Система и способ выработки и распределения энергии

Изобретение относится к системам для выработки и распределения энергии на населенные территории, где в ней имеется потребность. Технический результат состоит в удешевлении обеспечения Земли энергией с использованием спутников, в частности Луны. Система и способ выработки и распределения энергии включает один или несколько передатчиков СВЧ-энергии, расположенных в местах на Земле вблизи ресурсов природного топлива или энергии, таких как природный газ, нефть, твердое топливо или геотермальная энергия. Топливо или источник энергии преобразуется на месте в электроэнергию, и электроэнергия затем преобразуется в пучки СВЧ-энергии, передаваемые от передатчика СВЧ-энергии к перенаправляющему спутнику на орбите вокруг Земли. Затем перенаправляющий спутник посылает один или несколько СВЧ-пучков на антенны-выпрямители, расположенные в странах с высоким потреблением и находящиеся в соответствующих местах для питания энергосистемы, или к дополнительным перенаправляющим спутникам для направления на антенны-выпрямители, расположенные на противоположной стороне Земли. 6 н. и 45 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу и системе для выработки энергии и распределения энергии на населенные территории, где в ней имеется потребность, и к использованию способа для способствования развертыванию солнечной энергетической системы на Луне при помощи электрической энергии с Земли для обеспечения транспортной системы между Землей, космосом и Луной, а также для обеспечения работ, проводимых на Луне.

По оценкам к 2050 году процветающему миру из 10 миллиардов человек будет требоваться по меньшей мере 20 ТВт электроэнергии. В настоящее время электроэнергия вырабатывается при помощи топлива, такого как нефть, природный газ, ядерная энергия и уголь, и лишь небольшая часть вырабатывается возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечные, ветряные или гидроэлектрические установки. Независимые нефтяные компании сталкиваются с все большими трудностями при обеспечении доступа к крупным природным запасам нефти и природного газа вследствие геополитического распределения таких ресурсов. Кроме того, добытое топливо необходимо благополучно доставить к установке для выработки электроэнергии, которая обычно находится далеко от места добычи и зачастую в другой стране. Для этого требуются трубопроводы, суда, танкеры и т.п. Создание и обслуживание такой системы транспортировки является дорогостоящим делом и такая транспортировка потенциально опасна из-за аварий, диверсии и терроризма. Наконец, углубляющееся истощение доступных ресурсов ископаемого топлива требует проведения разведки в попытке обнаружить новые источники такого топлива. Работа по выявлению и разработке новых источников газа и нефти с течением временем становится все более трудной, поскольку такие ресурсы продолжают истощаться из-за возрастающего спроса на энергию в мире и роста населения. Это привело к неуклонному росту цен и недостатку предложения энергии населению мира, и, как ожидается, эта проблема со временем будет только усугубляться.

Настоящее изобретение связано с выданными автору предыдущими патентами США №№5019768 и 5223781, относящимися к системе и способу сбора и передачи энергии, и содержание этих патентов включено в настоящее описание в качестве ссылки. В этих патентах система сбора энергии содержит станции сбора солнечной энергии, которые преобразуют солнечную энергию в СВЧ-пучки низкой интенсивности. СВЧ-пучки направляют на приемник СВЧ-диапазона или антенну-выпрямитель, которая преобразует пучок в электроэнергию. Антенна-выпрямитель представляет собой поле расположенных близко друг к другу антенн, которое трансформирует СВЧ-излучение в электроэнергию. В патенте США №5019768 описана базирующаяся на Луне солнечная энергетическая система, использующая СВЧ-излучение для доставки на Землю электроэнергии, предназначенной потребителям. Такая система наносит гораздо меньше вреда окружающей среде, является гораздо более безопасной и более надежной, чем солнечные энергетические системы, расположенные на Земле. Кроме того, система для сбора солнечной энергии на Луне обладает крупным физическим преимуществом, заключающимся в возможности использовать орбитальные зеркала для фокусирования солнечного света на фотоэлектрических преобразователях вследствие отсутствия воздуха и облачности на лунной поверхности. Очень тонкие зеркала создать гораздо проще, чем фотоэлектрические преобразователи. Последние устройства требуют высокочистого кремния и других редких материалов, таких как селен, галлий, теллур, кадмий и германий. Рефлекторы могут фокусировать солнечный свет таким образом, чтобы требовалась меньшая площадь фотоэлемента на единицу произведенной энергии.

Одна потенциальная проблема, связанная с первоначальным строительством базирующейся на Луне системы для сбора и передачи солнечной энергии, заключается в стоимости доставки необходимого оборудования на Луну и возведении солнечных электростанций на Луне.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в обеспечении новой и усовершенствованной системы транспортировки энергии для перераспределения энергии от одного расположенного на Земле места к другому. Другая цель изобретения заключается в обеспечении менее дорогостоящего средства доставки оборудования с Земли в космос и, в частности, на Луну для создания возможности своевременного завершения базирующейся на Луне солнечной электростанции с целью обеспечить Землю значительным количеством энергии для сокращения и в конечном счете устранения зависимости от запасов ископаемого топлива.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения представлена система распределения энергии, которая содержит по меньшей мере один источник электроэнергии, по меньшей мере один СВЧ-передатчик для преобразования электроэнергии по меньшей мере в один СВЧ-пучок и направления пучка в выбранном направлении и по меньшей мере один орбитальный перенаправляющий спутник для приема направленного СВЧ-пучка. Перенаправляющий спутник содержит передатчик для преобразования принятого СВЧ-пучка во множество исходящих СВЧ-пучков и направления исходящих пучков на выбранные цели.

В типичном варианте осуществления источник электроэнергии, которым может быть устройство выработки электроэнергии, и СВЧ-передатчик расположены на Земле, но они могут располагаться на любом небесном теле или в космосе. Целями могут быть приемные устройства на Земле, на Луне, дополнительные перенаправляющие спутники, находящиеся на орбите Земли или Луны, средства передвижения по орбите, с Земли на орбиту и в космосе и т.п.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения представлен способ транспортировки энергии, в котором в первом месте на Земле из природного источника извлекают топливо, такое как нефть, природный газ, метан, твердое топливо или из источника энергии, такой как геотермальная, ядерная или возобновляемая энергия, и преобразуют в электроэнергию, и затем в том же месте преобразуют электроэнергию в один или несколько пучков СВЧ-энергии. Каждый пучок направляют на перенаправляющий спутник, находящийся на орбите вокруг Земли, которая не обязательно должна быть геостационарной орбитой. Затем перенаправляющий спутник направляет множество пучков СВЧ-энергии на выбранные цели. Целями могут быть антенны-выпрямители, расположенные в различных районах потребления энергии на поверхности Земли, один или несколько ретрансляционных спутников для направления пучков к приемникам на противоположной стороне Земли посредством двух или более ретрансляционных этапов, кораблям, находящимся на орбите, кораблям, курсирующим с Земли на орбиту, или космическим транспортным кораблям, базирующимся на Луне станциям и/или к орбитальным перенаправляющим спутникам, находящимся на орбите вокруг Луны.

Эта система существенно снижает расходы на производство и распределение электроэнергии от различных встречающихся в естественных условиях источников топлива. В существующей системе такие виды топлива, как нефть и газ, обычно транспортируют по трубопроводам, на судах, на грузовых автомобилях, железнодорожным транспортом и т.п. от источника к одному или нескольким местам распределения энергии в странах с большим потреблением энергии. Кроме того, электроэнергия, выработанная электростанциями, работающими на твердом топливе, от геотермальных источников или на ядерном топливе, либо возобновляемыми системами зачастую транспортируется на большое расстояние по линиям электропередачи. Существующая расположенная на Земле система транспортировки электроэнергии требует значительных материальных ресурсов, таких как трубопроводы, суда, железные дороги, автоцистерны, линии электропередачи и т.п., которые дорого строить и дорого обслуживать и охранять. Система по настоящему изобретению не требует расположенной на Земле инфраструктуры для транспортировки энергии или топлива на большие расстояния на Земле, а вместо этого преобразует источник топлива или энергии в электроэнергию в месте нахождения источника, затем преобразует электроэнергию в СВЧ-пучки, которые направляются с Земли на один или несколько перенаправляющих спутников, находящихся на орбите Земли. Вместо того чтобы транспортировать атомы, эта система транспортирует фотоны, что гораздо быстрее и более эффективно.

СВЧ-энергию принимают, а затем избирательно перенаправляют на приемные станции на Земле, расположенные рядом с потребителем. Сконцентрированную в пучках энергию можно перенаправлять с ежесекундной коррекцией на рынки, где требуется энергия, при этом отпадает необходимость в транспортировке на большие расстояния по Земле большого количества топлива по объему и по весу. Кроме того, СВЧ-энергия в такой системе практически лишена инерционности и ее можно перенаправлять почти мгновенно по сравнению, например, с инерционностью нефти в трубопроводе.

