Солнечные бури способны привести к катастрофе в мире электроники

Одной мартовской ночью, 21 год назад, солнечная буря нанесла сокрушительный удар электросети канадской провинции Квебек. Ни снег, ни лед, ни ветер не могли разрушить систему распределения энергии, оставив миллионы жителей провинции без электричества. Причиной серьезнейшей аварии стала именно солнечная буря - облако электрически заряженного газа налетело на Землю, что повлекло за собой перегрузку всей системы. 

«Космическая погода» была более чем плохой, она даже повредила гигантский трансформатор на ядерной станции в Нью-Джерси, находящейся в нескольких сотнях километров от Квебека. Однако при этом ученые и инженеры утверждают, что в прошлом на Солнце случались и более серьезные вспышки, просто происходило это до изобретения высоковольтных проводов. Не менее сильные бури возможны и в будущем.

По самому пессимистичному сценарию, сильная геомагнитная буря может стать «одним из самых разрушительных стихийных бедствий на планете», - заявляет Джон Каппенман, энергетический консультант. Такая буря способна лишить электричества целые регионы на долгие месяцы, повлиять сразу на несколько континентов.

Солнечная буря 1989 года дала энергетике ценные уроки, корректировка системы была произведена как в самом Квебеке, так и за его пределами. И все же эксперты считают, что ни одна из существующих ныне сетей не защищена полностью от геомагнитных бурь. Сложно даже оценить риск, который несут такие события, ведь случаются солнечные выбросы довольно редко, обладая при этом потенциалом глобальной катастрофы.

«Такие явления тяжело изучить, ведь частота их проявлений мала, а разрушительная сила огромна, - подчеркивает Люк ван дер Зел, глава технического отдела Института исследования электроэнергии. - Поэтому меры предотвращения и смягчения их воздействия тоже разработать непросто».

По словам Каппенмана, международная индустрия энергетики потратила миллиарды долларов на защиту электросетей от ураганов, снежных бурь и других стихийных бедствий «земного» происхождения, а во всем, что касается космического влияния, «мы еще не способна адекватно оценить угрозу».

Наибольшему риску подвергаются сети, расположенные на высоких широтах, однако и увеличивающееся количество электропроводов в развитых странах влияет на степень опасности; солнечная буря может принести значительные разрушения. «Чем больше развивается сеть, тем лучше она выполняет роль антенны, привлекающей колебания электромагнитного поля Земли», - поясняет Каппенман, входивший в комитет, призванный дать оценку подобным рискам по заказу Североамериканской корпорации надежности электроэнергии.

Высоковольтные линии передач, которым обычно отдается предпочтение в связи с возможностью минимальных потерь энергии при ее передаче на расстояние, сделали сеть более уязвимой перед солнечными бурями, считает Шон Иглтон, глава отдела инжиниринга американской компании Con Edison. «Инженеры думают в первую очередь о выгоде, - добавляет он. - Но иногда, создавая более энергоэффективную систему, они тем самым ослабляют ее в отношении солнечной активности».

И все же возможные месяцы хаоса, как социального, так и экономического, спровоцированного полной потерей электроэнергии, заставляют ученых и инженеров внимательней отнестись к проблеме солнечных бурь. Совершенствуются технологии прогнозирования, которые позволят заранее узнавать, когда и где случится новая вспышка, насколько сильным станет ее влияние. Благодаря этому у операторов сети будет время подготовиться, принять соответствующие меры. Параллельно исследователи ведут работу по созданию новых технологий, призванных обезопасить сети от воздействия сильных бурь.

В этом плане, не последнюю роль играет экономический фактор. Переоборудование тысяч станций и подстанций, по словам Люка ван дер Зела, потребует значительного финансирования, которое еще предстоит оценить. «Конечной целью является и получение и методик прогнозирования, и технологий по смягчению воздействия, - комментирует он. - Вопрос непростой. Влияние Солнца не похоже на другие проблемы, которые нам уже приходилось решать».

Геомагнитная буря начинается выбросом огромного количества электрически заряженного газа - или плазмы - с поверхности Солнца. Газ очень быстро перемещается в пространстве - со скоростью несколько миллионов километров в час или больше. Если облако движется в сторону Земли, то добраться до планеты оно может меньше чем за день.

Вот тогда и начинаются изменения в электромагнитном поле Земли. Отмечаются колебания, приводящие к образованию электрических полей на некоторых участках планеты. Эта концентрация в основном «перебрасывается» на высоковольтные линии, а результатом становятся разрушительные перегрузки.

