Неделя нанотехнологий. Материал для проведения урока. Фотография урока "Космическое путешествие"
материал по физике (10 класс)

Биосферные поселения с автономными системами жизнеобеспечения.

Бритвин Л.Н.

    

    В данной статье предлагается рассмотреть возможности, которые для населения нашей Планеты дает создание биосферных поселений с автономными системами жизнеообеспечения, по своей идеологии частично приближающихся к современным системам жизнеобеспечения космических станций, разрабатываемых, например, для полета на Марс или проживания на Луне.



    Биосферные поселения (БП) или, что лучше, автономные биосферные поселения (АБП), располагаемые на поверхности Земли, должны обладать следующими базовыми свойствами:

1. Архитектурное решение, место расположения поселения на природном ландшафте, оформление жилых и производственных помещений, зон отдыха должно на полевом уровне благоприятно воздействовать на психофизическое состояние человека, содействовать единению человека с природой, окружающим пространством, сплочению поселенцев в коллективное сообщество творческих духовных личностей;

2. Обладать структурой, создающей социальную защищенность населения, взаимопомощь, общение по интересам, обучение необходимым профессиям, занятие различными видами спорта, доступ к необходимой информации, достижениям культуры и искусства;

3. Снабжаться системами поддержания благотворного для человека микроклимата и регенерационными установками для создания условий проживания в жилых помещениях и зонах общего пользования, наиболее комфортных и независимых от внешних факторов окружающей поселение среды. Иметь системы предотвращения от внешнего несанкционированного вторжения;



4. Иметь автономные децентрализованные системы электро-тепло- и горячего водоснабжения объектов социальной и производственной сферы на основе новых энергоэффективных технологий использования и преобразования природных возобновляемых источников энергии с системами резервирования, работающими на традиционных видах топлива при минимальном загрязнении окружающего пространства;

5. Система жизнеобеспечения АБП должна иметь источник чистой биологически активной и полезной воды, обеспечить экологическую чистоту как внутренней среды поселения, так и окружающего поселение пространства, утилизацию отходов жизнедеятельности с преобразованием их в тепловую энергию или/и в биоудобрения (для биосферных поселений сельского типа, где желательно создание теплично-парникового хозяйства для выращивания экологически чистых продуктов питания в объеме достаточном для проживающего в АБП населения);

6. В зоне функционирования БП должна обеспечиваться трудовая занятость на высокотехнологичных научно-производственных и др. объектах, комфортные условия проживания (по городскому цивилизованному типу), высокоэффективная связь с внешним миром (интернет, телевидение, и др.), а также транспортная связь между соседними аналогичными поселениями желательно с использованием экологически чистого транспорта;

7. Должно осуществляться необходимое и легко доступное высокопрофессиональное медицинское обслуживание с применением современных методов диагностики, предупреждения заболеваний, оздоровления и лечения;

8. БП или АБП должны обеспечивать: минимизацию потерь тепловой энергии (для северных районов) или затрат энергии на кондиционирование (для южных районов), минимизацию потерь времени на перемещение населения между местами проживания, работы и зонами отдыха, а строительство АБП должно выполняться на промышленной основе (при минимальной себестоимости) с возможностью обеспечения коллективного общения и «индивидуального» стиля проживания в зависимости от культурных и др. потребностей.



    Создание АБП при одновременном решении экологической, энергетической, транспортной и продовольственной (для северных районов) проблем возможно на современном уровне техники за счет применения существующих энергогенерирующих, теплоаккумулирующих и энергосберегающих технологий, в рамках комплекса - децентрализованная автономная система жизнеобеспечения (АСЖ), которая ориентирована на использование как традиционных, так и альтернативных источников энергии.

    Важно, что биосферные поселения на базе АСЖ могут функционировать на удалении от центральных систем энергообеспечения как электрической энергией, так и топливом для функционирования системы ЖКХ, промышленности и транспорта (АСЖ позволяет осуществлять транспортную связь между биосферными поселениями без использования традиционных видов топлива за счет использования транспортных машин с теплоаккумулирующей или водородной силовой установкой).

