СИСТЕМА В КОСМОСЕ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ФОТОСИНТЕЗА И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ Российский патент 2013 года по МПК B64G1/42 

Настоящее изобретение относится к спутнику ретрансляции солнечного света, а также к приложениям, использующим один или несколько спутников такого типа.

Хотя и не исключительно, задачей настоящего изобретения, в частности, является освещение, посредством солнечного света, в частности, ночью, географических областей земного шара, имеющих большую площадь, например, несколько десятков квадратных километров.

Известно, что простой отражатель солнечного света, установленный на спутнике, не способен освещать такую площадь поверхности Земли, если используемый отражатель не имеет очень большую площадь, в связи с чем, его масса и инертность оказываются очень большими, со всеми вытекающими последствиями (реализация, стоимость, позиционирование и т.д.). В порядке иллюстрации, чтобы осветить поверхность Земли площадью около ста квадратных километров, несомненно нужно обеспечить отражатель с площадью поверхности порядка нескольких тысяч квадратных метров, если необходимо направить на Землю полную мощность в несколько мегаватт. Отражатель (зеркало) с такой площадью поверхности не только трудно выполнить и вывести на орбиту, но он будет иметь такую инертность, что для его перенацеливания потребуется мощная приводная система, и она займет много времени. Таким образом, было бы трудно регулярно проводить перенацеливание, поэтому вряд ли будет удобно часто изменять освещаемую область.

Кроме того, в документе US-5,019,768 раскрыта система для передачи микроволнового излучения с Луны на Землю с использованием микроволнового отражателя, размещенного на околоземной орбите и посылающего обратно на Землю излучение, принятое с Луны. Такой отражающий спутник не способен освещать большую площадь поверхности Земли.

Задачей настоящего изобретения является исправление вышеупомянутых недостатков. Оно относится к спутнику ретрансляции солнечного света, позволяющему ретранслировать солнечный свет на небесное тело, в частности, для освещения области большой площади небесного тела, включая Землю, с возможностью легко изменять эту область.

Для этого, согласно изобретению, спутник ретрансляции солнечного света отличается тем, что содержит, по меньшей мере, один комплект бортовых следующих элементов, образующие:

- первый оптический узел, предназначенный для сбора солнечного света и положение которого является неподвижным по отношению к конструкции спутника;

- второй оптический узел, меньший по размеру и инертности, чем первый оптический узел, предназначенный для ретрансляции света, собранного первым оптическим узлом, с более высокой плотностью ретранслируемого потока, чем плотность собранного потока, ориентацию которого по отношению к конструкции спутника ретрансляции можно изменять для изменения направления оси, по которой ретранслируют свет;

- дистанционно управляемое средство, способное регулировать ориентацию второго оптического узла; и

- средство передачи света, выполненное с возможностью передачи с первого оптического узла на второй оптический узел, независимо от ориентации последнего, любого света, собранного первым оптическим узлом.

Таким образом, благодаря разделению функции сбора света (выполняемой первым оптическим узлом) и функции ретрансляции света (выполняемой вторым оптическим узлом) и благодаря концентрации света (описана ниже) можно по отдельности выполнить такие два оптических узла, и это отвечает оптимальным характеристикам для поставленной задачи, т.е. ретрансляции света на большие участки поверхности и способности легко изменять такие участки, что описано ниже.

Действительно:

- поскольку, согласно этому изобретению, первый оптический узел предназначен только для сбора солнечного света, он должен быть просто направлен на Солнце и не подлежит переориентации, причем достаточно некоторых небольших и не частых корректировок позиции и ориентации спутника. Таким образом, допустимо, чтобы этот первый оптический узел имел значительные инертность и размер, позволяющие собирать большое количество солнечного света, и

- поскольку, согласно этому изобретению, только функция второго оптического узла содержит ретрансляцию собранного (и сконцентрированного) солнечного света, его можно выполнить с гораздо меньшими размером и инертностью, чем у первого оптического узла. Это позволяет упростить изменение его ориентации относительно тела спутника и обеспечить средство, способное регулировать, легко и с менее значительными затратами, ориентацию ретранслируемого солнечного света. Таким образом, можно легко и быстро изменять освещаемую область.