Устройство перенаправления пучка доставляют с Земли и монтируют на низкой околоземной орбите. В типичном варианте осуществления изобретения смонтированное устройство перенаправления пучка может быть доставлено с низкой земной орбиты на высокую орбиту или геостационарную орбиту средством передвижения с низкозатратным ионным двигателем, например, как предложил W.Brown (Brown W.C. A Transporttronic Solution to the Problem of Interorbital Transportation, NASA CR-191162/pt-7452, Figure 1-11, July 1992). Питание энергией этого средства передвижения может осуществляться при помощи СВЧ-пучков, передаваемых от передатчиков на Земле.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения представлена комплексная система выработки и распределения энергии, которая содержит по меньшей мере одну объединенную установку по извлечению, преобразованию и передаче энергии, находящуюся рядом с источником ископаемого топлива, причем установка имеет устройство извлечения для извлечения ископаемого топлива, устройство выработки электроэнергии для преобразования топлива в электроэнергию и устройство создания СВЧ-пучка, находящееся рядом с устройством выработки электроэнергии, для преобразования электроэнергии по меньшей мере в один СВЧ-пучок, причем установка по созданию пучка содержит устройство направления пучка для направления СВЧ-пучка по меньшей мере на один перенаправляющий спутник, находящийся на орбите Земли, для приема СВЧ-пучка и множество находящихся на Земле приемных станций с антеннами-выпрямителями для приема СВЧ-пучков и преобразования пучков в электроэнергию, при этом спутник содержит устройство направления пучков для направления множества СВЧ-пучков на выбранные станции с антеннами-выпрямителями в зависимости от текущих требований к энергопотреблению. СВЧ-пучок может ретранслироваться по меньшей мере через два перенаправляющих спутника перед тем, как он будет направлен на выбранную приемную станцию с антеннами-выпрямителями.

В типичном варианте осуществления изобретения энергетическая установка имеет также коллектор для сбора отработанных газов, таких как двуокись углерода и сжатые газы или пар, производимые блоком выработки электроэнергии, и нагнетательное устройство для нагнетания отработанных газов обратно в залежь ископаемого топлива, которым может быть нефтяное месторождение, месторождение природного газа или залежь угля. Это способствует более эффективному извлечению ископаемого топлива на истощившихся месторождениях, а также сокращению или прекращению загрязнения атмосферы газами, выброс которых из блока выработки электроэнергии происходил бы в противном случае. Химические вещества, которые высвобождают нефть из пористой горной породы, можно производить при помощи энергии и химических веществ, образовавшихся в процессе производства энергии.

Известно, что на всех нефтяных месторождениях большая часть нефти остается, после того как методы первичной добычи (под естественным давлением и при помощи откачки) и вторичной добычи (обычно посредством заводнения) себя исчерпали. Как показали исследования, при нагнетании двуокиси углерода можно потенциально добыть больше нефти, чем извлекается методами первичной и вторичной добыч. Если разместить установку для выработки электроэнергии в том же месте, где находится нефтяное месторождение или другой источник ископаемого топлива, то можно на месте без крупных расходов получать двуокись углерода и другие газы и незамедлительно использовать их для нагнетания в нефтяное месторождение и т.п. с целью более эффективной добычи. При этом сокращается или исключается загрязнение, вызванное газообразными побочными продуктами работы электрогенераторов, таких как паровые турбины и т.п.

Для сокращения загрязнения атмосферы было предложено удалять двуокись углерода или долговременно хранить двуокись углерода в подземных искусственных или естественных резервуарах. До настоящего времени отрасль, занимающаяся добычей ископаемого топлива, была склонна рассматривать удаление двуокиси углерода как нежелательные издержки, которые могут ограничить деловую активность в сфере выработки электроэнергии. Было бы крайне дорого улавливать двуокись углерода из топочного газа и затем транспортировать его обратно к источнику ископаемого топлива с целью удаления. Способ и система по настоящему изобретению обеспечивают выработку электроэнергии на месте нахождения источника ископаемого топлива, так что гораздо экономичнее улавливать топочный газ и нагнетать его обратно в залежь ископаемого топлива или другой резервуар топлива, такой как нефтяное месторождение. Этот способ дает также выгоду, заключающуюся в более эффективной добыче нефти и других видов топлива, что более чем компенсирует затраты на улавливание и удаление двуокиси углерода.

Наземная система и способ выработки электроэнергии и создания СВЧ-пучков могут быть в готовом виде приспособлены для получения недорогой энергии для целей космической транспортировки помимо поставки электроэнергии потребителям на Земле. Кроме того, пучки энергии могут быть нацелены непосредственно с Земли на лунные базы или перенаправляющие спутники, находящиеся на орбите Луны. Это может способствовать созданию на Луне солнечных электростанций, описанных более подробно в указанных выше патентах. Дополнительные перенаправляющие спутники, находящиеся на орбите, могут использоваться для поддержки работ в космосе или для передачи энергии непосредственно на станции антенн-выпрямителей, находящиеся на Луне.

СВЧ-пучок или несколько таких пучков можно направить на находящиеся на Земле передатчики и/или на орбитальные спутники для питания грузового корабля, доставляющего необходимое оборудование с Земли на Луну для строительства лунной системы сбора и передачи энергии, описанной в предыдущих патентах автора, указанных выше. Грузовой корабль с ионным двигателем, имеющий сбоку антенну-выпрямитель, принимает пучок СВЧ-излучения от последовательности СВЧ-излучателей на Земле и в космосе с целью получить энергию для перевода корабля с низкой околоземной орбиты на лунную орбиту. После доставки оборудования с корабля на лунную поверхность соответствующими спускаемыми аппаратами корабль может вернуться на низкую околоземную орбиту. Хотя такое путешествие займет больше времени, чем традиционная система с использованием ракеты, эта система кардинально сокращает массу необходимого топлива и стоимость размещения оборудования на Луне, поскольку исключаются сложные ракетные системы и большая загрузка топливом и оборудованием.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение будет более понятно из приведенного ниже подробного описания некоторых типичных вариантов осуществления изобретения, взятых совместно с прилагаемыми чертежами, на которых подобные номера позиций относятся к подобным частям и среди которых:

Фиг.1 - схематическое изображение лунной системы сбора и передачи энергии, известной из уровня техники;

фиг.2 - схематическое изображение лунной станции сбора и передачи энергии;

фиг.3 иллюстрирует расположенную на Земле систему транспортировки и распределения энергии в соответствии с типичным вариантом осуществления изобретения;

фиг.4 иллюстрирует фрагмент плоской квадратной антенной решетки для создания пучков СВЧ-энергии;

фиг.5 иллюстрирует возможную конструкцию орбитального устройства перенаправления, предназначенного для использования в системе;

фиг.6 иллюстрирует транспортный корабль с ионным двигателем, который может использоваться для транспортировки материалов и переноса орбитальных устройств перенаправления с низкой околоземной орбиты на высокую орбиту;

фиг.7 иллюстрирует систему для использования энергии СВЧ-пучка, излученного с Земли, для транспортировки оборудования на Луну для строительства лунной электростанции;

фиг.8 - блок-схема системы выработки и распределения энергии согласно другому варианту осуществления изобретения;

фиг.9 иллюстрирует временную систему антенн-выпрямителей для создания временной энергетической установки;

фиг.10 иллюстрирует систему управления фокусировкой для использования во временной или постоянной установке антенны-выпрямителя, образующей часть системы распределения энергии;

фиг.11 иллюстрирует систему согласно еще одному варианту осуществления изобретения, в котором используется система, изображенная на фиг.8, для подачи энергии лунным базам непосредственно с Земли, а также посредством перенаправленных пучков;

фиг.12 иллюстрирует аэрокосмический аппарат, на который может подаваться энергия при помощи СВЧ-пучка, направленного от системы распределения энергии, изображенной на фиг.8; и

фиг.13 - поперечное сечение камеры двигателя аэрокосмического аппарата, изображенного на фиг.12.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 и 2 представляют собой схематические изображения системы сбора и передачи энергии, известной из уровня техники и описанной автором в патентах США №№5019768 и 5223781, содержание которых включено в настоящее описание в качестве ссылки. Как показано на фиг.1, на Луне 45 имеются станции 10 сбора солнечной энергии и передачи СВЧ-излучения, которые передают пучки 15 СВЧ-энергии на орбитальные устройства 13 перенаправления, от которых пучки 16 передаются на выбранные небольшие станции 14 с приемниками и антеннами-выпрямителями, расположенные на Земле 22. На фиг.2 приведена типичная станция сбора солнечной энергии и передачи СВЧ-излучения, расположенная на Луне. Станция содержит фотоэлектрические батареи или солнечные коллекторы 1, СВЧ-передатчики 2 и экран 3, отражающий СВЧ-излучение, а также скрытую проводку.

В данной заявке термин «противоположная сторона», отнесенный к первому небесному телу, такому как Земля или Луна, означает сторону, которая обращена от второго тела или определенного места на первом теле и не находится в зоне прямой видимости с этого тела или места, при этом второе тело является другим небесным телом или орбитальным спутником, находящимся на орбите вокруг первого или второго тела.

На фиг.3 изображены расположенная на Земле система и способ транспортировки и распределения энергии согласно типичному варианту осуществления изобретения. Хотя система и способ, описанные ниже, относятся к выработке и передаче энергии с Земли, должно быть ясно, что в альтернативном варианте эту систему можно разместить на других планетах, естественных спутниках или других небесных телах. В других вариантах осуществления система не обязательно должна быть связана с поверхностью небесного тела и может свободно парить в космическом пространстве.