    Инженерный комплекс АСЖ состоит из базового теплоаккумулирующего блока из двух тепловых аккумуляторов выскотемпературного (ВТА) и низкотемпературного (НТА), по теплу соответственно сообщенных с парогенератором и конденсатором объемной паросиловой установкой (преобразующей тепловую энергии ВТА в электроэнергию синхронной частоты и напряжения) и подключаемых к нему альтернативных источников энергии. В патенте РФ 2352866 разработана система комбинированного энергообеспечения автономного здания с трехуровневым по температуре тепловым аккумулятором, позволяющим наиболее полно использовать альтернативные виды энергии.



    АСЖ позволяют использовать все виды как альтернативных, так и традиционных типов: солнечное излучение, ветровую энергию, внешнее атмосферное и внутреннее (выделяемое под куполом АБП) тепло - посредством тепловых насосов, использовать электролиз для зарядки водородных аккумуляторов, наиболее эффективно расходовать запасы традиционного топлива нефти, мазута, керосина, природного газа, биогаза, угля, торфа, отходы жизнедеятельности и т.п.), поскольку энергетический цикл АСЖ замыкается на паросиловом цикле Ренкина, реализуемом в виде традиционной паросиловой установки, или других комбинированных циклах внешнего нагревания, практически не дающих загрязнения окружающей среды.

    При использовании тепловых аккумуляторов или, например, водородных, возможно накопление энергии в любых требуемых количествах от ветровых, фотоэлектрических, солнечных, теплонансосных и других альтернативных источников при практически любой неравномерности потока поступающей от них энергии и без каких-либо технически сложных преобразований получаемой энергии. В результате технически наиболее просто и надежно жилые и промышленные комплексы обеспечиваются электроэнергией со стандартной частотой и напряжением, теплом для обогрева помещений, теплиц и производственных объектов, а также - энергоснабжение специализированных транспортных средств, необходимых для обеспечения жизнедеятельности жилых комплексов и транспортного сообщения между ними. Важно, что применение объемных и комбинированных паросиловых установок (двигателей) в диапазоне требуемых мощностей позволяет применять по существу одну и туже конструкцию двигателя как для электроснабжения АСЖ, так и в качестве механического привода любых мобильных машин и производственных механизмов. При использовании тепловых аккумуляторов (ТА) на мобильных машинах процесс их «зарядки» может осуществляться от всех известных источников энергии (теплообменные контура ТЭЦ, АЭС, электросеть, электрогенераторы ветроустановок, солнечные батареи, высокотемпературные аккумуляторы АСЖ, топливные горелки). Для мобильных машин применение объемных паровых двигателей позволяет получать наиболее выгодные моментные и регулировочные характеристики, осуществлять наиболее полный отбор тепла от ВТА и при его разрядке осуществлять движение, сжигая в горелке парогенератора практически любое топливо при атмосферном давлении и минимальной токсичности выбросов.

    Цикл Ренкина и разработанные автором еще 1983 г. его модификации с энтропийным процессом парогенерирования обеспечивают возможность высокоэффективного получения электрической энергии и движения транспорта даже при низких остаточных температурах в ВТА, что существенно повышает эффективную энергоемкость ВТА и позволяет применять простейшие и безопасные в эксплуатации их типы, не требующие применения рабочего тела с фазовыми переходами при изменении рабочей температуры. Биосферные поселения с автономными системами жизнеобеспечения, см., например, патенты РФ 2215244 и 2233387, рационально осуществлять в виде замкнутого сельского поселения по городскому типу, в которых ТА могут строится на основе легко доступных для широкого использования, долговечных и дешевых материалов таких как: вода, речной песок, огнеупорный кирпич и т.п.

