В космосе обнаружено скопление электромагнитного «мусора»
Источник «мусора» — разветвленная сеть высоковольтных линий электропередачи
Ученые считают, что это может привести к сбою в работе беспроводных систем. Об этом свидетельствуют данные спутниковых наблюдений, которые проанализировали ученые Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН) и Тольяттинского госуниверситета (ТГУ).
Фото: NASA
Фото: NASA
Линии электропередачи (ЛЭП), работающие на основной промышленной частоте 50–60 Гц (Power Line Emission, PLE), буквально опоясывают землю. Это протянутые на многие сотни и тысячи километров гигантские источники мощного излучения, способного проникать не только в атмосферу, но и ионосферу Земли и нарастающего по мере технологического развития человечества.
«Наша планета сегодня находится в постоянном электромагнитном окружении. Его создают не только природные процессы (электрическое и постоянное магнитное поле Земли, радиоволны Солнца и звезд, атмосферные процессы), но и мы сами, люди,— говорит заведующий лабораторией “Физика околоземного пространства” ИФЗ РАН Вячеслав Пилипенко.— Идеально работающие ЛЭП ничего не должны излучать, потому что любое излучение — это дополнительные потери энергии, и энергетики принимают меры, чтобы их избежать. Но в промышленных районах под действием сильной нагрузки или при сильных геомагнитных возмущениях ЛЭП выходят из идеального режима работы».
Трехфазная линия передачи энергии на большие расстояния должна быть сбалансированной. Это значит, что напряжения и токи каждой из фаз имеют одинаковую амплитуду, а сдвиг амплитуды по фазе равен 120 градусам. Если хотя бы одно условие не выполняется, то система становится разбалансированной, что приводит к снижению эффективности работы ЛЭП и потерям мощности из-за излучения электромагнитной энергии.
Источником дисбаланса является неравномерность нагрузки. Скоростные железные дороги, индукционные печи в металлургии, компьютеры, системы освещения и даже чайники — все это нелинейные потребители энергии и главные «виновники» возникающей неравномерной нагрузки.
«Из-за нелинейных элементов в системах потребителей промышленных районов в ЛЭП генерируются высшие гармоники — токи или напряжения, частота которых превышает основное колебание 50–60 Гц и кратна этой частоте основного колебания. Высшие гармоники тока не вносят вклад в активную мощность, но оказывают термическую нагрузку на сеть. И тогда ЛЭП может работать как излучающая антенна. Наши расчеты показали, что излучение это может быть достаточно сильным. Настолько, что его способны зарегистрировать спутники. Люди, которые занимаются спутниковыми наблюдениями, изучают в основном природные процессы. Но когда на фоне природных шумов проявляется вот такая “активность” наших линий электропередачи, ее уже невозможно игнорировать. Стабильное излучение на 50 и 60 Гц — природа такого создать не может»,— предупреждает Вячеслав Пилипенко.
Электромагнитные излучения в ионосфере фиксировались спутниками DEMETER (высота орбиты примерно 660 км) и «Чибис-М» (высота 500 км). Статистика, собранная геофизиками за десять лет, показала, что интенсивность PLE над промышленно развитыми районами уже значительно превышает средний уровень.
Самыми «мощными» потребителями электроэнергии оказались европейские страны, Китай, Индия, США, Канада, а также регионы европейской части России и Дальний Восток. Поэтому активным изучением эффекта электромагнитного «загрязнения» околоземного пространства занимаются прежде всего исследователи промышленно развитых стран. В последние годы активизировались китайцы, так как самые протяженные и сверхвысоковольтные ЛЭП располагаются именно в Китае.
Этой проблемой ученые заинтересовались еще в 80-х годах прошлого столетия. Так, на одной из сессий COSPAR (Комитета по космическим исследованиям) рассматривался вопрос о возможном влиянии электромагнитных излучений промышленных потребителей на ионосферу и был отмечен эффект так называемого выходного дня — увеличение электромагнитных излучений очень низких частот в ионосферу в рабочие дни по сравнению с выходными днями (электромагнитное «дыхание» земной цивилизации в околоземное космическое пространство).
Теоретические модели, позволяющие достоверно оценить степень проникновения энергии PLE в верхнюю ионосферу, в рамках совместного с ИФЗ РАН исследования разрабатывали специалисты института химии и энергетики Тольяттинского госуниверситета. Как отметила заведующий кафедрой «Электроснабжение и электротехника» ТГУ профессор Вера Вахнина, для российских исследователей электромагнитное загрязнение околоземного пространства — тема новая.
