Поисково-исследовательская работа по Физике «Новые источники энергии (солнечный ветер)»

Министерство общего и профессионального образования Ростовской области Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Ростовской области «Белокалитвинский многопрофильный техникум»

Поисково-исследовательская работа

«Новые источники энергии (солнечный ветер)»

Автор работы: обучающийся ГБПОУ РО «БКМТ» гр.173

Бочаров Андрей Владимирович

Руководитель работы: преподаватель ГБПОУ РО «БКМТ»

Самойленко анна Альбертовна

Цель работы:

• Провести научно-исследовательские изыскания существования энергии солнечного ветра в условиях ближнего космоса;
• Проанализировать существующие методы использования энергии солнечного ветра;
• Изучить возможность использования энергии солнечного ветра в условиях космических полётов.

Новые источники энергии– солнечный ветер

• 1. Понятие солнечного ветра и его характеристики
• Как показывают наблюдения, выполненные на борту спутников Земли и других космических аппаратов, межпланетное пространство заполнено чрезвычайно активной средой - плазмой солнечного ветра.
• Солнечный ветер – это горячий и быстрый поток намагниченного газа, распространяющийся от Солнца в верхних слоях атмосферы. Он состоит из ионов водорода, гелия и более тяжелых элементов. Исследователи сравнивают его с паром от кастрюли. Где кипящая с водой кастрюля - это Солнце, а отходящий пар - это солнечный ветер. Но солнечный ветер ведет себя не так как пар. Когда пар поднимается из кастрюли, он тормозится и остывает. Когда солнечный ветер отделяется от Солнца, он продолжает ускоряться. Кроме того, температура ветра продолжает расти, даже в холодном космосе.

• Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Поток заряженных частиц, исходящий из верхних слоев атмосферы Солнца в основном состоит из электронов и протонов с энергиями в диапазоне от 1.5 до 10 кЭв. Температура и скорость потока изменяется во времени, но в любом случае они велики, так как для того, чтобы преодолеть силу притяжения Солнца частицы должны иметь большую кинетическую энергию. Это условие выполнено в горячей короне Солнца.
• Солнечный ветер разделяют на два компонента — медленный солнечный ветер и быстрый солнечный ветер. Медленный солнечный ветер имеет скорость около 400 км/с и температуру 1,4—1,6·10 6 К и по составу близко соответствует короне. Быстрый солнечный ветер имеет скорость около 750 км/с, температуру 8·10 5 К, и по составу похож на вещество фотосферы. Медленный солнечный ветер вдвое более плотный и менее постоянный, чем быстрый. Медленный солнечный ветер имеет более сложную структуру с регионами турбулентности .

• Солнечный ветер создает гелиосферу, область пространства, окружающую Солнечную систему, определяет структуру и величину межпланетного магнитного поля, силовые линии которого вытянуты вдоль линий тока солнечного ветра и имеют форму спирали Архимеда, закручиваемой вращением Солнца. Это магнитное поле влияет на распределение интенсивности галактических космических лучей в Солнечной системе, препятствуя их проникновению в ее внутренние области.
• Солнечный ветер является причиной геомагнитных штормов , северных сияний и хвостов комет, которые всегда направлены от Солнца.

• 2. Солнечный ветер - замена всех остальных видов энергии
• Испускаемый нашим Солнцем поток заряженных частиц, солнечный ветер , можно использовать как источник энергии. Коллективом исследователей Вашингтонского университета под руководством Брукса Харропа была предложена концепция использования энергии солнечного ветра – спутники Дайсона-Харропа.
• Они представляют собой довольно простые электростанции, собирающие электроны из солнечного ветра. На длинный металлический стержень, направленный на Солнце, подается напряжение для генерации магнитного поля, которое будет притягивать электроны. На другом конце располагается приемник-ловушка электронов, состоящая из паруса и приемника. По расчетам Харропа, спутник с 300-метровым стержнем, толщиной 1 см и 10-метровой ловушкой, на орбите Земли сможет «собирать» до 1,7 МВт. Этого достаточно для обеспечения энергией примерно 1000 частных домов. Тот же спутник, но уже с километровым стержнем и парусом в 8400 километров сможет «собирать» уже 1 миллиард миллиардов гигаватт энергии (1027 Вт).

