Kosminėms misijoms, trunkančioms kelis dešimtmečius ar net ilgiau, prireiks naujos kartos energijos šaltinių.
Maitinimo sistema yra gyvybiškai svarbi kosminio laivo sudedamoji dalis. Šios sistemos turi būti ypač patikimos ir sukurtos atlaikyti atšiaurią aplinką.
- „Salik.biz“
Šiuolaikiniams sudėtingesniems prietaisams reikia vis daugiau energijos - kokia jų maitinimo šaltinių ateitis?
Vidutinis šiuolaikinis išmanusis telefonas vos gali veikti per dieną vienu įkrovimu. O „Voyager“zondas, paleistas prieš 38 metus, vis dar perduoda signalus į Žemę, palikęs Saulės sistemą.
„Voyager“kompiuteriai gali atlikti 81 tūkst. Operacijų per sekundę, tačiau išmaniojo telefono procesorius yra septynis tūkstančius kartų greitesnis.
Projektuojant telefoną, be abejo, daroma prielaida, kad jis bus reguliariai įkraunamas ir greičiausiai nėra kelių milijonų kilometrų atstumu nuo artimiausio lizdo.
Neįmanoma įkrauti erdvėlaivio akumuliatoriaus, kuris, pagal planą, turėtų būti nutolęs šimtą milijonų kilometrų nuo dabartinio šaltinio, neveiks - jis turės sugebėti arba laive nešti pakankamos talpos baterijas, kad galėtų veikti dešimtmečius, arba pats gaminti elektrą.
Pasirodo, gana sunku išspręsti tokią projektavimo problemą.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kai kuriems borto įrenginiams laikas nuo laiko reikia tik elektros energijos, kitiems - nuolat.
Imtuvai ir siųstuvai visada turi būti įjungti, o skrendant įgulos nariams ar įgulos narių kosminėje stotyje taip pat turi būti įjungtos gyvybės palaikymo ir apšvietimo sistemos.
Dr Rao Surampudi vadovauja energetikos technologijų programai reaktyvinio varymo laboratorijoje, Kalifornijos technologijos institute, JAV. Jau daugiau nei 30 metų jis kuria įvairių NASA transporto priemonių galios sistemas.
Anot jo, energetikos sistema paprastai sudaro apie 30% visos erdvėlaivio masės. Tai išsprendžia tris pagrindinius uždavinius:
- elektros energijos gamyba
- elektros energijos kaupimas
- elektros paskirstymas
Visos šios sistemos dalys yra gyvybiškai svarbios aparato darbui. Jie turi būti lengvi, patvarūs ir turėti aukštą „energijos tankį“- tai yra, sugeneruoti daug energijos su gana mažu tūriu.
Be to, jie turi būti patikimi, nes siųsti žmones į kosmosą taisyti gedimų yra labai nepraktiška.
Sistema turi ne tik generuoti pakankamai energijos visiems poreikiams, bet ir tai padaryti per visą skrydį - ji gali trukti dešimtmečius, o ateityje, galbūt, šimtmečius.
„Projektavimo laikas turėtų būti ilgas - jei kas nors nutrūks, nebus ko remontuoti“, - sako Surampudi. "Skrydis į Jupiterį trunka nuo penkerių iki septynerių metų, iki Plutono - daugiau nei 10 metų, o palikti Saulės sistemą reikia nuo 20 iki 30 metų."
Erdvėlaivio galios sistemos yra labai specifinėmis sąlygomis - jos turi veikti toliau, kai nėra sunkio jėgos, vakuume, veikiamos labai intensyvios radiacijos (dėl kurios būtų galima išjungti daugumą įprastų elektroninių prietaisų) ir ekstremalių temperatūrų.
„Jei nusileisite ant Veneros, tada 460 laipsnių bus už borto“, - sako specialistas. „O nusileidus Jupiteriui, temperatūra bus minus 150“.
Erdvėlaivis, einantis link Saulės sistemos centro, neturi fotoelektros elementų sukauptos energijos.
Šios plokštės mažai kuo skiriasi nuo saulės baterijų, sumontuotų ant gyvenamųjų pastatų stogų, tačiau tuo pat metu jos veikia daug efektyviau.
Šalia saulės yra labai karšta, o PV plokštės gali perkaisti. Norėdami to išvengti, plokštės yra nusuktos nuo saulės.
Planetos orbitoje fotoelektrinės plokštės yra mažiau efektyvios: jos generuoja mažiau energijos, nes retkarčiais pati planeta jas atitolina nuo Saulės. Tokiose situacijose reikalinga patikima energijos kaupimo sistema.
Atominis sprendimas
Tokia sistema gali būti sukurta remiantis nikelio-vandenilio baterijomis, kurios gali atlaikyti daugiau nei 50 tūkst. Įkrovimo ciklų ir trunka daugiau nei 15 metų.
Skirtingai nuo įprastų baterijų, kurios neveikia kosmose, šios baterijos yra sandarios ir gali normaliai veikti vakuume.
Tolstant nuo Saulės saulės spinduliuotės lygis natūraliai mažėja: Žemėje jis yra 1374 vatai kvadratiniame metre, Jupiteryje - 50, o Plutone - tik vienas vatas kvadratiniame metre.
Todėl, jei erdvėlaivis palieka Jupiterio orbitą, tada jis naudoja atominės energijos sistemas.
Dažniausias iš jų yra radioizotopinis termoelektrinis generatorius (RTG), naudojamas zonduose „Voyager“ir „Cassini“bei ant „Curiosity“roverio.