    В такой АСЖ реализуется следующая последовательность преобразования энергии. Энергия ветра и/или светового потока преобразуется в электрическую энергию, причем любого напряжения и частоты, что позволяет наиболее полно использовать энергию ветрового потока особенно при низких скоростях ветра (этот фактор наиболее важен для центральных районов России, где средняя скорость ветра составляет 3-5 м/сек). Посредством, например, набора резисторных электронагревателей различного сопротивления всегда возможен разогрев до высокой температуры воздуха, циркулирующего в теплообменном контуре ВТА, который по теплу сообщен с парогенератором регулируемого парового двигателя, приводящего синхронные электрогенераторы на 220/380в, циркуляционные насосы и газодувки. Теплота конденсации пара передается через парожидкостной конденсатор в низкотемпературный теплоаккумулятор, который служит источником тепла для систем отопления и горячего водоснабжения зданий, а также отопления теплиц и оранжерей, производящих необходимые продукты питания. Например, для жилого комплекса в 6000м2 со среднесуточным потреблением энергии в 3000 квт-час требуется установка двух паровых двигателей по 50 кВт максимальной мощности. Круглосуточное энергоснабжение в достаточной мере может обеспечиваться ветроэлектроагрегатами средней суммарной мощности около 120 кВт, осуществляющими зарядку высокотемпературного теплооаккумулятора. При семисуточном запасе энергии в ВТА и НТА (достаточном для обеспечения жителей теплом, горячей водой и электроэнергией при отсутствии внешнего подвода тепла) высокотемпературный теплоаккумулятор на базе магнезитового кирпича (с заполнением рабочего пространства в 50%) может иметь объем всего около 120м3, а низкотемпературный ТА из речного песка – объем 240м3. При этом НТА выполняет функции тепловой изоляции высокотемпературного теплоаккумулятора. Для северных районов, где расход энергии на отопление относительно высок, нет необходимости создавать сложные паросиловые двигатели с высоким КПД, что существенно упрощает их конструкцию и повышает надежность системы в целом.

    Избыточное тепло НТА передается на отопление теплиц или возвращаться в высокотемпературный ТА за счет гравитационно-теплового регенератора, обеспечивающего интенсификацию проходящего через рабочие органы ветростанции потока нагретого теплом низкотемепературного ТА воздуха. Избыточное тепло ВТА, преобразуемое в электроэнергию синхронной частоты, может продаваться другим потребителям, использоваться для зарядки электроаккумуляторов или ВТА специальных транспортных средств, обслуживающих зону размещения автономных поселений или использоваться для разложения воды и получения водорода для двигательных транспортных установок с ДВС, работающих на водороде. В рамках АСЖ перспективно использовать также и атомные реакторы на быстрых нейтронах малой мощности как дополнительный источник тепловой энергии по теплу связанный с тепловыми аккумуляторами АСЖ, что обеспечивает установившийся наиболее безопасный режим работы реактора. Важно, что АСЖ может запускаться и поддерживать энергоснабжение жилых комплексов теплом и электроэнергией и за счет сжигания традиционного топлива в парогенераторе парового двигателя (при токсичности выхлопа в 100-300 раз меньшей, чем в ДВС). При использовании рассмотренного типа энергосистемы ветровые и солнечные источники, несмотря на неравномерность поступающего от них потока энергии, уже могут рассматриваться как основные источники энергообеспечения жилых комплексов, сельскохозяйственных ферм и транспортных средств, функционирование которых не оказывает экологически вредного воздействия на окружающую среду и на самого человека.



    Биосферные поселения на базе АСЖ и мобильные машины на базе ВТА не потребляют кислород воздуха, не выделяют токсичных выхлопов, осуществляют прямое преобразование тепла, вырабатываемого различными источниками, в механическую энергию (это в целом существенно повышает КПД такой транспортной системы). Широкое распространение АСЖ на рассмотренной элементной базе не нарушает экологического равновесия Земли, способствуют обеспечению продовольственной безопасности районов с холодным климатом.

    В АБП легко реализуются технологии получения тепловой и электрической энергии на основе переработке биоотходов жизнедеятельности и сельскохозяйственной продукции, производимой жителями АБП на основе обогреваемых теплиц, парников. Предлагаемое решение проблемы экологической, продовольственной и энергетической безопасности реально в ее практической реализации, направлено на выполнение положений Киотского протокола и перспективно в первую очередь для лишенных традиционных источников топлива северных районов России, районов, удаленных от централизованных сетей энергоснабжения. Для России из всех видов альтернативных источников наиболее перспективными для децентрализованного энергоснабжения комплекса АСЖ являются энергия ветра и солнца, распространенная повсеместно, хотя и неравномерно, и не имеющая такой локальной “привязки”, как гидроэнергия, энергия приливов, геотермальная энергия.

    Широкие возможности применения этих источников, которые обеспечиваются рассмотренной системой АСЖ, позволяет существенно сократить потребность в традиционных видах топлива, что обеспечивает их сохранение для будущих поколений людей и приведет к снижению темпа загрязнения окружающей среды токсичными продуктами сгорания. Следует отметить, что АСЖ позволяет осуществлять даже хранение радиоактивных отходов, используя выделяемую ими энергию для получения тепловой и электрической энергии, технически просто аккумулировать тепловую энергию малых атомных реакторов для совместной работы с тепловыми аккумуляторами АСЖ и т.п.