• Остается только передать эту энергию на Землю. Команда Харропа предлагает передавать энергию с помощью лазерного луча. Однако, если конструкция самого спутника довольно проста и вполне реализуема на современном уровне технологий, то создание лазерного «кабеля» пока технически невозможно. Дело в том, что для эффективного сбора солнечного ветра спутник Дайсона-Харропа должен находится в миллионах километров от Земли. На таком расстоянии луч лазера будет давать пятно, диаметром в тысячи километров. Адекватная же фокусирующая система потребует объектив от 10 до 100 метров в диаметре. Кроме этого, нельзя исключать многие опасности от возможных сбоев системы. С другой стороны, энергия требуется и в самом космосе, и небольшие спутники Дайсона-Харропа вполне могут стать ее основным источником, заменив солнечные батареи и ядерные реакторы.

• 3. Новые источники энергии в условиях космических полетов
• 3.1 Солнечные парусники
• Со́лнечный па́рус (также называемый световым парусом или фотонным парусом) — приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата .
• Следует различать понятия «солнечный свет » (поток фотонов , именно он используется солнечным парусом) и « солнечный ветер » (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе — другой разновидности космического паруса).
• Идея полетов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в 1920-е годы в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру , исходившему из того, что частицы солнечного света — фотоны — имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление . Величину давления солнечного света впервые измерил русский физик Пётр Лебедев в 1900 году .

• Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите — около 5·10−6 Н/м 2 ) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца . Однако солнечный парус совсем не требует ракетного топлива , и может действовать в течение почти неограниченного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя .
• Солнечный парус — самый перспективный и реалистичный на сегодня вариант звездолёта .
• Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволит увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении.
• Недостатком солнечного парусника является тот факт, что за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида. Данный проект ставит проблему точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности. Уже сейчас можно построить межзвёздный зонд, использующий давление солнечного ветра.

• 3.1.1 Космический парусник IKAROS
• 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA , на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры. IKAROS оснащён тончайшей мембраной размером 14 на 14 метров . С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов, отмечает агентство. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 200 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.
• Солнечный парус создает усилие в миллионные доли ньютона, но с учетом постоянного действия, спустя некоторое время он придаст аппарату огромную скорость. «Это единственный возможный на сегодня способ реализовать дальний межзвездный перелет, так как в таком случае отпадает необходимость брать с собой топливо, - комментирует запуск IKAROS исполнительный директор Планетарного общества (The Planetary Society) Льюис Фридман (Louis Friedman), - В случае использования любого другого двигателя – реактивного или ионного, приходится тащить с собой рабочее тело и топливо, и масса аппарата становится неподъемной».

• Для обеспечения собственных нужд аппарата электроэнергией, инженеры разместили на плоскости паруса солнечные батареи, кроме того, в парус встроены различные датчики, отслеживающие текущее состояние аппарата и его систем.
• Ученые поймали сигнал от японского космического парусника IKAROS 17:17 13.09.2012. Японскому аэрокосмическому агентству (JAXA) удалось зафиксировать два сигнала экспериментального космического парусника.
• В зависимости от расстояния от Солнца и угла поворота, IKAROS замедляет выработку энергии. Это состояние называется "спячкой".
• Задача-максимум состояла в том, чтобы научить парусник регулировать скорость и направление в зависимости от солнечного излучения. IKAROS успешно выполнил обе эти задачи, достиг полного успеха. В дальнейшем японские ученые рассчитывают отправить другой, более "мощный" солнечный парусник к Юпитеру.