В типичном варианте осуцествления, изображенном на фиг.3, одна или несколько станций 20 выработки энергии расположены на Земле 22 на месте природного источника топлива, например на месте месторождения нефти или природного газа, угольной шахты или другого естественного источника энергии, такого как геотермальный бассейн, источник энергии ветра, источник солнечной энергии и т.п. В настоящей заявке термин «электростанция» означает любое подходящее устройство выработки электроэнергии для преобразования любого источника энергии в электрическую энергию и любое подходящее устройство для преобразования электрической энергии в СВЧ-пучок и направления пучка энергии на любую выбранную цель. В некоторых вариантах осуществления электростанция может включать в себя другие устройства, такие как система улавливания отработанного газа. Каждая станция 20 включает преобразователь или устройство выработки электроэнергий для преобразования естественного источника энергии в электрическую энергию, комплекс СВЧ-антенн для преобразования электрической энергии в СВЧ-излучение и направления СВЧ-пучков 24 на орбитальный перенаправляющий спутник 25, который находится на низкой околоземной орбите, высокой околоземной орбите или геостационарной орбите 30 вокруг Земли.

Станции 20 подходят для наземных работ. Каждый пучок облучает перенаправляющий спутник, который принимает поступающую СВЧ-энергию, затем направляет один или несколько исходящих пучков 26 на станции 28 приемников или антенн-выпрямителей, расположенных вблизи потребителей. Перенаправляющий спутник 25 может также направлять пучок 29 энергии к одному или нескольким дополнительным перенаправляющим спутникам 25, которые могут также перенаправлять пучок 48 на второй приемник 28, который находится вне пределов прямой видимости первого перенаправляющего спутника 25 (то есть станция приемника антенны-выпрямителя на противоположной стороне Земли по отношению к первому перенаправляющему спутнику). Могут быть построены наземные передатчики 20 с привлечением коммерческих поставщиков СВЧ-компонентов или аналогичным образом лунные передатчики, описанные в патентах США автором настоящего изобретения, ссылка на которые приведена выше. Взаимное расположение при этом таково, что станции приемников или антенн-выпрямителей расположены в ближней зоне СВЧ-пучка, как описано в указанном выше патенте США №5019768.

Подходящие СВЧ-пучки, созданные в этой системе, имеют длину волны около 12 сантиметров, которая проникает сквозь облака, дождь, туман и пыль без значительного поглощения. Номинальная интенсивность пучков составляет менее двадцати процентов интенсивности солнечного света в полдень, и эти пучки надежно доставят энергию до станций антенн-выпрямителей, диаметр которых составляет несколько сот метров или более. Каждая станция антенны-выпрямителя преобразует по меньшей мере 85% принятой ею СВЧ-энергии в электроэнергию и обеспечивает электроэнергией местные и региональные энергетические сети.

Станция 28 антенны-выпрямителя содержит поле близко расположенных антенн, которые преобразуют СВЧ-излучение в электрическую энергию и выдают электрическую энергию в местную электроэнергетическую сеть. Как было показано, антенны-выпрямители способны преобразовывать около 85% падающего СВЧ-пучка в 1100 Вт/м² электрической энергии. Антенну-выпрямитель можно построить на участке земли в промышленном или сельскохозяйственном районе для подачи в регион «чистой» электрической энергии.

На фиг.4 приведен фрагмент плоской квадратной антенной решетки, которую можно использовать для создания пучка СВЧ-энергии от станции 20, изображенной на фиг.3. Этот тип антенной решетки для создания пучка СВЧ-энергии описан в работе Brown W.C. (1994) A Transportronic Solution to the Problem of Interorbital Transportation, Nasa Contract NAS2-25066, Raytheon Corp., 166 pp. Антенная решетка содержит ряд щелевых волноводов 32, образующих плоскую антенную решетку, которая может направлять пучки СВЧ-излучения мощностью 400 МВт на приемник или перенаправляющий спутник, находящийся на орбите. Антенная решетка в данной конкретной геометрии может направлять луч в пределах 60° к востоку и западу от вертикали. Щелевые волноводы могут быть выполнены из тонкостенного листового алюминия посредством проката и вырубной штамповки.

Перенаправляющие спутники 25, которые вращаются вокруг Земли и принимают пучки энергии от станций 20, могут ретранслировать принятую энергию на множество антенн-выпрямителей 28, находящихся на Земле, чтобы обеспечить энергией любое место на Земле. Перенаправляющие спутники устраняют потребность в накопителе энергии. Эти спутники не должны находиться на геостационарной, или фиксированной орбите, что ограничило бы зону, куда пучок энергии мог бы быть направлен. Вместо этого спутники 25 находятся на самых разных орбитах и могут доставлять пучки энергии к любому месту на Земле. Перенаправляющие спутники 25 могут также направлять пучки энергии к одному или нескольким вторичным спутникам для перенаправления пучка приемнику, который находится вне зоны прямой видимости первого спутника.

Существует три общих типа устройства перенаправления, которое может использоваться в спутниках 25. Первый тип - орбитальное зеркало, которое непосредственно отражает пучок обратно в направлении Земли. В этом случае необходимо постоянно ориентировать зеркало с высокой точностью, используя ионные двигатели и маховики. Сообщается, что были запущены рефлекторы диаметром более 100 м (Criswell, D.R. (1998) Lunar Solar Power System for Energy Prosperity in 21st Century, 17th World Energy Congress, Houston, Texas, http: //www.worldenergy.org/wec-geis/publications/default/tech-papers/17thcongress/4 1.33.asp).

Второй вариант перенаправляющего устройства - это орбитальная антенна-выпрямитель, которая может преобразовывать пучок в электрическую энергию и затем питать ею связанный с нею СВЧ-передатчик, который ретранслирует один или несколько пучков в направлении приемника на Земле. «Радар с синтезированной апертурой», запущенный за три полета космического челнока, показал возможность передачи СВЧ-энергии на Землю. Criswell, D.R. (July 2002) Energy Prosperity within 21st Century and Beyond: Options and the Unique Roles of the Sun and the Moon, Innovative Energy Strategies for CO₂ Stabilization, R.G.Watts, Editor, Cambridge University Press, Chapter 9, pp.345-410.

Третий вариант - это отражательная решетка 34, изображенная на фиг.5 (NASA (1999) Inflatable Reflectarray Antennas, NASA Tech Briefs, October 1999, http://www.nasatech.com/Briefs/Oct99/NP020433.html). Это решетка из твердотельных СВЧ-схем, которая может принимать один пучок СВЧ-излучения высокой интенсивности и непосредственно делить его энергию на множество исходящих СВЧ-пучков. Исходящие пучки можно независимо направлять на различные цели. На фиг.5 изображен известный из уровня техники прототип отражательной решетки, которую можно использовать в системе по настоящему изобретению. Отражательная решетка была продемонстрирована в Лаборатории реактивного движения в Пасадене, штат Калифорния, в 1999 году. Устройство содержит плоскую решетку диаметром один метр из микрополосковых схем, работающих в диапазоне частот Х и напечатанных на круглой пластиковой мембране. Плоскостность гибкой мембраны 34 обеспечивается надувным пластиковым тором 35.

Отражательные решетки делают ненужными большие электрические токи, которые могут взаимодействовать с плазмой в магнитосфере. Потенциально они могут достигать 98-процентной эффективности преобразования первичного пучка 24 энергии в индивидуально направленные пучки 26. Отражательная решетка медленно изнашивается, но ее можно ремонтировать, не прерывая ее работы. Антенные решетки могут устранить потребность в высокоточных физических антеннах и существенно снизить физическую массу и сложность передающей системы.

Компоненты устройства перенаправления пучка, предназначенные для антенной решетки, можно доставить с Земли и смонтировать на низкой околоземной орбите. Они состоят из легких раздвижных ферм наподобие тех, что используются для поддержки солнечных батарей на Международной космической станции. Фермы поддерживают печатную схему антенной решетки, которая принимает пучок энергии и затем создает множество независимых пучков энергии. После монтажа устройство перенаправления пучка может быть переведено на высокую околоземную орбиту. Для этого можно использовать средство доставки на ионном двигателе, например предложенное W.Brown (Brown W.C., Transportronic Solution to the Problem of Interorbital Transportation, NASA Contract, NAS3-25066, Raytheon Corp., 166pp.). Подходящий грузовой корабль 36 может использовать ионный двигатель, например тот, что изображен на фиг.6 (см. Brown W.C-, выше). Грузовой корабль постоянно находится в космосе. Корабль содержит легкие фермы 38, антенны-выпрямители 40 на печатной схеме и ионные двигатели или сопла 42, подобные ракетным. Хотя ионные двигатели 42 изображены на фиг.6 относительно большими, это сделано исключительно в иллюстративных целях, и на практике двигатели 42 будут заменены сотнями маленьких отдельных двигателей. Известный ионный двигатель в настоящее время использует солнечную энергию для питания европейского космического аппарата SMART-1 для вывода его на орбиту вокруг Луны.

