Maitinimo sistemos (energijos tiekimas, jei jis paprastesnis, nes net mašinoms reikia ką nors valgyti) yra svarbi kosminio laivo dalis. Jie turi dirbti ekstremaliomis sąlygomis ir būti ypač patikimi. Tačiau atsižvelgiant į nuolat augantį sudėtingų erdvėlaivių energijos poreikį, ateityje mums reikės naujų technologijų. Misijos, kurios truks dešimtmečius, pareikalaus naujos kartos maitinimo šaltinių. Kokios galimybės?
Naujausi mobilieji telefonai vos neišgyvena per dieną, nebūdami prijungti prie elektros lizdo. Bet „Voyager“zondas, paleistas prieš 38 metus, vis dar siunčia mums informaciją iš už Saulės sistemos ribų. „Voyager“zondai gali efektyviai apdoroti 81.000 instrukcijų kiekvieną sekundę, tačiau išmanieji telefonai vidutiniškai yra 7000 kartų greitesni.
- „Salik.biz“
Jūsų mobilieji telefonai, be abejo, yra gimę reguliariai įkrauti ir mažai tikėtina, kad jie nuvažiuos kelis milijonus kilometrų nuo artimiausio lizdo. Neįmanoma įkrauti erdvėlaivio, kuris yra 100 milijonų kilometrų nuo artimiausios stoties. Vietoj to, erdvėlaivis turi gebėti kaupti ar generuoti pakankamai energijos, kad galėtų plaukti kosmose dešimtmečius. Ir tai, kaip paaiškėjo, sunku sutvarkyti.
Nors kai kurioms borto sistemoms tik retkarčiais reikia energijos, kitos turi būti nuolat veikiančios. Atsakikliai ir imtuvai turi būti visą laiką aktyvūs, o skrydžio ar kosminės stoties atveju turi veikti ir gyvybės palaikymo bei apšvietimo sistemos.
Dr Rao Surampudi yra Kalifornijos technologijos instituto reaktyvinio varymo laboratorijos galios technologijų programos vadovas. Jau daugiau nei 30 metų jis kuria įvairių NASA erdvėlaivių maitinimo sistemas.
Anot Surampudi, erdvėlaivių galios sistemos sudaro maždaug 30% transporto masės ir gali būti suskirstytos į tris svarbius pogrupius:
energijos gamyba;
Reklaminis vaizdo įrašas:
energijos kaupimas;
energijos valdymas ir paskirstymas
Šios sistemos yra labai svarbios erdvėlaivio veikimui. Jie turi būti nedidelės masės, ilgai gyventi ir būti „energingai tankūs“, tai yra, iš palyginti mažų kiekių gaminti daug energijos. Jie taip pat turi būti gana patikimi, nes kai kuriuos dalykus kosmose išspręsti yra beveik nerealu arba nepraktiška.
Šios sistemos turi ne tik tiekti energiją visiems laive esantiems poreikiams, bet ir tai daryti per visą misiją - kai kurios jų gali trukti dešimtis ar šimtus metų.
„Gyvenimo trukmė turi būti ilga, nes jei kas nors nutinka ne taip, jūs negalite to sutvarkyti“, - sako Surampudi. "Kelionė į Jupiterį užtruks nuo penkerių iki septynerių metų, iki Plutono - daugiau nei dešimt metų, tačiau palikti saulės sistemą yra 20-30 metų".
Dėl unikalios aplinkos, kurioje jie veikia, erdvėlaivio maitinimo sistemos turi būti pajėgios veikti esant nulinei gravitacijai ir vakuume, taip pat atlaikyti kolosalią radiaciją (paprastai tokiomis sąlygomis elektronika neveikia). "Jei nusileisite ant Veneros, temperatūra gali pasiekti 460 laipsnių Celsijaus, tačiau Jupiteryje jie gali nukristi iki -150 laipsnių".
Erdvėlaivis, einantis link mūsų saulės sistemos centro, už fotoelektrines plokštes gaus daug saulės energijos. Erdvėlaivio saulės baterijos mūsų namuose gali atrodyti kaip įprastos saulės baterijos, tačiau jos yra sukurtos veikti efektyviau nei namuose.
Staigus temperatūros pakilimas iš arti saulės taip pat gali sukelti saulės kolektorių perkaitimą. Tai sušvelnina saulės kolektorių pasukimas atokiau nuo saulės, o tai riboja intensyvių spindulių poveikį.
Kai erdvėlaivis patenka į planetos orbitą, saulės elementai tampa ne tokie efektyvūs; jie negali generuoti daug energijos dėl užtemimų ir praeinančių per planetos šešėlį. Reikia patikimos energijos kaupimo sistemos.
Atomai reaguoja
Viena iš tokio tipo energijos kaupimo sistemų yra nikelio ir vandenilio baterijos, kurias galima įkrauti daugiau nei 50 000 kartų ir kurių eksploatavimo laikas yra daugiau nei 15 metų. Skirtingai nuo komercinių baterijų, kurios neveikia kosmose, šios baterijos yra hermetiškos sistemos, galinčios veikti vakuume.
Skrendant nuo Saulės saulės spinduliuotė pamažu mažėja nuo 1,374 W / m2 aplink Žemę iki 50 W / m2 netoli Jupiterio, o Plutonas jau siekia apie 1 W / m2. Todėl, kai erdvėlaivis išskrenda iš Jupiterio orbitos, mokslininkai kreipiasi į atomines sistemas, norėdami aprūpinti erdvėlaivį energija.