Заметим, что спутник рестрансляции, в соответствии с этим изобретением, не соответствует простому спутнику-ретранслятору с двумя оптическими узлами. Действительно, простой спутник-ретранслятор (который лишь перенаправляет принятый свет, как есть) потребовал бы оптических узлов одинакового размера, тогда как, согласно настоящему изобретению, собранный солнечный свет концентрируется до ретрансляции, что позволяет обеспечить вышеупомянутые преимущественные характеристики.

В конкретном варианте осуществления, спутник ретрансляции содержит средство фильтрации для фильтрации собранного света, так, что второй оптический узел ретранслирует свет только в, по меньшей мере, одном заранее определенном частотном диапазоне. Предпочтительно, средство фильтрации получено путем обработок поверхности и с использованием надлежащих материалов для, по меньшей мере, одного из следующих элементов спутника ретрансляции: второго оптического узла и средства передачи света.

Кроме того, в конкретном варианте осуществления, средство передачи света содержит одно из следующих средств:

- перископ;

- комплект световодов; и

- по меньшей мере, одно оптическое волокно.

Настоящее изобретение также относится к способу освещения конкретной области небесного тела, в частности Земли.

Для этого способ отличается тем, что:

- по меньшей мере, один спутник ретрансляции солнечного света, например, вышеупомянутый, выводят на орбиту вокруг небесного тела;

- такой спутник ретрансляции ориентируют так, чтобы первый оптический узел спутника ретрансляции всегда оставался направленным на Солнце, по меньшей мере, когда спутник ретрансляции проходит над данным регионом небесного тела, давая возможность собирать солнечный свет при его прохождении; и

- ориентацию второго оптического узла спутника ретрансляции дистанционно регулируют, чтобы он ретранслировал собранный солнечный свет на освещаемую область небесного тела, когда спутник ретрансляции проходит над регионом.

Это изобретение дополнительно относится к системе в космосе для усиления фотосинтеза на Земле.

Согласно изобретению, система в космосе содержит:

- по меньшей мере, один спутник ретрансляции солнечного света, например, вышеупомянутый, размещенный на околоземной орбите, ориентированный так, чтобы первый оптический узел спутника ретрансляции всегда оставался направленным на Солнце, по меньшей мере, когда он проходит над данным регионом Земли, давая возможность собирать солнечный свет при его прохождении; и

- центр управления для спутника ретрансляции, предпочтительно обеспеченный на Земле. Центр управления содержит, в частности, средство управления, способное дистанционно регулировать ориентацию второго оптического узла спутника ретрансляции и выполненное с возможностью регулировать ориентацию таким образом, чтобы спутник ретрансляции ретранслировал собранный солнечный свет на данную область Земли, при прохождении над регионом, для усиления фотосинтеза в этой области.

Известно, что в настоящее время, активность фотосинтеза на суше и в море в основном определяется суточным циклом освещенности и годовым климатическим циклом. В некоторых регионах земного шара применяются теплицы для продления периода вегетации растений. Такие теплицы обогреваются и освещаются обычными средствами, чаще всего с использованием ископаемого топлива. Некоторые теплицы обогреваются энергией, поступающей от башен охлаждения атомных электростанций, и освещаются электричеством, вырабатываемым такими станциями. В любом случае, такие теплицы потребляют энергию, вырабатываемую на электростанциях, и практически обслуживают население, имеющее в наличии средства, необходимые для возведения этих теплиц и снабжения их энергией.

Благодаря вышеупомянутой системе, в соответствии с этим изобретением, можно усиливать фотосинтез в любой области Земли, используя для этого бесплатную и легкодоступную энергию, каковой является солнечная энергия.

В предпочтительном варианте осуществления средство фильтрации для спутника ретрансляции выполнено с возможностью фильтровать собранный свет для ретрансляции света в заданных частотных диапазонах, соответственно, около 450 нм и 660 нм, соответствующих световым частотам, используемым для фотосинтеза. Таким образом, на Землю ретранслируется только часть солнечного спектра, полезная для фотосинтеза растений и водорослей. Это позволяет ускорить рост растений и водорослей без пропорционального увеличения доз ультрафиолетового и инфракрасного излучения, принимаемого на земле.

