман-Даммесек, имевшая высокую стену, в которой были сделаны 365 отверстий. Солнце, двигаясь по небосводу, попадало своими лучами каждый час в одно из отверстий, благодаря чему все могли узнавать точное время по 12 горизонтальным чёрточкам, нанесенным на пол около той же стены. По словам путешественника, подобные часы были изобретены арабскими учёными примерно за 400 лет до его посещения Малой Азии.

Английский философ Фрэнсис Бэкон (1561–1626), которого «Франция, Италия, Германия, Англия, Россия восприяли в учителя и следуют наставлениям оного», автор изречения («Knowledge is power»), ставшего названием известного научно-популярного журнала, выступая против Коперника, охарактеризовал его гелиоцентрическую систему как «спекуляции человека, который не заботится о том, какие фикции он вводит в природу, если только это соответствует его вычислениям».

Среди многих прогрессивных деяний Петра I было и разрешение изучать систему Коперника, запрещённую ранее церковью. Прекрасно понимая, что без правильных представлений об устройстве Вселенной нельзя развивать морское дело, царь одобрил в 1705 г. издание астрономических таблиц. В них впервые в России был опубликован гравированный портрет великого польского учёного. Подробно учение Коперника было изложено в учебнике географии в 1710 г., а в 1717 г. был издан перевод книги Христиана Гюйгенса «Коперникова система».

Иоганн Вольфганг Гёте (1749–1832) выразился: «среди всех открытий и высказанных взглядов не было, пожалуй, более важного и оказавшего сильнейшее влияние на человеческие умы, чем учение Коперника».

Исследуя земляной городок князя Дмитрия Вишневецкого (отождествляемого с Байдой – героем украинских народных песен) на Малой Хортице, археологи обнаружили казацкие солнечные часы, датируемые XVI веком. Такого типа устройство для измерения времени называлось гномоном. Во всём мире их известно лишь несколько. На Хортице первый раскопанный гномон, вероятно, был трофейным, скорее всего турецким, так как часы размечены и для наших широт, и для более южных. Второй найденный гномон предназначался только для наших широт. На них две шкалы: для зимного времени с 8 пометками, для летнего – с 16. Ночные часы, естественно, выпадали. Археологи считают, что часы изготовили из рога сами казаки.

Рис. 5.4. Леонардо да Винчи и фрагмент его записных книжек

Жители г. Полтавы своё уважение к главному небесному светилу материализовали в обновлении наидревнейшего приспособления для измерения времени – солнечных часов. Сделанные с учётом всех современных достижений науки и техники, полтавские солнечные часы (рис.5.3) отличаются изысканностью и завершенностью формы. А назначение памятника, кроме отсчёта времени, ещё и напоминание нам, что все мы – дети большого Космоса и доброго светлого Солнца.

Великий итальянский изобретатель и художник Леонардо да Винчи составил в 1515 г. один из первых планов применения энергии Солнца в промышленности (рис.5.4). В его записных книжках имеются рисунки нескольких проектов гигантского параболического зеркала, «чтобы снабжать теплом любую котельную на фабрике».

Первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды, был создан во Франции в 1600 г.

В конце XVIII века выдающийся французский химик А. Лавуазье (1743–1794) создал первую солнечную печь (рис.5.5), в которой достигалась температура в 1780 °С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины.

Швейцарский учёный Гораций де Соссюр получил признание за изобретённый им в 1767 г. первый в мире солнечный коллектор. Известный астроном Джон Гершел использовал его для приготовления пищи во время экспедиции в Южную Африку в 1830-х годах.

В США развитие солнечной энергетики началось после гражданской войны. Во время своего знаменитого продвижения на Запад американские первопроходцы оставляли воду в чёрных сосудах на весь день, и к вечеру у них была горячая вода для приготовления ужина. Первым американским учёным в области солнечной энергетики считается инженер Джон Эриксон. В 1833 г. в США он построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8 × 3,3 м (рис. 5.6).

В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и привода насосов.

Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.

На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было приготовить за 20 минут. Француз А. Пифф построил паровой двигатель мощностью 500 Вт с концентратором площадью около 10 м 2, который приводил в действие печатный станок в типографии, где издавалась газета «Ле Солей» («Солнце»).

Рис. 5.7 изображает эксперимент (газету «печатает» Солнце), проводившийся в садах Тюильри в Париже еще в 1882 г. Показанный на гравюре аппарат, который давал пар, приводивший в действие печатный станок, фактически является предком сегодняшних солнечных паровых котлов.

Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м 2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причём он был смонтирован на крыше пристройки к дому.

Английский изобретатель А.Г. Инеас построил в штате Аризона (США) большие солнечные концентраторы для производства водяного пара давлением 10 бар, использовавшегося для перекачки воды с расходом до 320 м 3 /ч. Концентратор параболической формы имел диаметр 10,2 м в верхней части и 4,5 м внизу, 1788 зеркал направляли лучи на котёл, расположенный в фокусе концентратора.