«Растущие передаваемые мощности и напряжения ЛЭП говорят о том, что из-за деятельности человека электромагнитного излучения становится все больше и больше, причем не только на Земле, но и в космосе. Мы пока не можем достоверно и в полной мере прогнозировать, к чему приведет такое “загрязнение” околоземного космического пространства, как повлияет на земные технологические системы. Это вторичный эффект. Однако исходя из проведенных исследований возникает предположение, что в первую очередь это может оказать влияние на спутниковую связь на базе низкоорбитальных спутников — а это системы радиосвязи, высокоскоростной интернет, системы геолокации. То есть все те блага на основе беспроводных технологий, к которым привыкло современное человечество. Поэтому необходимо внимательно отслеживать источники интенсивного электромагнитного излучения на Земле, чтобы своевременно разрабатывать способы защиты, если они понадобятся, и решать вопрос с уменьшением этого воздействия на технологические системы»,— комментирует Вера Вахнина.
Вера Вахнина, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение и электротехника» Тольяттинского государственного университета, ответила на вопросы «Ъ-Науки»:
— С помощью каких технологий ученые могут оценить степень проникновения энергии PLE в верхнюю ионосферу?
— В работе использованы результаты наблюдений PLE в ионосфере отечественного микроспутника «Чибис-M» (высота орбиты 500 км) и французского спутника DEMETER (высота 660 км). Мерялось электромагнитное поле, и были обнаружены излучения в ионосфере на частоте 50 Гц (рабочая частота электрической сети РФ) и 60 Гц (рабочая частота электрических сетей ряда зарубежных стран, например США, Японии и т. д.), причем именно в моменты нахождения спутников над промышленно развитыми районами Земли, где проложены протяженные высоковольтные ЛЭП. Также интерес вызвал тот момент, что было зарегистрировано излучение в ионосфере на частотах кратных 50 или 60 Гц, в частности на частоте 150 Гц. Естественно, возник вопрос, что это за эффект?
— Как проходило совместное исследование?
— ИФЗ — результаты наблюдений спутников, обработка результатов, так как они имеет доступ к данным. ТГУ — разработка математических моделей для энергосистемы, в том числе и с неравномерной загрузкой ЛЭП. Неравномерность нагрузки дают также так называемые геоиндуцированные токи, которые возникают и проникают в сети при геомагнитных бурях, и также вызывают неравномерность загрузки сети. У ТГУ большой опыт компьютерного моделирования электрических сетей при воздействии на сети природных и техногенных факторов (приобретен за 15-летний опыт работы с РФЯЦ).
— Опасно ли электромагнитное загрязнение для здоровья человека?
— На Земле электромагнитное загрязнение точно опасно для здоровья человека. Для воздушных ЛЭП предусмотрены санитарно-защитные зоны (есть нормативы). Про это много информации, изучают давно. Как излучение от ЛЭП, вызванное в космосе, повлияет на наше здоровье — вопрос для будущих исследований, хотя данный вопрос уже поднимается учеными США, Китая и Японии. На данный момент прямых данных нет. Но уровень энергии, излучаемой в околоземное пространство, растет очень быстро, так как увеличиваются количество и протяженность ЛЭП сверхвысокого напряжения (активно в Китае) из-за быстрого промышленного развития.
— На ваш взгляд, можно ли будет в дальнейшем минимизировать излучение от линий электропередачи? И как?
— Рассматривается излучение от воздушных ЛЭП. Минимизировать можно. Например, отказаться от ЛЭП переменного тока и использовать высоковольтные кабельные линии, проложенные или непосредственно в земле, или в тоннелях (прокладывают тоже в земле). Но передача больших потоков мощности на большие расстояния невозможна из-за больших потерь, а также кабельные линии значительно дороже воздушных линий переменного тока. Можно перейти на высоковольтные газоизолированные линии — новые технологии (линия помещается в металлическую оболочку, заполненную специальным газом). Дорогое удовольствие на данный момент и рассматривается как альтернатива кабельным линиям.
Другой вариант — постепенный переход на высоковольтные ЛЭП постоянного тока. При этом надо помнить, что потребители переменного тока есть и будут, и поэтому для этого необходимы устройства преобразования переменного тока в постоянный и наоборот (что приводит к значительному удорожанию сетей). Хотя вопрос о строительстве суперсетей постоянного тока рассматривался в СССР (и мы когда-то обладали передовыми технологиями в этом вопросе), сейчас технологическим преимуществом, к сожалению, обладает Китай.