Кроме того, преимущественно, средство управления для центра управления содержит:

- вычислительный блок для определения команд управления, предназначенных средству регулировки, для ориентации второго оптического узла спутника ретрансляции; и

- средство выдачи данных, выполненное с возможностью передачи команд управления на средство регулировки через взаимодействующее средство приема данных, установленное на спутнике ретрансляции.

Кроме того, преимущественно, система содержит также центр обслуживания, передающий на центр управления запросы потребителей, касающиеся усиления фотосинтеза в, по меньшей мере, одной конкретной области Земли. Такими потребителями могут быть, например, сельскохозяйственные компании или кооперативы, планирующие увеличить урожаи за счет усиления фотосинтеза, в том числе в ночное время, на своих угодьях.

Прилагаемые чертежи служат для пояснения возможных реализаций этого изобретения. Чертежи снабжены сквозной системой обозначений.

Фиг.1 схематически показывает систему в соответствии с изобретением для освещения участка небесного тела, в том числе Земли, в частности для усиления фотосинтеза на нем.

Фиг.2 схематически показывает спутник ретрансляции солнечного света в соответствии с изобретением, который составляет часть системы.

Система 1 в соответствии с изобретением и схематически показанная на фиг.1, является системой в космосе, предназначенной для освещения солнечным светом области Z небесного тела T, в том числе, Земли.

Для этого система 1 содержит, по меньшей мере, один спутник 2 ретрансляции солнечного света, который размещен на орбите вокруг небесного тела T.

Согласно изобретению, спутник 2 содержит, как показано, в частности, на фиг.2:

- оптический узел 3, ориентированный по оси 4 (сбора), всегда направленной на Солнце S, когда спутник 2 проходит над данным регионом RE небесного тела T, чтобы иметь возможность непосредственно собирать солнечный свет в виде солнечного излучения R1. Позиция оптического узла 3 с большими размером и инертностью является неподвижной по отношению к конструкции (или телу) 5 спутника 2;

- оптический узел 6, с гораздо меньшими размером и инертностью, чем у оптического узла 3. Оптический узел 6 ориентирован по оси 7, направленной на небесное тело T, для ретрансляции, в виде излучения R2, света, собранного оптическим узлом 3, при прохождении над регионом RE (соответствующем, например, части страны). Свет ретранслируется с плотностью потока, значительно превосходящей плотность потока собранного излучения R1, как результат концентрация света, происходящей на спутнике 2, что описано ниже. Кроме того, ориентация оптического узла 6 может изменяться по отношению к конструкции 5 спутника 2 для изменения (нацеливания) направления оси 7 ретрансляции света;

- средство 8, управляемое дистанционно, что описано ниже, и способное регулировать (т.е. изменять) ориентацию (оси 7) оптического узла 6, что показано штрихпунктирной линией 9 и

- средство 10 передачи света, которое выполнено с возможностью передачи с оптического узла 3 на оптический узел 6, независимо от его ориентации, любого света, собранного оптическим узлом 3 для ретрансляции оптическим узлом 6, представленного как излучение Ri.

Помимо спутника 2 ретрансляции, система 1 дополнительно содержит центр управления 11 для спутника 2 ретрансляции, предпочтительно, обеспеченный на Земле T. Центр управления 11 содержит, в частности, средство управления 12, способное дистанционно регулировать ориентацию оптического узла 6 спутника 2 ретрансляции и выполненное с возможностью регулировать ориентацию таким образом, чтобы спутник 2 ретрансляции ретранслировал солнечный свет (по оси ретрансляции 7) на данную область Z Земли T, когда он проходит над регионом RE, в частности, для усиления фотосинтеза в этой области Z (которая является, например, сельскохозяйственным угодьем, находящимся в регионе RE).

Таким образом, с одной стороны, благодаря тому, что функция сбора света (реализованная оптическим узлом 3) отделена от функции ретрансляции света (реализованной оптическим узлом 6), и, с другой стороны, благодаря концентрации света, два оптических узла 3 и 6 можно обеспечить по отдельности, и это отвечает оптимальным характеристикам для поставленной задачи, т.е. ретрансляции солнечного света на, по меньшей мере, одну большую область Z и ее простого изменения.