В 1890 г. профессор В.К. Цераский (1849– 1925) в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000°С.

На практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указывал основоположник «небесной» космической философии К.Э. Циолковский в 1912 г. во вто рой части своей книги «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Он писал: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле».

Рис. 5.5. Солнечная печь А. Лавуазье

В сознание человечества внесли колоссаль3 ный объём новых знаний и понятий основа3 тели космизма В.И. Вернадский, Р. Годдард (1882–1945), Ф.А. Цандер (1887–1933),

К.Э. Циолковский, А..Л. Чижевский (1897 – 1964), Р. Эно3Пельтри (1881–1957), Ю.В. Кондратюк (А.И. Шаргей). Это был прыжок, ко3 торый можно сравнить с коперниковским переворотом в мировоззрении.

Рис. 5.7. Предок современного солнечного парового котла

Рис. 5.6. Концентратор Эриксона

Родились три космические философии: «небесная» – К.Э. Циолковского, «планетная» – Ф.А. Цандера и «земная» – Ю.В. Кондратюка.

Независимо один от другого Ю.В. Кондратюк, Ф.А. Цандер, К.Э. Циолковский пришли к мысли о необходимости освоения и обживания околоземного пространства. В этом и состоит качественное отличие их космических философий от философий всех предыдущих и последующих поклонников космизма.

Наглядно, доступно и точно о философии трёх основателей космизма сказал исследователь жизни и деятельности Ю.В. Кондратюка (А.И. Шаргея), бывший инженер-конструктор НПО им. Лавочкина Б.И. Рома3 ненко: «Таким образом, «планетная» космическая философия Цандера мертва, «небесная» же Циолковского преждевременна, а «земной» Кондратюка следует дать «зелёную улицу».

Если проанализировать космическую деятельность мирового сообщества, то можно сделать вывод, что всё идёт не только по философским определениям нашего соотечественника Ю.В. Кондратюка, но и в соответствии с научно-техническими средствами реализации этих целей. И никак не по Цандеру, и только отдаленно приближается к Циолковскому».

Ю.В. Кондратюк (А.И. Шаргей) ещё в начале XX века, решая технические вопросы создания ракетно-космической техники, основной её целью видел практическое использование солнечной энергии для нужд земной цивилизации. В книге «Завоевание межпланетных пространств» он так сформулировал свою мысль:

«Несомненная возможность для человечества овладеть ресурсами, с помощью которых можно будет самым коренным образом улучшить условия существования на земной поверхности, – проводить мелиорацию её в грандиозных размерах, осуществляя в недалёком будущем предприятия и такого порядка, как, например, изменение климата целых континентов.

Я говорю, конечно, не о чём ином, как об утилизации неисчерпаемых запасов энергии солнечного света, которая так затруднительна в условиях земной поверхности, делающих её менее рентабельной, чем эксплуатация топлива, воды и ветра, и которая, наоборот, будет неизмеримо рентабельнее в пространствах, где отсутствуют атмосфера и кажущаяся тяжесть. Именно в возможности в ближайшем же будущем начать по-настоящему хозяйничать на нашей планете и следует видеть основное огромное значение для нас в завоевании пространств Солнечной системы».

Опережающие своё время проекты, прозорливость, смелые и неординарные решения позволяют назвать Ю.В. Кондратюка (А.И. Шаргея) одним из талантливейших учёных, обогативших сокровищницу мировой науки. Но только полёты «Аполлонов» к Луне, их освещение в американской прессе заставили отечественную печать уделить внимание почти забытому учёному.

Ю.В. Кондратюк предложил использовать солнечную энергию с помощью огромных лёгких зеркал (рис. 5.8), которые следует разворачивать около «снаряда» (ракеты). Сконцентрированная с помощью таких зеркал неисчерпаемая энергия Солнца, по мысли автора, могла бы разлагать обыкновенную воду на водород и кислород (горючее и окислитель для ракетного двигателя), использоваться для нужд «снаряда» и даже Земли.

Вот перспективы использования зеркал, изложенные Ю.В. Кондратюком в книге «Тем, кто будет читать, чтобы строить»:

«Допустим, мы умеем выделывать дешевые и легкие складные зеркала (плоские)! Сделаем зеркала большой величины и в огромном количестве (я не думаю, чтобы десятина зеркала весила более нескольких десятков пудов). Препроводим их на ракетах и приведём их в такое состояние, чтобы они стали земными спутниками. Развернём их там. Соединим в ещё большие общими рамами (показаны здесь на рис. 5.9). Станем управлять ими (поворачивать) каким-либо образом, например, поставим в узлах их рам небольшие реактивные приборы, которыми будем управлять посредством электричества из центральной камеры.

