• Как мы защитим Землю от катастрофы, связанной с солнечной бурей

От ткани мировой экономики до семей, планирующих сегодняшний ужин, коммуникационные сети - и лежащая в их основе электросеть - более тесно связаны с нашей жизнью, чем когда-либо прежде. Но все эти сети могут исчезнуть в мгновение ока.

Геомагнитная буря, вызванная всплеском солнечной энергии, может обрушить энергосистему страны и вывести из строя вышки сотовой связи и сети связи. Точно так же созданное людьми электромагнитное импульсное (ЭМИ) оружие может временно уничтожить сети, которые соединяют и поддерживают нас.

Это будет намного хуже, чем отключение электричества: вместе с огнями будет отключена и сама информация.

Эксперты не относятся к этому легкомысленно. От космических исследований солнечной энергии до новых усилий, которые могут защитить электростанции от нападения, наука сопротивляется, чтобы наши связи оставались открытыми.

Смотреть на солнце

Иногда Солнце высвобождает сдерживаемую энергию в виде солнечной вспышки или выброса корональной массы (CME), который представляет собой взрыв плазмы. Спутниковые данные помогают ученым предсказывать эти солнечные извержения, но все еще остается много вопросов о том, как работает Солнце; ответ на них улучшил бы прогнозы космической погоды.

Магнитное поле Земли защищает нас от солнечного огненного шланга энергии, но иногда солнце преодолевает защиту планеты. Когда это происходит, солнечное излучение нагревает верхние слои атмосферы и заряжает их электричеством, что и вызывает полярные сияния на северном и южном полюсах.

Когда выброс корональной массы происходит примерно на день позже, он взаимодействует с магнитным полем Земли и резко меняет его, объясняет Томас Бергер, физик-солнечник из Боулдера, штат Колорадо, где находится Центр прогнозирования космической погоды NOAA. Самый верхний слой атмосферы уже стал теплее, и теперь он борется с облаком плазмы, которое создает токи в атмосфере и на земле.

«Именно тогда электросети начинают что-то чувствовать, - говорит Бергер. - Когда вы создаете гигантский ток в ионосфере, вы также создаете токи в земле. И энергосистема закреплена на Земле - заземлена, как они это называют. В худшем случае CME повредит оборудование, которое необходимо будет заменить, прежде чем вы сможете вернуть электроэнергию в сеть ».

Земля уже испытала этот наихудший сценарий, но никто из ныне живущих не увидел его. Событие Кэррингтона 1859 года было геомагнитной бурей, вызванной извержением заряженных частиц, устремившихся к Земле. Это было на заре телеграфов, задолго до электрификации стран. Но частицы солнца были достаточно мощными, чтобы послать заряд по телеграфным линиям, который шокировал операторов и зажег телеграфную бумагу.

Если это произойдет сейчас без предупреждения, результаты могут быть катастрофическими. Электростанции, подстанции и ЛЭП для целых городов или регионов можно было сжечь. Люди могут оставаться без электричества в течение нескольких дней или недель, что приводит к нехватке продовольствия и невыразимым кризисам. Последствия для экономики также будут разрушительными: всего один день без электричества в Нью-Йорке может стоить 1 миллиард долларов, согласно отчету Американского общества инженеров-строителей за 2013 год. По крайней мере 27 отдельных программ федерального правительства работают над способами предотвращения этого сценария.

Силовые трансформаторы - это основа сети. Некоторые трансформаторы на электростанциях повышают напряжение, чтобы его можно было передать на много миль, в то время как другие «понижают» напряжение, чтобы оно могло проникнуть в дома на безопасном уровне. По данным Electric Power Research Group, на ремонт или перестройку крупных из них могут уйти месяцы, что приведет к длительным отключениям электроэнергии.

