Системите за захранване (захранване, ако е по-просто, защото дори и машините трябва да ядат нещо) са важна част от космическия кораб. Те трябва да работят при екстремни условия и да бъдат изключително надеждни. Въпреки това, с непрекъснато нарастващите енергийни нужди на сложни космически кораби, ще имаме нужда от нови технологии в бъдеще. Мисиите, които ще продължат десетилетия, ще изискват ново поколение захранващи устройства. Какви опции?
Най-новите мобилни телефони едва успяват да преживеят ден, без да се налага да бъдат включени в електрически контакт. Но сондата Voyager, стартирана преди 38 години, все още ни изпраща информация отвъд Слънчевата система. Сондите Voyager са в състояние ефективно да обработват 81 000 инструкции всяка секунда, но средно смартфоните са 7000 пъти по-бързи.
Мобилните ви телефони, разбира се, са родени да се зареждат редовно и е малко вероятно да изминат няколко милиона километра от най-близкия контакт. Не е практично да презареждате космически кораб, който е на 100 милиона километра от най-близката станция. Вместо това космическият кораб трябва да е в състояние да съхранява или генерира достатъчно енергия, за да навигира в космоса в продължение на десетилетия. И това, както се оказа, е трудно да се уреди.
Докато някои бордови системи изискват енергия само от време на време, други трябва постоянно да работят. Транспондерите и приемниците трябва да бъдат активни по всяко време, а в случай на пилотирана полетна или космическа станция трябва да работят и системите за поддържане на живота и осветлението.
Д-р Рао Сурампуди е ръководител на програмата за енергийни технологии в лабораторията за реактивни двигатели в Калифорнийския технологичен институт. Повече от 30 години той разработва системи за захранване на различни космически кораби на НАСА.
Според Сурампуди енергийните системи на космически кораби представляват приблизително 30% от транспортната маса и могат да бъдат разбити на три важни подгрупи:
производство на енергия;
Промоционално видео:
енергиен запас;
управление и разпределение на мощността
Тези системи са от решаващо значение за функционирането на космическия кораб. Те трябва да имат ниска маса, да живеят дълго и да бъдат „енергийно плътни“, тоест да произвеждат много енергия от сравнително малки обеми. Те също трябва да бъдат доста надеждни, защото някои неща в космоса биха били почти нереалистични или непрактични за поправяне.
Тези системи трябва не само да могат да осигуряват захранване на всички нужди на борда, но и да го правят по време на цялата мисия - някои от които могат да продължат десетки или стотици години.
„Продължителността на живота трябва да бъде дълга, защото ако нещо се обърка, не можете да го поправите“, казва Сурампуди. "Ще отнеме пет до седем години, за да стигнем до Юпитер, повече от десет години до Плутон, но напускането на Слънчевата система е 20-30 години."
Поради уникалната среда, в която работят, системите за захранване на космическия кораб трябва да могат да работят в нулева гравитация и във вакуум, както и да издържат на колосално излъчване (обикновено електрониката не работи в такива условия). "Ако кацнете на Венера, температурите могат да достигнат 460 градуса по Целзий, но на Юпитер те могат да паднат до -150 градуса."
Космическият кораб, който се насочва към центъра на нашата слънчева система, ще получава много слънчева енергия за своите фотоволтаични панели. Соларните панели на космическите кораби може да изглеждат като обикновени слънчеви панели за нашите домове, но са проектирани да работят по-ефективно, отколкото у дома.
Внезапното повишаване на температурата от непосредствена близост до слънцето също може да причини прегряване на слънчевите панели. Това се смекчава чрез завъртане на слънчевите панели далеч от Слънцето, което ограничава излагането на интензивни лъчи.
Когато космически кораб влезе в орбитата на планета, слънчевите клетки стават по-малко ефективни; те не могат да генерират много енергия поради затъмнения и преминаване през сянката на планетата. Необходима е надеждна система за съхранение на енергия.
Атомите отговарят
Един такъв тип система за съхранение на енергия са никеловодородните батерии, които могат да се презареждат повече от 50 000 пъти и имат живот над 15 години. За разлика от търговските батерии, които не работят в пространството, тези батерии са херметически затворени системи, които могат да работят във вакуум.
Когато отлетиш от Слънцето, слънчевата радиация постепенно намалява от 1.374 W / m2 около Земята до 50 W / m2 близо до Юпитер, докато Плутон вече възлиза на около 1 W / m2. Следователно, когато космически кораб излита от орбитата на Юпитер, учените се обръщат към атомните системи, за да осигурят на космическия кораб енергия.