Эти перегрузки, в свою очередь, несут проблемы всей сети. Напряжение в высоковольтных проводах значительно превышает предусмотренную норму, трансформаторы, созданные для контролирования напряжения, перестают справляться с ним. Они перегреваются и выходят из строя, возможны и проблемы иного рода, вплоть до сбоя всей системы. Потом наступает резкое уменьшение тока в сети, и если не урегулировать ситуацию с помощью электричества из других источников или грамотного перераспределения энергии, сеть перестает работать.

Это и произошло в Квебеке в 1989 году. Весь разрушительный процесс занял всего 92 секунды. К счастью, большую часть трансформаторов удалось восстановить.

Впрочем, при более сильной буре (как та, что обрушилась на Землю в 1859 году, когда практически не было оборудования, способного выйти из строя) трансформаторы могут быть полностью разрушены. Здесь не следует забывать, что трансформатор - это не товар, который можно пойти и купить в магазине. Это конструкция весом в несколько сотен тонн, стоимость которой может достигать $10 млн. Трансформаторы чаще всего проектируются и строятся на заказ. На их замену после сильной солнечной бури может уйти несколько месяцев.

Именно поэтому эксперты работают над технологиями, которые не позволят изменениям в геомагнитном поле планеты влиять на сеть. Возле каждого трансформатора будет устанавливаться специальный конденсатор, который не даст «внешнему» электричеству попасть в сеть.

Конденсаторы обычно отличаются маленьким размером - например, тот, что используется в радиоприемниках, в диаметре может быть меньше сантиметра. Однако конденсаторы, создаваемые для трансформаторов, размером будут примерно со стиральную машину. От них требуется высокая скорость работы, чтобы защитный механизм не задерживал нормальное движение электричества по сети.

«Данные условия требуют разработки очень сложного устройства, - говорит ван дер Зел. - Оно должно контролировать нормальный электроток, замечать колебания и принимать решения в зависимости от типа неполадок. Это гораздо дороже, чем создание стандартного конденсатора».

По оценкам Коппенмана, в одних только Соединенных Штатах около 5 000 трансформаторов нуждаются в переоборудовании. Усовершенствование каждого из них обойдется госбюджету примерно в $100 000 - за технику, без учета стоимости установки. Ограничиться переоборудованием нескольких трансформаторов нельзя, это будет бессмысленно, ведь влиянию электромагнитных полей подвержен любой участок сети.

Шон Иглтон объявил, что компания Con Edison при содействии Джона Коппенмана уже разработала технологию, которая скоро пройдет тестирование на нескольких трансформаторах. Компания в данной сфере не новичок, она уже создала систему, которая не позволяет току, генерируемому в метро, влиять на городскую электросеть.

Кроме того, Con Edison получила консультацию у проектировщиков трансформаторов в отношении требований к конденсатору. Недавно американские трансформаторы конструировались так, чтобы их было проще перевозить и устанавливать, теперь стандарты снова изменились, больше внимания уделяется безопасности.

На сегодняшний день никто не в состоянии точно сказать, как усовершенствованный трансформатор перенесет сильную солнечную бурю. «Узнать, к сожалению, можно лишь после того, как это произойдет», - отмечает Иглтон.

Вместе с тем, по мнению ван дер Зела, скорейший прогресс связан с новыми исследованиями. «Если случится очень сильная буря, будет ли вся сеть уничтожена? Ответить мы не можем, потому что несовершенна система анализа таких ситуаций. Над этим еще предстоит работать».

Гораздо меньше времени и средств требует разработка точной системы прогнозирования солнечных вспышек. Этим уже занимается ряд лабораторий НАСА, где исследуются данные, полученные от чувствительных к изменениям солнечной активности спутников. Проект под названием «Солнечный щит» призван в ближайшие годы усовершенствовать методы моделирования солнечных бурь для более точных результатов тестирования и прогнозирования.

По утверждению представителя НАСА Антти Пулккинена, «можно будет уверенно сказать, что случится и когда это будет». Точное прогнозирование даст операторам сети время на подготовку. Они успеют ввести дополнительные меры безопасности и даже перераспределить напряжение в сети. В крайнем случае, сеть можно будет просто отключить. Это нежелательно, но все же контролируемое отключение приведет к меньшим убыткам, чем разрушение системы.

На сегодняшний день, прогнозы улучшаются двумя способами: получением точных данных со спутников и новыми путями обработки этих данных. «Для моделирования таких сложных процессов нужны очень мощные компьютеры, - подчеркивает Пулккинен. - Мы впервые начали использование методик, изначально разработанных для физики, в анализе влияния солнечных бурь на электросеть».

Шон Иглтон указал и на еще одно важное преимущество точного прогнозирования: «Солнце далеко от нашей планеты, так что время на подготовку будет!»

Henry Fountain, The New York Times, перевод с английского - Влада Соболева