• 3.1.2. Солнечный парусный корабль «Знамя-3»
• Программа космических экспериментов «Знамя» — серия экспериментов по работе с космическими зеркалами , то есть специальными отражателями, которые отражают солнечный свет и освещают земную поверхность. Всего было два эксперимента — успешный «Знамя 2», не успешный «Знамя 2,5» и планируемый «Знамя 3». Проект «Знамя» был прекращен после неудачи «Знамя 2,5». В феврале 1993 года на околоземной орбите был проведен комический эксперимент «Знамя-2». В ходе этого эксперимента в космосе был впервые развернут солнечный парус, и впервые было произведено искусственное освещение Земли отраженным солнечным светом. Парус был развернут на борту грузового корабля «Прогресс М-15» силами российских космонавтов, работавших на станции «Мир». Следующим стал «Знамя-2,5», который состоялся 4 февраля 1999 года. На грузовой корабль «Прогресс М-40» был установлен парус диаметром 25 метров. В ходе эксперимента должна была быть опробована новая система управления кораблем. Но, из-за программной ошибки, не была отдана команда блокировки раскрытия отражателя, в результате чего полотно зацепилось за одну из антенн корабля. Эксперимент был сорван.
• В дальнейшем планировался эксперимент «Знамя-3». Корабль «Прогресс» должен быть оснащен отражателем диаметром 60-70 метров, желательно цельной конструкции (не разделенной на сектора). Этот проект потребовал бы существенной модернизации корабля «Прогресс». Также планировалось усовершенствовать систему ориентации, чтобы снизить затраты топлива на маневрирование. Эксперимент планировался на 2008 год, уже в рамках научной программы МКС, но так и не был выполнен.

3.1.3 Солнечный парус НАСА

• 7 июня 2015 в 22:51 со второй попытки удалось раскрыть солнечный парус экспериментального спутника Lightsail. Спутник был запущен 20 мая с 10 другими спутниками cubesat и должен был раскрыть парус во второй половине июня. Но спустя неделю спутник из-за программной ошибки завис дистанционно, осуществить перезагрузку не удалось и спустя 8 дней он перезапустился сам. Было принято решение развернуть солнечную батарею раньше намеченного срока. Были открыты солнечные панели. Но 5 июня спутник снова пропал, последняя телеметрия показывала, что у спутника не заряжаются батареи. Одна из версий это объясняла орбитой в тени Земли, что не позволило аккумуляторам зарядиться. Группа управления пыталась несколько раз перезагрузить спутник, и 6 июня спутник выполнил команду. Заряд аккумуляторов не позволял включить мотор для развертывания паруса, не было ясно исправны ли аккумуляторы. Через несколько часов телеметрия показала, что аккумуляторы зарядились, все системы исправны. Раскрытие паруса было запланировано на 21 час по Москве 7 июня.
• В запланированное время была послана команда на включение мотора. Но телеметрия показала — мотор не отработал. Следующий пролет спутника был примерно через час, но ситуация была сложнее т.к. спутник был виден низко над горизонтом, что ослабляло радиосигнал и уменьшало шансы на успешный радиоконтакт. Это была последняя попытка на следующие 8-9 часов. После этого витка начинались слепые витки, когда спутник не находится в зоне приема двух наземных станций. Но повезло — телеметрия показала работу мотора
• .

• 3.2 Электрический парусник
• Солнечный ветер в космосе, а именно за пределами земной магнитосферы неисчерпаемый источник энергии. И первые опыты его использования уже демонстрируют космические парусники. Пекка Янхунен с командой исследователей из Финского метеорологического института предложил идею электрического паруса, когда вместо тонкой пленки используется электрическое поле .
• Электрический парус представляет собой веер из сотни тонких (25 мкм) стальных тросов длиной 10 и более километров, на которые подается напряжение (20 кВ). Вокруг каждого троса образуется электрическое поле, которое и выполняет роль паруса, улавливающего заряженные частицы солнечного ветра.
• Тяга электрического паруса в 5000 раз меньше традиционного солнечного, изготовленного из пленки. Однако у него есть целый ряд преимуществ. Тонкий металлический трос устойчив к метеоритному воздействию, а 20-километровый кусок весит несколько грамм и сматывается на миниатюрную катушку. В то же время, при развертывании, система тросов дает парус с эффективной площадью в несколько квадратных километров. Тяга такого паруса на орбите Земли составит всего 10 милиньютонов, а ускорение зонда весом в тонну будет в районе 1 мм/с2. Однако спустя год такой аппарат разгонится до вполне космических 30 км/с, а путь до Плутона может занять всего пять лет.