Най-разпространеният тип са радиоизотопните термоелектрични генератори (RTG за кратко), които са били използвани при Voyager, Cassini и роувър Curiosity. Те са твърди устройства, които нямат движещи се части. Те генерират топлина по време на радиоактивно разпадане на елементи като плутоний и имат продължителност на живота над 30 години.
Когато използването на RTG не е възможно - например, ако теглото на екранирането, необходимо за защита на екипажа, прави апарата непрактичен - и разстоянието от Слънцето не позволява използването на слънчеви панели, тогава горивните клетки се обръщат.
Водородно-кислородните горивни клетки бяха използвани по време на космическите мисии Аполон и Близнаци. Въпреки че водородно-кислородните горивни клетки не могат да бъдат презаредени, те имат висока специфична енергия и не оставят нищо освен вода за пиене на астронавтите.
Текущите изследвания на НАСА и JPL ще дадат възможност на бъдещите енергийни системи да генерират и съхраняват повече енергия, използвайки по-малко пространство и за по-дълго време. Независимо от това, новите космически кораби изискват все повече резерви, тъй като техните бордови системи стават по-сложни и гладни за енергия.
Високите енергийни изисквания са особено валидни, когато космическият кораб използва електрическа задвижваща система като йонния двигател, първоначално доставена на Deep Space 1 през 1998 г. и все още успешно използвана на космически кораби. Електрическите задвижващи системи обикновено изхвърлят гориво с електричество с висока скорост, но други използват електродинамични въжета, които взаимодействат с магнитните полета на планетата, за да движат космическия кораб.
Повечето от енергийните системи на Земята няма да работят в космоса. По този начин всяка нова система за захранване трябва да бъде старателно тествана, преди да бъде инсталирана на космически кораб. НАСА и JPL използват лабораториите си, за да симулират тежките условия, в които ще работи новата технология, бомбардирайки нови компоненти и системи с радиация и излагайки ги на екстремни температури.
Допълнителен живот
В момента се подготвят радиоизотопни генератори за бъдещи мисии. Въз основа на съществуващите RTG, тези генератори са много по-ефективни от техните термоелектрически братя и сестри и могат да бъдат много по-малки, макар и с по-сложно разположение.
Нови видове батерии се разработват и за планираната мисия на НАСА в Европа (една от луните на Юпитер). Те трябва да работят в температурен диапазон от -80 до -100 градуса по Целзий. Изучава се възможността за създаване на усъвършенствани литиево-йонни батерии с двойно съхранена енергия. Те биха могли да позволят на астронавтите да прекарат два пъти по-дълго на Луната, преди да изтекат батериите.
Разработват се нови слънчеви клетки, които могат да работят в условия на намалена интензивност на светлината и температури, тоест космическият кораб може да работи на слънчева енергия по-далеч от Слънцето.
Един ден НАСА най-накрая ще реши да изгради постоянна база на Марс с хора, а може би и на друга планета. Агенцията ще се нуждае от системи за производство на електроенергия, които са много по-мощни от съществуващите.
Луната е богата на хелий-3, рядък елемент на Земята, който може да бъде идеално гориво за ядрен синтез. Засега обаче такъв синтез не се счита за стабилен или надежден, за да формира основата за захранването на космическия кораб. Освен това типичният термоядрен реактор, като токамак, е с размерите на къща и няма да се побере в космически кораб.
Какво ще кажете за ядрените реактори, които биха били идеални за космически кораби с електрическо захранване и планирани мисии за кацане на Луната и Марс? Вместо да доведе отделна система за захранване в колонията, може да се използва ядреният генератор на космическия кораб.
Космическите кораби с ядрено-електрически двигател се считат за дългосрочни мисии в бъдеще. "Мисията за пренасочване на астероиди ще изисква мощни слънчеви панели, които ще осигурят достатъчно електрическо задвижване на космическия кораб, за да маневрират около астероида", казва Сурампуди. "В един момент щяхме да го пуснем на слънчева енергия, но с ядрена енергия всичко ще бъде много по-евтино."
Ние обаче няма да видим космически кораби с ядрена енергия в продължение на много години. „Технологията все още не е узряла“, казва Сурампуди. „Трябва да се уверим, че те са безопасни след старта.“Те ще трябва да преминат през строги тестове, за да покажат дали е безопасно да се излагат такива ядрени инсталации на суровите тестове на космоса."
Новите енергоснабдителни системи ще позволят на космическия кораб да работи по-дълго и да пътува по-далеч, но все още са само в началото на своето развитие. Когато бъдат тествани, те ще станат критични компоненти за командированите мисии до Марс и извън него.