Действительно:

- поскольку оптический узел 3 предназначен только для сбора солнечного света, он должен быть просто направлен на Солнце S (при прохождении над регионом RE) и не подлежит переориентации, хотя, вероятно, необходимы некоторые небольшие и нечастые корректировки позиции и ориентации спутника 2. Таким образом, он может обладать значительными инертностью и размером, чтобы иметь возможность собирать большое количество солнечного света; и

- оптический узел 6, имеющий только функцию ретрансляции собранного (и сконцентрированного) солнечного света, может быть выполнен с гораздо меньшими размером и инертностью, чем у оптического узла 3. Это позволяет упростить изменение его ориентации по сравнению с телом 5 спутника 2 и обеспечить средство 8, способное регулировать, легко и с менее значительными затратами, ориентацию оптического узла 6. Таким образом, можно легко и быстро изменять ориентацию оси 7 и, таким образом, положение на небесном теле T области Z, освещаемой, когда спутник 2 проходит над регионом RE.

Заметим, что спутник 2 ретрансляции в соответствии с изобретением не соответствует простому спутнику-ретранслятору с двумя оптическими узлами. Действительно, простой спутник-ретранслятор (который лишь перенаправляет принятый свет, как есть) потребовал бы оптических узлов одинакового размера, тогда как, согласно настоящему изобретению, собранный солнечный свет концентрируется до ретрансляции, что позволяет обеспечить вышеупомянутые преимущественные характеристики.

Кроме того, в конкретном варианте осуществления спутник 2 ретрансляции содержит множество оптических узлов 3 и/или множество оптических узлов 6.

Средство управления 12 центра управления 11 содержит:

- вычислительный блок 15 для определения команд управления, предназначенных средству 8 для регулировки ориентации оптического узла 6 спутника 2 ретрансляции; и

- средство 13 выдачи данных, выполненное с возможностью передачи команд управления на взаимодействующее средство 14 приема данных (установленное на спутнике 2 ретрансляции) по линии передачи электромагнитной волны L, например, типа TM-TC. Средство 14 передает команды управления на средство регулировки 8.

Центр управления 11 дополнительно содержит обычное средство 16 управления спутником, взаимодействующее, в частности, со средством 17 спутника 2. Средство 17 может содержать, в частности, комплект обычных элементов и функциональных возможностей любого спутника, предназначенных, в частности, для:

- управления высотой и коррекции орбиты OR спутника 2;

- обеспечения необходимого электропитания и

- обеспечения необходимого теплового режима для работы бортового оборудования.

В предпочтительном варианте осуществления:

- оптический узел 3 содержит первое зеркало 19 с очень большой поверхностью, ориентированное на Солнце S по оси 4 и фокусирующее (т.е. обеспечивающее схождение) собранный свет на второе зеркало 20, связанное со средством 10 передачи света; и

- оптический узел 6 содержит, по меньшей мере, один аналогичный комплект средств 21 и 22 для ретрансляции собранного света, т.е. первое зеркало 21 (с меньшей поверхностью, чем у зеркала 19), ориентированное на небесное тело T по оси 7 и принимающее свет от второго зеркала 22, связанного со средством 10 передачи света, и обеспечивающее его расхождение.

Поскольку расхождение, обеспечиваемое узлом 6, меньше, чем схождение, обеспечиваемое узлом 3, солнечный свет в большей степени концентрируется в ретранслируемом излучении R2, чем в собранном излучении R1, т.е. имеет значительно более высокую плотность потока.

Передача света от оптического узла 3 осуществляется посредством обычных элементов, составляющих часть средства 10. Средство 10 предпочтительно содержит одно из средств, а именно:

- перископ;

- комплект световодов и

- по меньшей мере, одно оптическое волокно.

Зеркала 21 и 22 могут состоять из нескольких частей, выполненных из такого материала, как карбид кремния, выдерживающий высокие температуры, возникающие при ожидаемой высокой плотности потока.

В конкретном варианте осуществления спутник 2 ретрансляции содержит средство фильтрации для фильтрации собранного света, так что оптический узел 6 ретранслирует свет только в, по меньшей мере, одном предопределенном частотном диапазоне. Предпочтительно, средство фильтрации получают путем обработок поверхности используемых зеркал, в частности оптического узла 6, и с использованием надлежащих материалов для средства 10 передачи света.