В системе согласно типичному варианту осуществления настоящего изобретения один или несколько грузовых кораблей 36 курсируют между низкой околоземной орбитой и дальним космосом и никогда не возвращаются на поверхность Земли. Каждый корабль может быть кораблем с ионным двигателем и получать энергию от тех же расположенных на Земле СВЧ-установок 20, которые используются для передачи энергии от естественных источников в другие места на Земле. СВЧ-энергия, принятая антеннами-выпрямителями, обеспечивает энергию для ионных двигателей. Корабль на ионных двигателях можно также использовать в качестве космического буксировщика, когда его соединяют со вторым кораблем и переводят на новую траекторию.

Сторона антенны-выпрямителя 40 грузового корабля составляет около 220 м. Она может принять пучок 400 Вт/м² последовательно от мест излучения пучка вдоль земного экватора. Этот грузовой корабль можно использовать для размещения устройств 25 перенаправления пучка на высокой околоземной орбите. Устройство перенаправления диаметром (или со стороной) 1 км будет иметь массу около 300 тонн. Компоненты устройства перенаправления будут сделаны на Земле, отправлены в космос посредством нескольких запусков космических челноков или средств доставки на основе космических челноков и смонтированы на низкой околоземной орбите. Затем устройство перенаправления выводится кораблем 36 на требуемую орбиту.

Этот способ может быть расширен и обеспечит экономичную доставку материалов на Луну для лунных электростанций, которые могут дополнить и, в конечном счете, заменить выработку энергии на Земле при помощи источников ископаемого топлива. На фиг.7 приведен способ доставки оборудования на Луну для строительства лунной электростанции типа той, что описана в двух предыдущих патентах автора настоящего изобретения, указанных выше, при помощи грузовых кораблей 36 с ионными двигателями, изображенных на фиг.6, или корабля типа «летающее крыло», описанного в патенте США №4836470, выданного Criswell, содержание которого включено в настоящую заявку в качестве ссылки. Такой корабль можно видоизменить, установив на нем ионный двигатель. В альтернативном варианте можно использовать корабль, снабженный средством приема внешнего источника подачи ракетного топлива, например корабль, описанный в патенте США №5224663, выданный Criswell, содержание которого также включено в настоящую заявку в качестве ссылки.

На фиг.12 и 13 приведено «летающее крыло» 100, которое содержит антенны-выпрямители 102, вмонтированные в его нижнюю поверхность. Эти антенны-выпрямители принимают пучок 24 энергии, идущий от Земли, и выдают электрическую энергию, которая подается на двигатель 104 по проводам или линиям электропередачи 105. Электрическая дуга (см. фиг.13), создаваемая электрической энергией, используется для нагрева воздуха, который протекает через двигатель 104 от входа 106 до выхода 108. Нагретый воздух, выходящий из двигателя, обеспечивает тягу кораблю без наличия ракетного топлива на борту.

СВЧ-пучок от одной или нескольких наземных передающих станций, расположенных рядом с электростанциями, можно направить на нагрев атмосферы вблизи корабля, чтобы создать тяговую массу, которая выведет корабль за пределы земной атмосферы. Корабль можно снабдить ионным двигателем, который может питаться энергией непосредственно от СВЧ-пучка, когда корабль покинет земную атмосферу. Как только корабль выходит на лунную орбиту, он может совершить посадку для доставки полезного груза.

СВЧ-передатчики 20, вращающиеся вокруг Земли, могут подавать энергию на те же грузовые корабли с ионным двигателем, которые используются для доставки устройств 25 перенаправления на низкую орбиту 44 вокруг Луны 45, и затем вернуть их на низкую околоземную орбиту 30. Материалы и оборудование, необходимые для строительства на Луне системы сбора и передачи солнечной энергии, схематически приведенной на фиг.2 и описанной в предыдущих патентах автора, могут быть доставлены на низкую околоземную орбиту посредством космического челнока или аналогичных средств и перегружена на один или несколько грузовых кораблей 36 с ионными двигателями. Пучки СВЧ-энергии с Земли можно направить на антенну-выпрямитель 40 каждого грузового корабля, обеспечивая энергией ионный двигатель, который доставляет грузовой корабль на низкую орбиту вокруг Луны.

Простейшая система доставки энергии, приведенная на фиг.3, полностью устраняет затраты на безопасную доставку природного газа в сжиженном виде от его источника до электростанции и позволяет быстро перераспределять энергию, полученную из природного газа и других естественных источников энергии, в требуемые места на Земле. Система полностью устраняет потребность в установке по сжижению и последующему расширению газа, а также в земной системе доставки с использованием грузовых автомобилей, судов, поездов, трубопроводов и т.п., которые дорого строить и обслуживать.

При помощи этой системы природный газ из крупного месторождения можно преобразовать на месте в электроэнергию, а электроэнергию затем можно преобразовать в пучки СВЧ-энергии. Тем самым полностью исключаются расходы на транспортировку газа в его природной форме. Каждый пучок облучает перенаправляющий спутник 25, который посылает один или несколько СВЧ-пучков к антеннам-выпрямителям 28, расположенным в соответствующих местах. Передача энергии при помощи пучков позволяет избежать сжижения и транспортировки сжиженного газа на судах или по трубопроводам. Сосредоточенную в пучках энергию можно перенаправлять с ежесекундной коррекцией на рынки, испытывающие потребность в энергии. Хотя система обладает особыми преимуществами в отношении транспортировки энергии, выработанной при помощи природного газа или нефти, ее можно также применять для транспортировки энергии от электростанций, работающих на угле или геотермальной энергии. Доставка энергии посредством пучка энергии полностью устраняет потребность в контроле загрязнения окружающей среды, возникающего при выработке электроэнергии, в регионе, который получает «чистую» энергию, и ведет к снижению вреда, наносимого окружающей среде, и связанных с этим расходов.

На фиг.8 изображена видоизмененная система выработки и распределения энергии согласно другому варианту осуществления изобретения. Система включает одну или несколько комплексных установок или станций 20 для выработки энергии и передачи СВЧ-энергии. Как и в варианте осуществления, приведенном на фиг.3, станция 20 включает устройство 54 выработки электрической энергии и передатчик или антенную решетку 52 СВЧ-пучка, связанную с устройством выработки электрической энергии. Устройство 54 расположено в непосредственной близости от залежи природного топлива или источника 55 энергии. Устройство выработки электроэнергии, передатчик СВЧ-пучка и/или источник топлива или энергии могут располагаться настолько близко друг от друга, что практически соприкасаются друг с другом, или могут отстоять друг от друга на 1000 миль и более, хотя в типичных примерах осуществления они отстоят друг от друга на несколько миль.

В этом варианте осуществления комплексная энергетическая установка содержит также устройство 56 сбора для сбора отработанных газов, таких как двуокись углерода и сжатые газы или пар, вырабатываемые устройством 54 выработки электроэнергии, и устройство 58 нагнетания для нагнетания отработанных газов обратно в подземную залежь 55 ископаемого топлива, которой может быть нефтяное месторождение, месторождение природного газа, угольное месторождение или шахта или другие месторождения источника топлива в регионе. Нагнетатель может вернуть двуокись углерода, другие отработанные газы и другие материалы в оригинальное месторождение топлива и/или в другие залежи природного топлива, которые были частично истощены. Например, нагнетание отработанных газов в месторождение природного газа не способствует его извлечению. Поэтому если первичным источником топлива является месторождение природного газа, то собранные отработанные газы можно перевозить и нагнетать в месторождение нефти или угля. В результате улучшится извлечение ископаемого топлива из истощенных месторождений, а также снизится или прекратится загрязнение атмосферы газами, которые, в противном случае, выбрасывались бы в атмосферу устройством выработки электроэнергии. Для еще более эффективного извлечения топлива можно производить химические вещества, которые высвобождают нефть из пористой горной породы при помощи выработанной энергии, а также химических веществ, образовавшихся в процессе производства энергии.

Устройство сбора отработанных газов может улавливать двуокись углерода и другие отработанные газы из топочного газа электростанции способом, известным в данной области техники, и сохранять уловленный газ в цистернах или в подобных резервуарах. (См. Herzog and Golomb, Carbon Capture and Storage form Fossil Fuel Use, The Encyclopedia of Energy, Vol.1, pages 277-287, Elsevier Inc. 2004). Нагнетатель может содержать набор насосов и труб для закачивания отработанных газов из устройства сбора в подземную залежь ископаемого топлива.

Удаление двуокиси углерода, или долговременное хранение двуокиси углерода было предложено с целью снижения загрязнения атмосферы от энергетических установок. До настоящего времени отрасль, занимающаяся добычей ископаемого топлива, была склонна рассматривать удаление двуокиси углерода как нежелательные издержки, которые могут ограничить деловую активность в сфере выработки электроэнергии. Было бы крайне дорого улавливать двуокись углерода из топочного газа и затем транспортировать его обратно к источнику ископаемого топлива с целью удаления. Способ и система по настоящему изобретению обеспечивают выработку электроэнергии на месте нахождения источника ископаемого топлива, так что гораздо экономичнее улавливать топочный газ и нагнетать его обратно в месторождение ископаемого топлива или другую залежь топлива, такую как нефтяное месторождение. Этот способ дает также выгоду, заключающуюся в более эффективной добыче нефти и других видов топлива, что более чем компенсирует затраты на улавливание и удаление двуокиси углерода. Верхний предел расстояния между источником топлива или энергии, устройством выработки электроэнергии и СВЧ-передатчиком определяется следующими критериями эффективности.

КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Срок эксплуатации

E_T=общее количество энергии, которое может быть извлечено из первичной залежи и/или из залежи, где применяются улучшенные методы добычи.

Е_P=полная энергия, требуемая для строительства, технического обслуживания, эксплуатации и ликвидации системы сбора, выработки, нагнетания и создания пучков. В это количество входит энергия, потребляемая на то, чтобы удовлетворить экологические требования.

E_D=энергия, переданная пучку.

Разность E_D=E_T-E_P должна быть положительной, или > 0 для того, чтобы компоненты системы считались «находящимися рядом».

Е_р возрастает по мере роста протяженности систем сбора и нагнетания и веса материалов, перевозимых в течение срока эксплуатации энергетической системы.

Понятие «находиться рядом» ограничено требованием Е_D>0. Эту величину необходимо оценивать для каждой системы, состоящей из залежей топлива, системы сбора топлива, системы выработки энергии, сбора отходов, транспортировки и нагнетания.

В типичном варианте осуществления источник топлива или энергии, устройство выработки электроэнергии, СВЧ-передатчик и устройство сбора отработанных газов (если имеется) прилегают друг к другу или находятся в относительно близком соседстве друг с другом, то есть разделены не более чем несколькими милями. Следует, однако, понимать, что в других вариантах осуществления эти устройства могут находиться на гораздо большем расстоянии, если только выполнено требование Е_D > 0.

Как и в предыдущем варианте осуществления, СВЧ-передатчиком 52 управляют с целью направить один или несколько СВЧ-пучков на один или несколько орбитальных перенаправляющих спутников 25, которые затем направляют один или несколько СВЧ-пучков на станции 62 приемников или антенн-выпрямителей, находящихся в соответствующих местах, откуда энергия поступает в местную электроэнергетическую сеть 64. И перенаправляющие спутники 25, и станции 62 антенн-выпрямителей могут быть идентичны тем, что описаны выше в связи с предыдущим вариантом осуществления. Относительно простые антенны-выпрямители приемных станций можно разместить над пустынями, мелководными бухтами, промышленными центрами или загрязненными землями. Если разместить антенны-выпрямители над сельскохозяйственными землями, они могут продлить период вегетации и, в случае необходимости, высвободить избыточное отбросное тепло для защиты от морозов. Передатчик 52 может также передавать пучки энергии непосредственно космическому буксировщику 36 на ионных двигателях, антенне-выпрямителю, находящейся на космическом корабле 100, курсирующем между Землей и орбитой, или непосредственно лунной антенне-выпрямителю 110 для обеспечения энергией работ, проводимых на Луне. Аналогично, орбитальные перенаправляющие спутники 25 могут также передавать пучки энергии антенне-выпрямителю, находящейся на космическом буксировщике 36 на ионных двигателях, антенне-выпрямителю, находящейся на космическом корабле 100, курсирующем между Землей и орбитой, или непосредственно на лунную антенну-выпрямитель 110.

Поскольку система распределения энергии по настоящему изобретению базируется в космосе, она не вторгается в регионы с неустойчивой политической ситуацией, где строительство системы транспортировки и охрана этой системы может вызвать трудности. Кроме того, система не требует развитой инфраструктуры, которую необходимо построить, обслуживать и охранять. Энергия может быть без труда продана как потребителям базисной нагрузки, так и потребителям пиковой нагрузки. Систему можно также расширить для обеспечения транспортировки на низкую околоземную орбиту и с низкой околоземной орбиты,, и она дает энергию для доставки грузов с Луны с целью проведения на ней различных строительных работ, например строительства на Луне солнечной электростанции. Систему можно также использовать для передачи энергии от первой солнечной электростанции на Луне ко второй станции на Луне, которая в это время находится на темной стороне Луны, повернутой от Солнца. Пучок СВЧ-энергии от первой станции направляют на орбитальный перенаправляющий спутник, а второй пучок СВЧ-энергии можно направить от спутника ко второй станции или ретранслировать, в случае необходимости, через второй перенаправляющий спутник.

Интенсивность СВЧ-пучка, направленного на каждую антенну-выпрямитель, можно сделать приблизительно постоянной по площади антенны-выпрямителя. При этом станцию антенн-выпрямителей располагают таким образом, что она находится в ближней зоне СВЧ-пучка, то есть на расстоянии R, меньшем примерно D²/λ, где D - диаметр эффективной излучающей апертуры, а λ - длина волны СВЧ-излучения. Пучок или пучки, излученные со спутника, можно электронным образом направить на одну или несколько требуемых станций антенн-выпрямителей, как описано автором в патенте США №5223781, ссылка на который приведена выше.

На фиг.9 приведена временная установка 90 с антенной-выпрямителем, которая при необходимости может быть установлена там, где имеется временная потребность в энергии, например, в случае стихийных бедствий, поисково-разведочных работ в отдаленных районах или в военных целях. Установка с антенной-выпрямителем содержит множество панелей 92 из тканого электроизолирующего материала, такого как сетчатый материал или Майлар®, на который наложена соответствующая проводящая поверхность. Панели можно изготовить заранее и хранить до возникновения потребности. Между соседними панелями могут быть предусмотрены перемычки 94. Можно быстро и легко установить временную энергетическую установку, просто разложив панели 92 на земле, как показано на фиг.9. Затем можно сообщить орбитальному перенаправляющему спутнику, находящемуся в подходящем положении, местоположение антенны-выпрямителя, и на временную антенну-выпрямитель можно быстро направить пучок энергии. Временную установку с антенной-выпрямителем можно также установить на Луне и можно принимать энергию непосредственно от передатчиков на Земле или через перенаправляющие спутники 25. Можно также применять и производить на Луне другие типы антенн-выпрямителей.

На фиг.10 приведен узел автоматического управления направлением или фокусированием, предназначенный для использования на постоянной или временной станции 28, 62 или 90 антенны-выпрямителя для фокусирования СВЧ-пучка на требуемое место или места, где находятся антенны-выпрямители. По периметру станции антенны-выпрямителя расположено по меньшей мере три детектора 95 сигналов. Контролируется интенсивность падающего пучка. При обнаружении нарушения баланса падающего пучка посредством детектора 96 баланса или отклонения передаются соответствующие управляющие сигналы и информация о направлении и величине нарушения баланса передатчику 98, который передает сигналы спутнику, чтобы он выполнил соответствующие регулировки в отношении фокусирования и направления передачи. После изменения фокусирования и/или направления падающего пучка энергии детектор подтверждает восстановление баланса и надлежащей ориентации падающего пучка. Эта система обратной связи обеспечивает сохранение надлежащего фокусирования пучка энергии на станцию антенны-выпрямителя. Детекторная система может также отключить пучок энергии.

Фиг.11 представляет собой схематическую иллюстрацию системы подачи энергии к лунным базам 120 с Земли как непосредственно при помощи пучков 124, так и посредством пучков 126 от орбитальных устройств 122 перенаправления пучков. Устройства 122 перенаправления пучков обеспечивают в любое время передачу энергии к приемникам или установкам 120 антенн-выпрямителей, находящихся на лунных базах на противоположной стороне Луны. В настоящей заявке термин «противоположная сторона Луны» означает в любой момент времени противоположную от Земли сторону, то есть находящуюся вне зоны прямой видимости с Земли или со спутника на околоземной орбите. Пучки энергии можно также направлять к космическим буксировщикам или транспортным кораблям 36, курсирующим между Землей и Луной или находящимся на земной или лунной орбите. Спутники 122 перенаправления пучка, вращающиеся вокруг Луны, могут также направлять пучки к космическим буксировщикам на противоположной стороне Луны. Как показано на фиг.11, любой передатчик может также передавать пучки энергии, чтобы обеспечить энергией воздушно-космический самолет или «летающее крыло» 100, описанное выше в связи с фиг.12 и 13.

Базирующаяся на Земле система и способ выработки и распределения энергии, описанные выше, имеют множество преимуществ по сравнению с традиционными системами. Эту систему можно использовать для обеспечения электрической энергией транспортных систем между Землей и Луной и для обеспечения энергией работ, проводимых на Луне, в том числе работ по строительству на Луне солнечных электростанций.

Базирующаяся на Земле система обладает также многими преимуществами по сравнению с существующими способами распределения энергии в населенные районы Земли. В настоящее время основными источниками топлива, используемыми для выработки энергии, являются нефть, уголь, природный газ, ядерное топливо и биомасса. Одна из проблем, связанная с источниками ископаемого топлива, заключается в том, что эти источники зачастую расположены в местах, неудобных для того, чтобы их сразу можно было использовать для выработки электроэнергии, и зачастую их необходимо транспортировать по трубопроводам, железнодорожным транспортом, морским транспортом и другими видами транспорта к электростанциям, предназначенным для преобразования их в электроэнергию, и это сопряжено с риском аварий или терроризма, а также с огромными затратами. Это дает значительный вклад в высокую цену электроэнергии. Другая проблема заключается в том, что некоторые источники топлива находятся в удаленных районах, что увеличивает расходы на транспортировку. Кроме того, извлечение большого количества топлива, такого как нефть или газ, является трудной задачей и требует применения дорогостоящих методов вторичного или более эффективного извлечения нефти или газа. Наконец, значительная доля топлива, такого как природный газ, теряется при сжижении, перегрузке и транспортировке до электростанции.