• Концепция электрического паруса была предложена несколько лет назад, но лишь недавно исследователи смогли провести расчеты, обосновывающие реальность и практическую реализуемость проекта. Тяга электрического паруса в 5000 раз меньше солнечного, изготовленного из пленки. Однако у него есть целый ряд преимуществ. Тонкий металлический трос устойчив к метеоритному воздействию, а 20 километровый кусок весит несколько грамм и сматывается на миниатюрную катушку. При развертывании, система тросов дает парус с эффективной площадью в несколько квадратных километров. Тяга такого паруса на орбите Земли составит всего 10 мн, а ускорение зонда весом в тонну будет около 1 мм/с 2 . Однако спустя год, такой аппарат разгонится до вполне космических 30 км/с, а путь до Плутона может занять всего пять лет.
• Российский миллиардер Юрий Мильнер совместно с физиком Стивеном Хокингом объявили об инвестициях на сумму в 100 миллионов долларов в новый проект, основной целью которого является исследование Альфы Центавра — ближайшей к нам звездной системы. Новый проект получил название Breakthrough Starshot, и одной из его ключевых задач является развитие технологий, необходимых для создания компактных космических кораблей на солнечной энергии, способных добраться до Альфы Центавра всего за 20 лет.

• Ширина паруса Starshot будет составлять всего несколько метров. При этом толщина паруса будет всего в несколько сотен атомов. Благодаря этому парусник будет очень легким, но достаточно «тяговитым», чтобы тащить за собой еще более компактный космический аппарат «StarChips». Частью задачи проекта является поиск возможностей сделать эти StarChips очень компактными, но при этом способными везти на борту камеры, сенсоры, источники питания, коммуникационное и навигационное оборудование, а также фотонные ускорители для маневрирования. По мнению Мильнера, справиться с этой задачей помогут нанотехнологии.
• Альфа Центавра находится от нас на расстоянии — более 4 световых лет (или около 41,2 триллиона километров). Будущему космическому аппарату Starshot придется двигаться со скоростью более 216 миллионов километров в час, чтобы добраться до нужного пункта назначения через 20 лет.
• С огромными сложностями придется столкнуться при разработке солнечных парусов и собственно самого аппарата, который будет находиться позади этих парусов. Вероятнее всего, это будет самый амбициозный среди существующих космический проект. Например, чтобы запустить с Земли эти крошечные «нанокосмические корабли», придется построить еще один космический аппарат. Отправить его на высокорасположенную орбиту и уже оттуда осуществлять запуск. Кроме того, необходимо разработать и построить установку фокусированных лазерных лучей. Строить ее, скорее всего, придется в одной из самых сухих и самых высоких точек на Земле.
• Солнечная энергия - наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожалуй, наименее используемый человеком источник энергии. В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Выводы:

• Проведя анализ полученных данных учёные всего мира пришли к выводу о существовании энергии солнечного ветра в условиях ближнего космоса;
• Проанализировали существующие методы использования энергии солнечного ветра;
• Изучили возможность использования энергии солнечного ветра в условиях космических полётов.

• 4. Список использованных источников информации:
• Хундхаузен А. Расширение короны и солнечный ветер. М.: Мир, 1996. 302 с.
• Гибсон Э. Спокойное Солнце. М.: Мир, 1997. 408 с.
• Паркер Е.Н. Динамические процессы в межпланетной среде. М.: Мир, 1975. 362 с.
• Коваленко В.А. Солнечный ветер. М.: Наука, 1983. 272 с.
• Пудовкин М.И., Семенов В.С. Теория пересоединения и взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли. М.: Наука, 1985. 126 с.
• Солнечный ветер как возобновляемый источник энергии Публикация СОЖ, №12, с.87- 1996
• newscientist.com
• http :// www .3 dnews . ru / news / solnechniy - veter - mozhet - stat - zamenoy - vseh - ostalnih - vidov - energii
• Поляхова Е. Н. «Космический полёт солнечным парусом: проблемы и перспективы», М., Изд. «Наука», Глав. ред. физ-мат. литературы, 1986 г. 304.
• http://www.spaceregatta.ru/ru/projects/sunlightsailreflectors