Таким образом, система 1 в соответствии с изобретением, пригодна, в частности, для освещения конкретной области Z любого небесного тела T, в частности Земли, а также, например, Луны. В конкретном варианте осуществления система 1 содержит множество спутников 2 ретрансляции, подобных вышеописанному, обращающихся вокруг небесного тела T, либо по одной и той же орбите OR, либо по разным орбитам.

В предпочтительном, но не исключительном, варианте осуществления система 1 предназначена для освещения участка Z Земли T для усиления фотосинтеза на нем.

В таком предпочтительном варианте осуществления средство управления 12 предназначено для дистанционной регулировки ориентации оптического узла 6 спутника 2 ретрансляции, чтобы спутник 2 ретрансляции ретранслировал собранный солнечный свет на данную область Z Земли T, при прохождении над конкретным регионом RE, для усиления фотосинтеза в этой области Z.

Система 1, согласно этому предпочтительному варианту осуществления, таким образом, способна создавать дополнительное освещение и, таким образом, усиливать фотосинтез в любой области Z Земли T, используя для этого бесплатную и легкодоступную энергию, каковой является солнечная энергия.

В таком предпочтительном варианте осуществления, средство фильтрации спутника 2 ретрансляции выполнено с возможностью ретранслировать свет в заданных частотных диапазонах, соответственно, около 450 нм и 660 нм, соответствующих световым частотам, используемым для фотосинтеза. Таким образом, на Землю ретранслируется только часть солнечного спектра, полезная для фотосинтеза растений и водорослей. Это позволяет ускорить рост растений и водорослей без пропорционального увеличения доз ультрафиолетового и инфракрасного излучения, принимаемого на земле.

Кроме того, система 1 содержит также центр обслуживания (не показанный), передающий на центр управления 11 запросы от потребителей, касающиеся усиления фотосинтеза в конкретных областях Земли T. Такими потребителями могут быть, например, сельскохозяйственные компании или кооперативы, планирующие увеличить урожаи за счет усиления фотосинтеза (в том числе в ночное время), на своих угодьях. В этом предпочтительном варианте осуществления система 1, таким образом, способствует дополнительному развитию сельского хозяйства.

Центр обслуживания определяет расписание работы спутника(ов) 2 и гарантирует выполнение обслуживания и соответствующее выставление счетов. Центр обслуживания может располагаться в центре управления 11.

Изобретения относятся к области космической энергетики и могут использоваться для интенсификации процесса фотосинтеза на Земле. Система содержит спутник (2) по меньшей мере с двумя оптическими узлами. Первый узел (3) предназначен для сбора солнечного света и всегда при работе ориентирован на Солнце. Второй оптический узел (6), менее габаритный и инерционный, предназначен для ретрансляции на область (Z) светового потока с более высокой плотностью энергии, чем плотность собранного потока. Его ориентация дистанционно регулируется из управляющего центра (11). Между оптическими узлами (3) и (6) предусмотрено средство (10) передачи света с узла (3) на узел (6). Оптический узел (6) ретранслирует свет только в определенных частотных диапазонах - около 450 нм и 660 нм. Это достигается фильтрацией лучистого потока, например, специальной обработкой отражающих поверхностей устройств (6), (10) и их изготовлением из определенный материалов. Техническим результатом изобретений является возможность освещать солнечным потоком высокой плотности и в требуемом спектральном диапазоне достаточно большие площади поверхности небесного тела (Земли) для интенсификации на них процесса фотосинтеза. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ усиления фотосинтеза на Земле (Т), включающий этапы, на которых выводят на орбиту вокруг Земли (Т) по меньшей мере один спутник (2) ретрансляции солнечного света, содержащий по меньшей мере один комплект, в который входят следующие бортовые элементы:
первый оптический узел (3), предназначенный для сбора солнечного света и положение которого является неподвижным по отношению к конструкции (5) спутника (2) ретрансляции,
второй оптический узел (6), меньший по размеру и инерционности, чем первый оптический узел (3), и предназначенный для ретрансляции света, собранного упомянутым первым оптическим узлом (3), с более высокой плотностью ретранслируемого потока, чем плотность собранного потока, ориентацию которого по отношению к конструкции (5) спутника (2) ретрансляции можно изменять для изменения направления оси (7), по которой ретранслируют свет,
дистанционно управляемое средство (8), способное регулировать ориентацию упомянутого второго оптического узла (6),
средство (10) передачи света, выполненное с возможностью передачи от упомянутого первого оптического узла (3) на второй оптический узел (6), независимо от ориентации последнего, любого света, собранного первым оптическим узлом (3), и
средство фильтрации для фильтрации собранного света так, чтобы второй оптический узел (6) ретранслировал свет только в заданных частотных диапазонах - около 450 нм и 660 нм,
при этом ориентируют спутник (2) ретрансляции так, чтобы первый оптический узел (3) спутника (2) ретрансляции всегда оставался направленным на Солнце (S) по меньшей мере, когда спутник (2) ретрансляции проходит над данным регионом (RE) небесного тела (Т), давая возможность собирать солнечный свет при его прохождении, и дистанционно регулируют ориентацию второго оптического узла (6) спутника (2) ретрансляции так, чтобы ретранслировать собранный солнечный свет в данную область (Z) Земли (Т) при его прохождении над регионом (RE) для усиления фотосинтеза в этой области (Z) Земли (Т).