Комплексная система выработки и передачи энергии, изображенная на фиг.8, решает большинство или все эти проблемы. Сначала электростанция может быть расположена в непосредственной близости от источника топлива, что устраняет расходы, опасности и потери, связанные с транспортировкой к удаленной электростанции. Это также означает, что доля топлива, такого как природный газ, которая обычно теряется в процессе транспортировки (как правило, около 5 процентов), остается и может использоваться непосредственно для выработки электроэнергии. Во-вторых, размещение установки по выработке энергии и созданию пучков вблизи крупных ресурсов газа или ресурсов других видов топлива значительно сокращает расходы по разработке таких ресурсов. В-третьих, сбор отработанного газа, преимущественно двуокиси углерода, создаваемого электростанцией, и нагнетание газа непосредственно обратно в находящееся в непосредственной близости месторождение нефти или газа, может улучшить степень извлечения нефти или газа при небольших дополнительных расходах. Эта методика сокращает также количество загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу. В установках такого типа осуществляется нагнетание двуокиси углерода или подобного газа для того, чтобы сделать более эффективное извлечение топлива экономически более привлекательным, поскольку уловленные отработанные газы не требуется транспортировать в отдаленное место, но можно осуществить его нагнетание на месте в находящееся в непосредственной близости месторождение или залежь топлива.

Передатчик в устройстве выработки и распределения энергии может представлять собой, как говорилось выше, открытую решетчатую поверхность, которая позволяет передавать СВЧ-пучок сквозь солнечный свет, дождь и ветер. Тщательно разработанная конструкция позволит установке по извлечению топлива и созданию пучков занимать минимальную площадь на земле и легко демонтироваться в случае истощения запасов топлива.

Земная система выработки энергии и создания пучков по настоящему изобретению обеспечит рабочую силу, имеющую навыки в этой области техники, и может создать рабочую силу и бизнес-структуру для расширения системы на Земле, а также для разработки солнечной электростанции на Луне. Эта система может потенциально обеспечить создание рентабельной солнечной электростанции на Луне, которая может преобразовывать солнечную энергию в СВЧ-излучение для облучения тех же находящихся на Земле приемных станций или станций антенн-выпрямителей, которые используются в земной системе. Находящуюся на Земле установку для создания пучков энергии можно использовать для обеспечения дешевой энергией космических полетов и доставки материалов на Луну, как указывалось выше, а также для непосредственного направления пучков энергии на Луну с целью обеспечить электроэнергией проведение работ на Луне.

Основное физическое преимущество размещения солнечных коллекторов не на Земле, а на Луне, заключается в том, что на Луне для фокусирования света на фотоэлектрических преобразователях можно использовать зеркала, поэтому на единицу выходной мощности требуется гораздо меньшая площадь солнечной батареи. Отсутствие воздуха и облачности на лунной поверхности позволяет использовать на Луне орбитальные солнечные рефлекторы. Площадь стеклянных модулей, которые необходимо разместить для создания новых коммерческих фотоэлектрических солнечных энергосистем на Земле мощностью 20 ГВт/год, составляет, по оценкам, порядка 223000 км²/год в течение 50 лет. Это в пятьдесят четыре раза больше объема производства всего листового стекла в мире в 2000 году. Для производства электроэнергии 2 кВт/год потребуется произвести стеклянных модулей в объеме 520 м²/год, что значительно превышает производство стекла в развитых странах на душу населения. Другие специализированные материалы, пригодные для преобразования солнечной энергии, также нецелесообразны, поскольку на Земле требуется большая площадь солнечных батарей, а солнечные концентраторы здесь непрактичны. На Земле такие преобразователи солнечной энергии потребуют значительного увеличения производства необходимых специализированных материалов. Таким образом, несмотря на то, что небольшие коллекторы солнечной энергии на Земле экономически рентабельны, такие системы не могут обеспечить значительное количество доступной энергии в месте нахождения невозобновляемых источников энергии и не могут быть расширены из-за ограниченной доступности материалов.

Солнечная электростанция на Луне лишена этих проблем, поскольку использует солнечные концентраторы или рефлекторы, которые снижают требования к площади солнечных батарей. При этом значительно снижается общая масса требуемых обычных материалов, таких как стекло, пластик, бетон, сталь, алюминий и медь. Это сокращение делает возможным получение с Луны 20 ТВт электрической энергии и устраняет необходимость значительного увеличения производства этих материалов на Земле в попытке обеспечить тот же уровень солнечной электрической энергии. Система и способ выработки и распределения энергии по настоящему изобретению делает более экономически целесообразным строительство одной или нескольких солнечных электростанций на Луне с использованием пучков энергии для дешевой доставки на Луну материалов, предназначенных для строительства таких станций, а также для направления энергии, предназначенной для обеспечения проведения работ на таких станциях в период строительства.

Другие преимущества этой системы заключаются в том, что она продляет срок эксплуатации нефтяных месторождений и тем самым повышает экономическую ценность собственников месторождений и энергетических компаний, таких как ExxonMobil, и таких стран, как Соединенные Штаты или Саудовская Аравия, и что она позволит получить «более зеленую» или более экологически чистую энергию рентабельным образом. Она также может обеспечить синергетическое использование нескольких типов источников энергии, расположенных в одном месте, и создать надежное, следующее за нагрузкой энергообеспечение в местных и региональных электроэнергетических сетях. Устранение потребности в транспортировке по Земле потенциально опасных и взрывчатых видов топлива снижает возможность возникновения долгосрочной правовой ответственности, а также сокращает потребность в прокладке таких транспортных систем в регионах с неустойчивой политической ситуацией. Система сокращает расходы посредством значительного снижения потребности в развитой инфраструктуре, в том числе в трубопроводах, железнодорожном транспорте, портовых сооружениях, линиях электропередачи и т.п., которые трудно обслуживать и охранять.

Дешевая и экологически чистая электроэнергия обеспечивает экономически эффективное производство питьевой воды из морской воды или другой солоноватой воды и переработку потребленной и сельскохозяйственной воды. Места расположения антенн-выпрямителей могут находиться на отдаленных, незаселенных территориях. Многие отрасли промышленности, энергоемкие фермы и рыболовецкие хозяйства могут располагаться под местами расположения антенн-выпрямителей или вблизи них.

Сконцентрированная в пучках энергия, поступающая в местную биосферу из-за пределов Земли, является экологически нейтральной. Для ее получения не требуется увеличивать количество тепла в биосфере. Наземные передатчики, которые преобразуют в пучок энергию природного газа и нефти из близлежащих скважин и других источников ископаемого топлива, дополненные спутниками перенаправления пучков, могут открыть для разработки такие территории, которые в настоящее время находятся вне досягаемости из-за трудности транспортировки природного газа или нефти из таких мест. В случае преобразования топлива в электроэнергию и затем в один или несколько СВЧ-пучков на месте такие проблемы с транспортировкой полностью исключаются. Места размещения антенн-выпрямителей, которые принимают энергию в виде пучков от орбитальных перенаправляющих спутников, выдают чистую электроэнергию, предназначенную для непосредственного потребления потребителями. Эта система может значительно снизить стоимость электроэнергии и тем самым сделать электроэнергию доступной большему числу людей в мире. По мере снижения стоимости электроэнергии становится более целесообразным производить топливо, например водород из воды, создавать синтетическое топливо, снижающее зависимость от запасов ископаемого топлива, истощение которых неизбежно.

Система по настоящему изобретению в высшей степени универсальна, поскольку из многих мест на Земле можно излучать множество различных пучков энергии, которые можно направлять на многие различные спутники и места расположения приемников или антенн-выпрямителей по всему миру, а также в космос для целей космических перевозок и непосредственно на лунные базы. СВЧ-энергия этой системы практически не обладает инерционностью и ее можно перенаправить практически мгновенно в отличие, например, от инерционности нефти в нефтепроводе.

Централизованная установка, находящаяся в непосредственной близости от источников топлива, может обладать большей мощностью, чем местные электростанции, и тем самым давать дополнительную экономию за счет эффекта масштаба. Значительно снижается острота существующих на местных электростанциях проблем, связанных со снижением спроса в ночное время, поскольку станция, вырабатывающая электроэнергию, удалена от местных электроэнергетических сетей. Она может круглосуточно работать на полную мощность и просто направлять энергию через перенаправляющие спутники в те места размещения антенн-выпрямителей, где спрос на энергию наибольший в любой определенный момент времени. Перераспределение энергии в зависимости от потребности осуществляется в течение каждых суток по мере перехода различных участков Земли изо дня в ночь и обратно. Потенциально это может привести к росту валового дохода приблизительно на 10%.