Šiuose maitinimo šaltiniuose nėra judančių dalių. Jie gamina energiją skildami radioaktyvieji izotopai, tokie kaip plutonis. Jų tarnavimo laikas viršija 30 metų.
Jei neįmanoma naudoti RTG (pavyzdžiui, jei ekraną, kuris yra pernelyg masyvus skrydžiui, reikia ekipažui apsaugoti nuo radiacijos), o fotovoltinės plokštės netinka dėl per didelio atstumo nuo saulės, tuomet galima naudoti kuro elementus.
Vandenilio-deguonies kuro elementai buvo naudojami Amerikos kosminėse programose „Gemini“ir „Apollo“. Šios ląstelės negali būti įkraunamos, tačiau jos išskiria daug energijos, o šio proceso šalutinis produktas yra vanduo, kurį ekipažas gali išgerti.
NASA ir reaktyvinio varymo laboratorija siekia sukurti galingesnes, daug energijos reikalaujančias ir kompaktiškas sistemas, turinčias ilgą tarnavimo laiką.
Tačiau naujiems erdvėlaiviams reikia vis daugiau energijos: jų borto sistemos nuolat tampa sudėtingos ir sunaudoja daug elektros energijos.
Tai ypač pasakytina apie laivus, naudojančius elektrinę pavarą, pavyzdžiui, jonų varymo įtaisas, pirmą kartą panaudotas zonde „Deep Space 1“1998 m., Ir nuo to laiko tapo plačiai paplitęs.
Elektriniai varikliai paprastai veikia išstumdami degalus elektra dideliu greičiu, tačiau yra ir tokių, kurie pagreitina aparatą elektrodinaminės sąveikos su planetų magnetiniais laukais metu.
Daugelis žemės energetikos sistemų negali veikti kosmose. Todėl bet kokia nauja schema, prieš montuojant erdvėlaivyje, yra išbandoma daugybe rimtų bandymų.
NASA laboratorijos atkuria atšiaurias sąlygas, kuriomis naujasis prietaisas turės veikti: jis yra apšvitintas radiacija ir veikiamas didelių temperatūros pokyčių.
Naujų sienų link
Gali būti, kad patobulinti Stirlingo radioizotopų generatoriai bus naudojami būsimuose skrydžiuose. Jie veikia panašiu principu kaip ir RTG, tačiau yra daug efektyvesni.
Be to, jie gali būti padaryti labai maži - nors dizainas yra dar sudėtingesnis.
NASA planuojamam skrydžiui į Europą, vieną iš Jupiterio mėnulių, statomos naujos baterijos. Jie galės veikti nuo -80 iki -100 laipsnių temperatūroje.
O naujos ličio jonų baterijos, prie kurių šiuo metu dirba dizaineriai, turės dvigubai didesnę talpą nei dabartinės. Jų pagalba, pavyzdžiui, astronautai gali praleisti dvigubai ilgiau mėnulio paviršiaus prieš grįždami į laivą pasikrauti.
Taip pat kuriamos naujos saulės baterijos, galinčios efektyviai rinkti energiją esant silpnam apšvietimui ir žemai temperatūrai - tai leis fotoelektrinių plokščių įrenginiams nuskristi nuo saulės.
Kai kuriais etapais NASA ketina įkurti nuolatinę bazę Marse - ir galbūt tolimesnėse planetose.
Tokių gyvenviečių energetikos sistemos turėtų būti daug galingesnės nei tos, kurios šiandien naudojamos kosmose, ir suprojektuotos daug ilgesniam veikimui.
Mėnulyje yra daug helio-3 - šis izotopas Žemėje randamas retai ir yra idealus kuras termobranduolinėms elektrinėms. Tačiau dar nepavyko pasiekti pakankamo termobranduolinės sintezės stabilumo, kad šis energijos šaltinis būtų naudojamas erdvėlaiviuose.
Be to, šiuo metu veikiantys termobranduoliniai reaktoriai užima orlaivio angaro plotą, ir tokiu pavidalu neįmanoma jų panaudoti skrydžiams į kosmosą.
Ar įmanoma naudoti įprastus branduolinius reaktorius - ypač transporto priemonėse su elektrine varomąja jėga ir planuojamose misijose į Mėnulį ir Marsą?
Šiuo atveju kolonija neturi valdyti atskiro elektros energijos šaltinio - savo vaidmenį gali atlikti laivo reaktorius.
Ilgalaikiams skrydžiams gali būti naudojami atominiai-elektriniai oro sraigtai.
„Asteroido nukreipimo misijai reikalingos didelės saulės baterijos, kad jos turėtų pakankamai elektros energijos, kad galėtų manevruoti aplink asteroidą“, - sako Surampudi. "Šiuo metu mes svarstome variklius, naudojančius saulės energiją, tačiau atominė elektra būtų pigesnė."
Tačiau vargu ar artimiausiu metu pamatysime branduolinį kosminį laivą.
„Ši technologija dar nėra pakankamai išvystyta. Prieš paleisdami tokį prietaisą į kosmosą, turime būti visiškai tikri dėl jo saugumo “, - aiškina specialistas.
Reikia atlikti papildomus griežtus bandymus, siekiant užtikrinti, kad reaktorius būtų pajėgus atlaikyti skrydžio kosminėje erdvėje sunkumus.
Visos šios perspektyvios energijos sistemos leis kosminiams laivams ilgiau tarnauti ir skristi dideliais atstumais - tačiau kol kas jie yra tik pradiniame vystymosi etape.
Kai bandymai bus sėkmingai atlikti, tokios sistemos taps privaloma skrydžių į Marsą ir už jo ribų.