В чрезвычайной ситуации федеральные агентства могут установить временные трансформаторы в качестве временной меры, так же как FEMA устанавливает временное жилье после стихийных бедствий. У Министерства внутренней безопасности есть программа «Восстановительный трансформатор», посвященная проектированию и созданию легко развертываемого трансформатора, который можно установить в любом месте в случае возникновения чрезвычайной ситуации. А Министерство энергетики (DOE) работает над «стратегическим резервом трансформаторов» - поставкой дополнительных трансформаторов, которые при необходимости могут быть доставлены по всей Америке.

Связанный

Новый космический зонд НАСА может помочь предотвратить катастрофу солнечной бури

По данным Фонда устойчивых обществ, оборудование для защиты больших силовых трансформаторов стоит около 350 000 долларов за цепь. По словам фонда, защита энергосистемы от солнечных штормов и ЭМИ обойдется в от 10 до 30 миллиардов долларов.

Коммунальные предприятия уже работают над решениями, говорит Роб Мэннинг, вице-президент по передаче электроэнергии Исследовательского института электроэнергетики. Некоторые строят батареи конденсаторов, которые могут работать как батареи, поглощая и рассеивая избыточную энергию. Или они могут установить устройства для гашения электричества, называемые клетками Фарадея, которые похожи на силовые поля, которые могут окружать критически важные элементы оборудования и защищать их от токов.

Министерство энергетики также создает более совершенные маховики, которые могут вращаться быстрее или медленнее в зависимости от их заряда. Маховик может физически отводить избыточное электричество из сети, превращая солнечные электроны в движение и тепло. Специальные демпфирующие устройства также могут отводить или блокировать избыточный ток, но ни одно из них не является идеальным решением, говорит Мэннинг.

«Есть устройства, которые заземляют этот ток и удаляют его из системы, но это создает некоторые непредвиденные последствия», - говорит Мэннинг. «Это похоже на прием лекарства, которое решает вашу проблему, но имеет непредвиденные побочные эффекты».

Лучший способ защититься от солнечных бурь - заранее спрогнозировать их и отключить сеть до того, как она поразит. У DHS есть проект по смягчению последствий солнечного шторма, цель которого - «повысить осведомленность о потенциальных сбоях», вызванных солнечными лучами. Исследователи улучшают прогнозы солнечной активности, чтобы дать предупреждение хотя бы за несколько часов. Обсерватория глубокого космоса (DSCOVR) предоставляет важные данные о времени и скорости солнечных вспышек, говорит Бергер из NOAA: «DSCOVR действительно похож на буй цунами».

И появляются еще более совершенные системы предупреждения. Новый спутник на солнечной орбите, запущенный в 2018 году, названный Parker Solar Probe, будет изучать корону с беспрецедентными подробностями, предоставляя новую информацию о том, как атмосфера Солнца становится настолько горячей и излучает вредные выбросы CME. Ученые NOAA также работают над новым спутником, неофициально называемым «Миссия по наблюдению за космической погодой», который будет изучать магнитные поля Солнца - если он получит федеральное финансирование.

На Земле ученые пытаются понять электрическую проводимость планеты, что поможет им предсказать, как скачки энергии из космоса распространятся под землей.

Но солнце - не единственный источник опасности для электросети.

Взрыв сверху

ЭМИ может нанести такой же ущерб обществу, как и традиционный взрыв бомбы, хотя и с меньшими человеческими жертвами. Пострадавшие от ЭМИ возникнут в результате отсутствия электричества, воды и лекарств.

Самый разрушительный тип ЭМИ будет представлять собой ядерный взрыв на большой высоте, где он создаст серию взрывных волн, распространяющихся во всех направлениях, ударяя по электрическому оборудованию на земле, в воздухе и на орбите. По мнению исследователей из Фонда устойчивых обществ, ядерное оружие, взорванное в верхних слоях атмосферы, скажем, над Канзасом, может затронуть всю континентальную часть США.

Подобно солнечной буре, ЭМИ посылает бушующие токи в электрическую сеть, обжигая трансформаторы, автоматические выключатели и подстанции. Но ученые не совсем уверены, что произойдет с широким спектром устройств в сети, от вышек сотовой связи до смартфонов, говорит Мэннинг.