В варианте осуществления, приведенном на фиг.8, где осуществляется улавливание отработанных газов и нагнетание их в нефтеносный или газоносный слой, обычное физическое загрязнение (двуокись углерода, кислотный дождь), связанное с электростанциями, существенно снижается или устраняется. Эти эффекты, связанные с загрязнением, а также с пылью и пеплом, перестают существовать для местных органов власти, поскольку энергетическая установка находится за пределами населенной области. Для местных органов власти перестает существовать также риск, связанный с возможностью аварии на электростанции, ненадежностью снабжения и производительности. Вместо этого единственными местными установками являются места размещения антенн-выпрямителей, которые не создают загрязнения, а риск аварий, вызывающих ущерб, невелик.

Наземная система транспортировки и распределения энергии по настоящему изобретению, используется ли она самостоятельно или в сочетании с солнечной электростанцией на Луне, полностью устраняет потребность в прокладке линий энергоснабжения к судам и к местам проведения наземных работ. Такая система может обеспечить энергию по более стабильной стоимости для гражданских и военных целей. Она также позволяет создать кодированный бистатический радиолокатор, в котором американским кораблям, самолетам и другим устройствам не требуется излучать радиолокационные лучи, и они могут быть полностью невидимыми. Она также позволяет осуществлять значительно более подробный и непрерывный контроль за деятельностью на Земле при очень низких расходах, поскольку снижаются расходы на размещение станций слежения на орбите.

Хотя некоторые типичные варианты осуществления были описаны выше исключительно с иллюстративной целью, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что в раскрытые варианты осуществления можно внести видоизменения в рамках объема притязаний изобретения, определяемых прилагаемой формулой.

1. Система распределения энергии, содержащая:
источник электроэнергии;
по меньшей мере, один СВЧ-передатчик, соединенный с источником электроэнергии для преобразования электроэнергии в СВЧ-пучок, причем передатчик включает первое устройство направления пучка для направления СВЧ-пучка;
по меньшей мере, один перенаправляющий спутник, находящийся на орбите вокруг небесного тела для принятия СВЧ-пучка от указанного передатчика; и
спутник, имеющий передатчик для преобразования принятого СВЧ-пучка во множество исходящих СВЧ-пучков, и второе устройство направления пучков для направления исходящих пучков в заданных направлениях,
по меньшей мере, один дополнительный перенаправляющий спутник, находящийся на орбите вокруг небесного тела, при этом второе устройство направления пучков содержит средства для направления, по меньшей мере, одного из указанных исходящих пучков на цель, содержащую указанный дополнительный перенаправляющий спутник для направления, по меньшей мере, на одну приемную станцию, расположенную на противоположной стороне небесного тела по отношению к указанному первому упомянутому перенаправляющему спутнику.

2. Система по п.1, в которой источником электроэнергии является устройство выработки электроэнергии.

3. Система по п.2, в которой источник электроэнергии и СВЧ-передатчик расположены на поверхности планеты.

4. Система по п.3, в которой планетой является Земля.

5. Система по п.4, дополнительно содержащая множество станций антенн-выпрямителей, находящихся на Земле на расстоянии друг от друга, при этом второе устройство направления пучков содержит средства направления, по меньшей мере, одного исходящего пучка на выбранную цель, содержащую одну из указанных станций антенн-выпрямителей.

6. Система по п.5, в которой второе устройство направления пучков содержит средства направления, по меньшей мере, некоторых из указанных исходящих пучков на выбранные цели, содержащие станции антенн-выпрямителей на Земле.

7. Система по п.4, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один второй перенаправляющий спутник, находящийся на орбите вокруг Луны, при этом второе устройство направления пучков содержит средства для направления, по меньшей мере, одного из указанных исходящих пучков на указанный второй перенаправляющий спутник.

8. Система по п.4, в которой второе устройство направления пучков содержит средства для направления, по меньшей мере, одного из указанных исходящих пучков на станцию антенны-выпрямителя, расположенную на Луне.

9. Система по п.1, дополнительно содержащая множество выбранных целей, при этом указанное второе устройство направления пучков содержит средства для направления, по меньшей мере, некоторых из исходящих пучков на указанные выбранные цели, причем цели выбраны из группы, содержащей станции антенн-выпрямителей, находящиеся на Земле на расстоянии друг от друга, по меньшей мере, одну станцию антенны-выпрямителя на Луне, дополнительные перенаправляющие спутники, находящиеся на орбите вокруг Земли, перенаправляющие спутники, находящиеся на орбите вокруг Луны, орбитальные корабли, корабли, курсирующие между Землей и орбитой, и другие космические корабли.

10. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одно из указанных устройств направления пучков содержит средства для направления, по меньшей мере, одного пучка энергии на орбитальный корабль.

11. Система по п.3, в которой указанный источник электроэнергии содержит устройство выработки электроэнергии, расположенное вблизи источника природного топлива для обеспечения топливом указанного устройства выработки электроэнергии.

12. Система по п.11, дополнительно содержащая устройство сбора, расположенное на указанном устройстве выработки электроэнергии, для сбора отработанных газов, вырабатываемых при преобразовании топлива в электроэнергию.

13. Система по п.12, дополнительно содержащая нагнетатель для нагнетания, по меньшей мере, части собранных отработанных газов обратно в источник топлива.

14. Система по п.12, дополнительно содержащая залежь природного топлива и нагнетатель для нагнетания собранных отработанных газов в указанную залежь природного топлива.

15. Система по п.11, в которой указанное устройство выработки электроэнергии расположено на расстоянии не более одной тысячи миль от указанного источника природного топлива.

16. Система по п.11, в которой указанное устройство выработки электроэнергии и указанный источник топлива находятся в непосредственной близости на расстоянии не более десяти миль.

17. Система по п.3, дополнительно содержащая множество дополнительных источников электроэнергии в отстоящих друг от друга местах на поверхности указанного небесного тела и, по меньшей мере, один СВЧ-передатчик, связанный с каждым источником электроэнергии, для создания, по меньшей мере, одного пучка СВЧ-энергии и направления указанного пучка, по меньшей мере, на одну цель.

18. Способ транспортировки энергии, содержащий этапы, на которых:
преобразуют источник энергии или топлива в электроэнергию;
преобразуют в передатчике электроэнергию, по меньшей мере, в один пучок СВЧ-энергии;
обеспечивают, по меньшей мере, один перенаправляющий спутник, находящийся на орбите вокруг небесного тела;
направляют, по меньшей мере, один пучок СВЧ-энергии от указанного передатчика на указанный перенаправляющий спутник;
преобразуют указанный пучок СВЧ-энергии во множество исходящих пучков СВЧ-энергии на указанном перенаправляющем спутнике; и
направляют указанные исходящие пучки энергии на множество выбранных целей, при этом ретранслируют, по меньшей мере, один пучок СВЧ-энергии от перенаправляющего спутника, по меньшей мере, на один второй перенаправляющий спутник.

19. Способ по п.18, в котором этап направления указанных исходящих пучков энергии содержит направление, по меньшей мере, одного исходящего пучка энергии от указанного перенаправляющего спутника, по меньшей мере, на одно место нахождения антенны-выпрямителя, расположенное на поверхности указанного небесного тела.

20. Способ по п.19, в котором этап направления указанных исходящих пучков энергии содержит направление, по меньшей мере, некоторых из указанных исходящих пучков энергии от указанного перенаправляющего спутника на множество отстоящих друг от друга мест антенн-выпрямителей, расположенных на поверхности указанного небесного тела.

21. Способ по п.18, в котором указанный перенаправляющий спутник находится на орбите вокруг Земли, а этап направления указанных исходящих пучков энергии содержит направление, по меньшей мере, одного из указанных исходящих пучков энергии на Луну.

22. Способ по п.18, в котором указанный перенаправляющий спутник находится на орбите вокруг Земли, а этап направления указанных исходящих пучков энергии содержит направление, по меньшей мере, одного из указанных исходящих пучков энергии на второй перенаправляющий спутник, находящийся на орбите вокруг Луны.

23. Способ по п.18, дополнительно содержащий этап обеспечения множества электростанций в множестве мест на поверхности указанного небесного тела, причем каждая станция содержит устройство выработки электроэнергии для преобразования источника энергии или топлива в электрическую энергию и СВЧ-передатчик для преобразования указанной электроэнергии, по меньшей мере, в один СВЧ-пучок и направления указанного пучка, по меньшей мере, на одну выбранную цель.

24. Способ по п.23, в котором каждое место расположено вблизи естественного источника топлива, выбранного из группы, состоящей из нефти, угля, метана и природного газа, причем способ дополнительно содержит этапы сбора отработанных газов, выработанных при преобразовании топлива в электроэнергию, и нагнетания отработанных газов обратно в источник топлива для повышения эффективности извлечения топлива из источника.

25. Способ по п.18, в котором этап преобразования электроэнергии содержит создание множества пучков СВЧ-энергии и направление каждого пучка на выбранные перенаправляющие спутники, находящиеся на орбите вокруг небесного тела.

26. Способ по п.18, дополнительно содержащий этап перенаправления исходящих СВЧ-пучков на различные цели на основании спроса на энергию.

27. Способ по п.18, дополнительно содержащий этап подачи энергии на корабль с поверхности указанного небесного тела в направлении орбиты при помощи одного или нескольких пучков СВЧ-энергии, переданных передатчиком.