Labiausiai paplitęs tipas yra radioizotopiniai termoelektriniai generatoriai (trumpai - RTG), kurie buvo naudojami „Voyager“, „Cassini“ir „Curiosity“maršrutizatoriuose. Tai yra kietojo kūno įtaisai, neturintys judančių dalių. Jie generuoja šilumą radioaktyviųjų elementų, tokių kaip plutonis, irimo metu, o jų eksploatavimo laikas yra daugiau nei 30 metų.
Kai neįmanoma naudoti RTG, pavyzdžiui, jei ekrano apsauga, reikalinga ekipažui apsaugoti, transporto priemonės padaryti nepraktiška, o atstumas nuo saulės neleidžia naudoti saulės kolektorių, tada kuro elementai yra pasukami.
Vandenilio-deguonies kuro elementai buvo naudojami „Apollo“ir „Dvynių“kosminių misijų metu. Nors vandenilio ir deguonies kuro elementai negali būti įkraunami, jie turi didelę specifinę energiją ir nepalieka nieko, išskyrus vandenį astronautams gerti.
NASA ir JPL vykdomi tyrimai leis ateities energetikos sistemoms generuoti ir kaupti daugiau energijos naudojant mažiau vietos ir ilgesnį laiką. Nepaisant to, naujiems erdvėlaiviams reikia vis daugiau atsargų, nes jų borto sistemos tampa sudėtingesnės ir alkanos energijos.
Dideli energijos poreikiai ypač aktualūs, kai erdvėlaivis naudoja tokią elektrinę varomąją sistemą kaip jonų variklis, pirmą kartą pristatytas į „Deep Space 1“1998 m. Ir vis dar sėkmingai naudojamas erdvėlaiviuose. Elektrinės varomosios sistemos paprastai išstumia degalus elektra dideliu greičiu, tačiau kitos erdvėlaiviui judėti naudoja elektrodinamines virves, kurios sąveikauja su planetos magnetiniais laukais.
Didžioji dalis Žemės energetikos sistemų neveiks kosmose. Taigi, prieš montuojant erdvėlaivį, bet kokia nauja energijos tiekimo sistema turi būti kruopščiai patikrinta. NASA ir JPL naudoja savo laboratorijas, kad imituotų atšiaurias sąlygas, kuriomis ši naujoji technologija veiks, bombarduodama naujus komponentus ir sistemas radiacija ir veikdama jas ekstremaliomis temperatūromis.
Papildomas gyvenimas
Stirlingo radioizotopų generatoriai šiuo metu yra ruošiami būsimoms misijoms. Remiantis esamomis RTG, šie generatoriai yra daug efektyvesni nei jų termoelektriniai broliai ir seserys, ir gali būti daug mažesni, nors ir sudėtingesnio išdėstymo.
NASA planuojamai misijai į Europą (vieną iš Jupiterio mėnulių) taip pat kuriami naujų tipų akumuliatoriai. Jie turi veikti nuo -80 iki -100 laipsnių šilumos. Tiriama galimybė sukurti pažangias ličio jonų baterijas, turinčias dvigubai daugiau energijos. Jie galėjo leisti astronautams praleisti dvigubai ilgiau mėnulyje, kol išsikrauna baterijos.
Kuriamos naujos saulės baterijos, kurios galės veikti sumažėjusio šviesos intensyvumo ir temperatūros sąlygomis, tai yra, erdvėlaiviai galės veikti saulės energija toliau nuo Saulės.
Vieną dieną NASA pagaliau nuspręs pastatyti nuolatinę bazę Marse su žmonėmis, o galbūt ir kitoje planetoje. Agentūrai reikės kur kas galingesnių elektros energijos gamybos sistemų nei esamos.
Mėnulyje gausu helio-3, reto elemento Žemėje, kuris galėtų būti idealus kuras branduolių sintezei. Tačiau iki šiol tokia sintezė nėra laikoma pakankamai stabilia ar patikima, kad sudarytų pagrindą erdvėlaivio energijos tiekimui. Be to, tipiškas branduolių sintezės reaktorius, toks kaip tokamakas, yra maždaug namo dydžio ir netilps į erdvėlaivį.
O kaip branduoliniai reaktoriai, kurie puikiai tiktų elektra varomiems erdvėlaiviams ir planuojamoms misijoms nusileisti Mėnulyje ir Marse? Užuot į koloniją atsinešę atskirą energijos tiekimo sistemą, galėtų būti naudojamas erdvėlaivio branduolinis generatorius.
Erdvėlaiviai su branduoliniu-elektriniu varikliu svarstomi ilgalaikėms misijoms ateityje. „Asteroido peradresavimo misijai prireiks galingų saulės kolektorių, kurie užtikrins pakankamą elektros energiją, kad erdvėlaivis galėtų manevruoti aplink asteroidą“, - sako Surampudi. "Tam tikru metu mes ketinome ją paleisti saulės energijai, tačiau su branduoline energija viskas bus daug pigiau".
Vis dėlto daug metų nematysime branduolinių variklių. „Technologija dar nebuvo subrendusi“, - sako Surampudi. "Mes turime įsitikinti, kad jie yra saugūs po paleidimo." Jie turės atlikti griežtus bandymus, kad parodytų, ar saugu tokius branduolinius įrenginius eksploatuoti atšiauriuose kosmoso bandymuose. “
Naujosios energijos tiekimo sistemos leis erdvėlaiviui ilgiau veikti ir keliauti toliau, tačiau tai dar tik yra jų kūrimo pradžioje. Kai jie bus išbandyti, jie taps kritiniais komponentais vykdant misijas į Marsą ir už jo ribų.