2. Система (1) в космосе для усиления фотосинтеза на Земле (Т), которая содержит по меньшей мере один спутник (2) ретрансляции солнечного света, включающий в себя по меньшей мере один комплект, в который входят следующие бортовые элементы:
первый оптический узел (3), предназначенный для сбора солнечного света, неподвижный по отношению к конструкции (5) спутника (2) ретрансляции,
второй оптический узел (6), меньший по размеру и инерционности, чем первый оптический узел (3), и предназначенный для ретрансляции света, собранного первым оптическим узлом (3), с более высокой плотностью ретранслируемого потока, чем плотность собранного потока, ориентацию которого по отношению к конструкции (5) спутника (2) ретрансляции можно изменять для изменения направления оси (7), по которой ретранслируют свет,
дистанционно управляемое средство (8), способное регулировать ориентацию второго оптического узла (6),
средство (10) передачи света, выполненное с возможностью передачи от первого оптического узла (3) на второй оптический узел (6), независимо от ориентации последнего, любого света, собранного первым оптическим узлом (3),
средство фильтрации для фильтрации собранного света так, чтобы второй оптический узел (6) ретранслировал свет только в заданных частотных диапазонах - около 450 нм и 660 нм,
центр управления (11) спутника (2) ретрансляции, содержащий средство управления (12), способное дистанционно регулировать ориентацию второго оптического узла (6) спутника (2) ретрансляции и выполненное с возможностью регулировать его ориентацию таким образом, чтобы спутник (2) ретрансляции ретранслировал собранный солнечный свет на данную область (Z) Земли (Т) при его прохождении над заданным регионом (RE) для усиления фотосинтеза в этой области (Z) Земли (Т),
при этом спутник (2) ретрансляции размещен на орбите вокруг Земли (Т), будучи ориентирован так, чтобы первый оптический узел (3) всегда оставался направленным на Солнце (S) по меньшей мере при его прохождении над указанным регионом (RE) Земли (Т), давая возможность собирать солнечный свет при его прохождении.

3. Система по п.2, в которой средство фильтрации спутника (2) ретрансляции выполнено путем поверхностной обработки и использования надлежащих материалов для поверхности по меньшей мере одного из следующих элементов: второго оптического узла (6) и средства (10) передачи света.

4. Система по п.2, в которой средство (10) передачи света спутника (2) ретрансляции содержит один из следующих элементов: перископ, комплект световодов, по меньшей мере одно оптическое волокно.

5. Система по п.2, в которой средство управления (12) центра управления (11) содержит вычислительный блок (15) для определения команд управления, предназначенных средству (8) для регулировки ориентации второго оптического узла (6) спутника (2) ретрансляции, и средство (13) выдачи данных, выполненное с возможностью передачи команд управления на указанное средство регулировки (8) через взаимодействующее с ним средство (14) приема данных, установленное на спутнике (2) ретрансляции.

6. Система по п.2, которая дополнительно включает в себя центр обслуживания, передающий на центр управления (11) запросы от потребителей, касающиеся усиления фотосинтеза по меньшей мере в одной конкретной области (Z) Земли (Т).