28. Способ по п.18, в котором перенаправляющий спутник находится на орбите вокруг Земли, причем способ дополнительно содержит этап использования пучков СВЧ-энергии, переданных передатчиком и орбитальным перенаправляющим спутником, для подачи энергии на грузовой корабль для доставки оборудования с Земли в окрестность Луны или на Луну и использования оборудования и лунного материала для строительства на Луне системы сбора и передачи солнечной энергии.

29. Способ по п.18, дополнительно содержащий этап управления СВЧ-пучком таким образом, что каждая цель, на которую направлен пучок, расположена в ближней зоне принятого СВЧ-пучка.

30. Способ по п.20, дополнительно содержащий этап обнаружения положения падающего СВЧ-пучка на месте нахождения антенны-выпрямителя, отключения пучка и посылки сигнала нарушения баланса пучка орбитальному перенаправляющему спутнику, если СВЧ-пучок не сфокусирован надлежащим образом на место нахождения антенны-выпрямителя, и направления СВЧ-пучка на место нахождения антенны-выпрямителя от орбитального перенаправляющего спутника на основании сигнала баланса.

31. Способ по п.18, в котором этап направления пучка от передатчика содержит передачу множества СВЧ-пучков на различные орбитальные перенаправляющие спутники.

32. Способ по п.31, в котором этап направления пучка дополнительно содержит передачу, по меньшей мере, некоторых пучков от одного перенаправляющего спутника, по меньшей мере, на один другой перенаправляющий спутник, причем пучки могут быть направлены на места нахождения антенн-выпрямителей на противоположной стороне небесного тела по отношению к указанному передатчику.

33. Способ по п.18, дополнительно содержащий этап направления, по меньшей мере, одного пучка СВЧ-энергии от указанного передатчика на указанном небесном теле на действующую станцию на Луне указанного небесного тела.

34. Способ по п.33, в котором небесное тело включает Землю, а передатчик направляет, по меньшей мере, один пучок СВЧ-энергии непосредственно на Луну.

35. Способ по п.18, в котором указанное небесное тело является Землей, причем способ дополнительно содержит этапы направления, по меньшей мере, одного пучка СВЧ-энергии от указанного передатчика на лунный перенаправляющий спутник, находящийся на орбите Луны, и направления указанного пучка от указанного лунного перенаправляющего спутника на действующую станцию на противоположной от Земли стороне Луны.

36. Система выработки и распределения энергии, содержащая:
по меньшей мере, одну электростанцию, содержащую устройство выработки электроэнергии для преобразования источника энергии в электрическую энергию, и устройство СВЧ-передатчика, связанного с устройством по выработке электроэнергии, для преобразования электрической энергии, по меньшей мере, в один СВЧ-пучок, причем устройство передатчика включает устройство направления пучка для направления СВЧ-пучка;
по меньшей мере, один орбитальный перенаправляющий спутник для принятия СВЧ-пучка; и
множество станций антенн-выпрямителей на Земле для принятия одного или нескольких СВЧ-пучков, преобразования принятого СВЧ-излучения в электрическую энергию и подачи электрической энергии в местную или региональную энергосистему;
причем спутник имеет средство направления пучка для направления, по меньшей мере, одного выбранного СВЧ-пучка на станцию антенны-выпрямителя, выбранную из множества станций антенн-выпрямителей, распределенных по Земле, в зависимости от текущих потребностей в энергии,
электростанция расположена вблизи источника ископаемого топлива, содержащего указанный источник энергии, и станция дополнительно содержит устройство сбора для сбора отработанных газов, произведенных устройством выработки электроэнергии, и нагнетательное устройство для нагнетания отработанных газов обратно в залежь ископаемого топлива для повышения эффективности извлечения топлива из залежи.

37. Система по п.36, в которой залежь ископаемого топлива выбрана из группы, состоящей из нефтяного месторождения, месторождения природного газа и угольной шахты.

38. Система по п.36, дополнительно содержащая множество грузовых кораблей для доставки материалов на орбиту Земли или в космос, причем грузовые корабли имеют средства приведения в движение, на которые поступает энергия СВЧ-пучков, направленных от указанной станции или указанного перенаправляющего спутника.

39. Система по п.36, дополнительно содержащая множество электростанций, находящихся на земле в выбранных местах залежей ископаемого топлива, и множество орбитальных перенаправляющих спутников для приема пучков СВЧ-энергии от выбранных станций и перенаправления пучков СВЧ-энергии на выбранные станции антенн-выпрямителей.

40. Система по п.39, дополнительно содержащая, по меньшей мере, одну лунную солнечную электростанцию, расположенную на Луне, для обеспечения дополнительной энергией указанных станций антенн-выпрямителей, причем лунная солнечная электростанция содержит множество коллекторов солнечной энергии для сбора солнечного излучения, узел преобразователя для преобразования солнечной энергии в СВЧ-излучение и СВЧ-передатчик для передачи одного или нескольких СВЧ-пучков выбранным орбитальным перенаправляющим спутникам, где СВЧ-пучки могут быть перенаправлены на выбранные станции антенн-выпрямителей на Земле.

41. Система по п.39, в которой орбитальный перенаправляющий спутник содержит орбитальное зеркало и устройство ориентации для нацеливания зеркала на выбранную станцию антенны-выпрямителя.

42. Система по п.39, в которой орбитальный перенаправляющий спутник содержит орбитальную антенну-выпрямитель для преобразования СВЧ-пучка в электроэнергию и СВЧ-передатчик, питающийся преобразованной электроэнергией, для передачи одного или нескольких СВЧ-пучков одной или нескольким станциям антенн-выпрямителей на Земле.

43. Система по п.39, в которой орбитальный перенаправляющий спутник содержит отражательную решетку для приема поступающего пучка СВЧ-излучения и деления пучка на множество исходящих СВЧ-пучков, направленных на выбранные станции антенн-выпрямителей на Земле.

44. Система по п.39, в которой каждая станция антенны-выпрямителя расположена в ближней зоне перенаправленного СВЧ-пучка.

45. Система по п.39, в которой орбитальный перенаправляющий спутник находится на негеостанционарной орбите.

46. Система по п.36, дополнительно содержащая временную станцию антенны-выпрямителя, содержащую множество гибких панелей антенны-выпрямителя, предназначенных для размещения во временном месте, и средства идентификации временного места для одного или нескольких орбитальных перенаправляющих спутников, причем на временную станцию антенны-выпрямителя может быть направлен один или несколько СВЧ-пучков.

47. Система по п.46, в которой каждая станция антенны-выпрямителя дополнительно содержит множество детекторов, расположенных по периметру станции антенны-выпрямителя для обнаружения падающего СВЧ-пучка, устройство определения баланса, соединенное с выходом каждого детектора, для контроля мощности, принимаемой детекторами, и выдачи выходного корректирующего сигнала при обнаружении нарушения баланса энергии, принятой детекторами, что показывает, что пучок не попадает точно в центр станции антенны-выпрямителя, и передатчик для передачи корректирующего сигнала орбитальному перенаправляющему спутнику, который посылает СВЧ-пучок на станцию антенны-выпрямителя, причем направление СВЧ-пучка может быть скорректировано на основании обнаруженного нарушения баланса принятого сигнала по периметру станции антенн-выпрямителей.

48. Способ выработки и транспортировки энергии, содержащий этапы, на которых:
преобразуют топливо или другой источник энергии в электроэнергию в первом месте на Земле;
преобразуют электроэнергию, по меньшей мере, в один пучок СВЧ-энергии в передатчике в указанном первом месте;
передают пучок энергии непосредственно на базирующуюся на Луне приемную станцию, находящуюся во втором месте на Луне; и
преобразуют принятую СВЧ-энергию в электроэнергию для обеспечения энергией работ, проводимых на Луне.

49. Способ по п.48, дополнительно содержащий этап передачи пучка энергии от указанного передатчика на перенаправляющий спутник, находящийся на орбите вокруг Луны, и направления пучка на базирующуюся на Луне приемную станцию, находящуюся в третьем месте на противоположной от Земли стороне Луны.

50. Способ выработки и транспортировки энергии, содержащий этапы, на которых:
преобразуют топливо или другой источник энергии в электроэнергию в первом месте на Земле;
преобразуют электроэнергию, по меньшей мере, в один пучок СВЧ-энергии в передатчике в указанном первом месте;
передают пучок энергии на орбитальный космический корабль; и используют энергию для нагрева воздуха для выведения корабля на орбиту вокруг Земли.

51. Система выработки и распределения энергии, содержащая:
по меньшей мере, одну электростанцию в первом месте на Луне, содержащую устройство выработки электроэнергии для преобразования топлива или другого источника энергии в электроэнергию, и СВЧ-передатчик, связанный с устройством выработки электроэнергии для преобразования электроэнергии, по меньшей мере, в один СВЧ-пучок, причем передатчик включает устройство направления пучка для направления СВЧ-пучка;
по меньшей мере, один орбитальный перенаправляющий спутник для принятия СВЧ-пучка; и
по меньшей мере, одну станцию антенны-выпрямителя во втором месте на Луне для принятия одного или нескольких СВЧ-пучков;
причем спутник имеет средство направления пучка для направления, по меньшей мере, одного выбранного СВЧ-пучка на станцию антенны-выпрямителя.