"Это зависит от того, где ты. Ваш сотовый телефон может нормально выжить, но вышки сотовой связи - нет. Так что у вас будет очень хороший калькулятор с ограниченным временем работы от батареи, - говорит Мэннинг. «Мы ожидаем, что некоторые части сети пострадают настолько, что мы испытаем падение напряжения, и можно ожидать отключений электроэнергии. Но есть вероятность, что сеть вполне сможет выжить, и проблема может быть больше связана с вашим мобильным телефоном, домашней электроникой, системами водоснабжения и тому подобным ».

Отчасти задача состоит в том, чтобы понять, как трансформаторы и автоматические выключатели будут реагировать на нагрев и высокое напряжение ЭМИ. Если они подвергаются воздействию сильной жары хотя бы на мгновение, с ними все будет в порядке, почти так же, как люди могут быстро пройти по раскаленным углям, не получив ожогов. Но более продолжительная вспышка может нанести реальный ущерб. Исследовательский институт электроэнергетики проводит трехлетнее исследование, посвященное этим вопросам. Министерство энергетики также изучает возможные эффекты высокоэнергетических ЭМИ.

Скорее всего, EMP-атака будет локального масштаба, что означает, что сеть, скорее всего, в целом будет в порядке, отмечает Скотт Ааронсон, старший директор по политике национальной безопасности в Edison Electric Institute. В электрической системе страны нет единой точки отказа. Сетка - это несколько неправильное название, потому что на самом деле это сотни независимо управляемых утилит, каждая из которых управляет ресурсами по-своему. Частному сектору принадлежит 85 процентов критически важной электрической инфраструктуры США.

«К инцидентам меньшего масштаба сеть чрезвычайно устойчива, - говорит Ааронсон. - Есть 50 000 подстанций и сотни центров управления. Отказ одного или даже нескольких из них имеет очень ограниченное влияние на более широкий набор инфраструктуры ».

Он утверждает, что ЭМИ вызывает меньшее беспокойство, чем повседневные проблемы - от солнечных бурь до молний, ​​генерируемых Землей, до самых приземленных угроз.

«Могу пообещать, что в эту самую минуту белка встречает свою смерть, пережевывая где-то линию электропередачи», - говорит Ааронсон.

«Ваш сотовый телефон может нормально работать, но вышки сотовой связи - нет. Так что у вас будет очень хороший калькулятор с ограниченным временем автономной работы».

Другие придерживаются более антиутопической точки зрения.

В 2015 году Питер Прай, исполнительный директор Целевой группы по электромагнитным импульсам по национальной безопасности страны, засвидетельствовал перед Конгрессом, что длительное повреждение электросети может убить 90 процентов американцев «из-за голода, болезней и общественного коллапса». Министерство внутренней безопасности считает космическую погоду и отказ электросети «событиями значительного риска».

Томас Попик, председатель Фонда устойчивых обществ, в прошлом году засвидетельствовал перед Федеральной комиссией по регулированию энергетики, что выделение 5 процентов оборонного бюджета США на инфраструктурные проекты поможет защитить энергосистему и спасти жизни.

«Если в густонаселенном районе, таком как Вашингтон, округ Колумбия, пропадет вся электроэнергия, и не будет никакой помощи извне, и люди не смогут эвакуироваться на автомобиле, потому что насосы бензоколонки вышли из строя из-за отсутствия электроэнергии, а муниципальные службы водоснабжения и канализации перестали работать , какой процент населения останется в живых через месяц? » - спросил он.

Ааронсон утверждает, что это «выдумка» и что он находится посередине. «Я склонен рассматривать это как угрозу, которую мы должны предотвратить в первую очередь», - говорит он.

С этой целью прогнозирование космической погоды - и международная дипломатия - являются нашим лучшим оружием в борьбе за спасение энергосистемы.