    С другой стороны, в настоящее время разрабатываются энергогенераторы, работающие на новых принципах получения энергии, например, основанные на резонансном взаимодействии с окружающей средой, высокоэффективные водо-водородные генераторы, вихревые ветрогенераторы, биоэнергетические тепловые и электрические генераторы энергии, вихревые ветрогенераторы (способные работать при низких скоростях ветра 3-4 м/сек) и другие новые типы энергоисточников, которые независимо от реализуемых ими мощностей и параметров вырабатываемой электроэнергии могут наиболее успешно работать именно в рамках АСЖ, обеспечивающей наилучшие возможности для их эксплуатации.



    Использование ветровой энергии.

    В последние годы в России (работы академика РАН Красовского А.А., изобретателей Серебрякова Р.А., Войцеха О.Г, Бабинцева И.А., Грибкова С.В. Цернеса В.Я. и др.) предложены технические решения, применение которых в новых разработках ВЭУ для регионов с низкоскоростными воздушными потоками обеспечивает выигрыш в вырабатываемой электроэнергии до 3-х и более раз, по сравнению с существующими аналогами, при этом достигаются предельно низкие показатели по стоимости 1 КВт?ч вырабатываемой электроэнергии (1-2 цента против 6-10 центов у существующих ВЭУ), и срокам их окупаемости (2-4 года против 8-12 лет принятых в мировой практике в настоящее время).

    В ближайшие десятилетия при прогнозируемом резком изменении климата и росте природных катаклизмов и техногенных катастроф, когда будет происходить существенное ухудшение условий существования человеческой цивилизации на нашей Планете, переход на строительство биосферных поселений на базе АСЖ станет необходим и практически единственно возможным средством выживания больших масс людей!

    Использование новых типов источников энергии (для справки).

    В биосферных поселениях в первую очередь и наиболее эффективно могут быть применены новые типы источников энергии, разработка которых интенсивно проводится во многих научных центрах мира, включая Россию, где также ведется поиск и разработка новых физических принципов преобразования энергии, основанной на использовании воды как топлива, использовании электрических и магнитных полей земли, и технических решений по их применению для получения дешевой и экологически чистой энергии. В последнее время появляется все больше сообщений об успешных испытаниях действующих моделей (преобразователь радиантной энергии немецкой фирмы GFE); опытных и экспериментальных образцов (магнитный генератор свободной энергии австралийской компании LUTEC, конвертер-холодный генерирующий преобразователь энергии-разработка Берекеля А.Н.); промышленных образцов (генератор на вращающихся магнитах-автор Минато, Япония и др.), что свидетельствует о прогрессе в этой области.

    В перспективе могут быть созданы генераторы электрической энергии (ГРЭ) мощностью 50-80 кВт (БП, крупные сельскохозяйственные агрофермы, промышленные цеха и предприятия, объекты ЖКХ). В рамках предложенного комплекса АСЖ ГРЭ могут быть применены для компенсанции неравномерности поступающей ветровой и солнечной энергии даже в вариантах исполнения малой мощности и опытных образцов. Для получения энергии перспективным в рамках биосферных поселений сельского типа является также разрабатываемые технологии интенсификации выращивания биопродуктов с последующим их преобразованием в биогаз и далее в тепловую и электрическую виды энергии.

    Важно, что именно биосферное поселение с системами защиты от внешних возмущений и средствами высокоэффективного аккумулирования и преобразования тепловой энергии создает наилучшие условия для внедрения и применения новых разрабатываемых источников энергии, где они могут использоваться в равномерном режиме энергогенерирования не испытывая динамических нагрузок, связанных с суточной неравномерностью энергопотребления и действия случайных факторов.

    Поселения на базе АСЖ обеспечивают безопасность проживания и защиту от террористических актов и природных катастроф, независимы от внешних источников энергии, позволяют обеспечить снабжение населения экологически чистыми продуктами питания, осуществлять проживание в благоприятных климатических условиях, одновременно решают задачи по энергосбережению, транспорту, продовольственной и экологической безопасности, решают проблемы по обеспечению доступного жилья, перспективны для инвесторов различного плана, могут реализовываться на базе известных материалов и технологий.

Системы жизнеобеспечения космонавтов во время будущих космических полетов