Если эти зеркала будут исчисляться десятинами, то можно взять подряд на освещение столиц. Но, если привлечь к этому огромные средства, если наделать зеркал в огромных количествах и пустить их вокруг Земли так, чтобы они всегда (почти) были доступны солнечному свету, то можно ими согревать части земной поверхности, можно обогреть полюса тундры и тайги и сделать их плодородными. Может быть даже, пользуясь огромными количествами доставляемого ими тепла и энергии, можно было бы приспособить для жизни человека какую-нибудь другую планету, удалить с неё вредные элементы, насадить нужные, согреть. Теми же зеркалами, употреблёнными как заслонками, можно было бы и охладить что угодно, заслоняя от него Солнце. Наконец, сконцентрировав на каком-нибудь участке Земли солнечный свет с площади в несколько раз большей, можно этот участок испепелить. Вообще же с такими огромными количествами энергии, которые могут дать зеркала, можно приводить в исполнение самые смелые фантазии. Именно же для полётов они могут иметь ещё такое значение, что, направив в снаряд широкий сноп концентрированного света, мы будет сообщать ему большее количество энергии, чем он мог бы получить от Солнца. Так же мы можем и сигнализировать в Солнечной системе.

(Зеркала же можно употребить и как рефлекторы для волн станции беспроволочного телеграфа для направления их куда нужно)».

М. К. Тихонравов (1900–1974) – советский конструктор в области ракетно-космической техники, руководитель разработки советской ракеты с ЖРД (1933), участник создания первых советских искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических межпланетных станций – в творческом наследии оставил размышления об использовании солнечной энергии как дополнительного источника энергии для межпланетных полётов.

В своей работе «Пути использования лучистой энергии для космического полёта» (1936) он предложил лучистую энергию космического пространства трансформировать с помощью фотоэлементов в электрическую, которая затем превращается в тепловую путём нагрева газа в камере ракеты. Газ под давлением, выбрасываясь из камеры через сопло, создаёт необходимую для движения ракеты силу тяги.

Рис. 5.8. Сворачивающаяся рама для зеркал: а – в развёрнутом; б – в свернутом виде

Рис. 5.9. Общий вид рамы

Данная проблема уже решена: солнечные батареи стали неотъемлемым источником энергии современных космических аппаратов. Впервые солнечные батареи были установлены на третьем искуственном спутнике Земли. В упомянутой выше работе Тихонравов провёл подробный теоретический анализ возможности получения электрического тока при действии солнечных лучей на фотоэлемент. Занимался он этой проблемой и в начале 50-х годов, когда с группой сотрудников провёл работу по практическому получению электроэнергии от кремниевых элементов. Но как поведут себя полупроводниковые элементы в открытом космосе? На этот вопрос должен был ответить третий спутник.

Третий спутник был запущен 15 мая 1958 года. Только вес научной аппаратуры с источниками питания составлял 968 килограммов.

Наиболее рациональным способом превращения электрической энергии в кинетическую энергию выбрасываемого вещества Михаил Клавдиевич считал разложение молекулы водорода на атомы с помощью вольтовой дуги. Полученный таким образом атомарный водород чрезвычайно нестоек и, выходя из поля действия вольтовой дуги, вновь рекомбинирует в молекулы водорода с выделением того тепла, которое было сообщено ему при разложении. Идеальная скорость истечения при этом получается равной 20 540 м/с. Это гораздо больше, чем при горении водорода в кислороде, соединении фтора с бором, реакции водорода с озоном, а эти реакции считаются наиболее активными сегодня.

Тихонравов делает вывод, что для межпланетных полётов необходимо также базироваться на постороннем источнике энергии, каковым является радиация Солнца и космическая. «Первой, без сомнения, приходится поставить проблему фотоэлемента, позволяющего нам использовать энергию солнечной и космической радиации», – заключает Михаил Клавдиевич.

Он находился на орбите в течение 692 суток и прекратил свое существование 6 апреля 1960 года. За время полета этой космической лаборатории были получены уникальные научные данные о составе верхней атмосферы и космических излучениях. С честью выдержали экзамен и солнечные батареи: на их электроэнергии передатчики спутника проработали 12,5 тысяч часов.

Двигатель, предложенный Тихонравовым, основывается на частичном использовании внешних ресурсов – лучистой энергии космического пространства. Водород предполагается брать на борт с Земли. Но ведь межпланетная и межзвездная среда состоит в основном из водорода, хоть и в крайне разреженном состоянии. Возможно, в будущем межпланетные и звездные корабли воспользуются им как топливом. Представим мчащийся с большой скоростью звездный корабль. В его массозаборник диаметром несколько десятков метров с помощью специальной ловушки «засасывается» водород, а лучистая энергия космической среды превращает его в активное топливо. Получается прямоточный водородно-реактивный двигатель, работающий на ресурсах космического пространства. Именно о таких поистине захватывающих перспективах космонавтики мечтали её пионеры, среди которых был и Михаил Клавдиевич Тихонравов.

Один килограмм кремния в фотоэлектрической станции за 30 лет вырабатывает электрическую энергию, для производства которой на тепловой электростанции требуется 75 т нефти. Именно поэтому кремний называют нефтью XXI века!