Космическите мисии с продължителност няколко десетилетия - или дори по-дълги - ще изискват ново поколение захранващи устройства.
Системата за захранване е жизненоважен компонент на космическия кораб. Тези системи трябва да бъдат изключително надеждни и проектирани да издържат на тежки условия.
Днес сложните устройства изискват все повече енергия - какво е бъдещето на техните захранващи устройства?
Един средно модерен смартфон едва може да издържи ден с едно зареждане. И сондата Voyager, стартирана преди 38 години, все още предава сигнали на Земята, след като напусне Слънчевата система.
Компютрите Voyager са способни на 81 хиляди операции в секунда - но процесорът на смартфон е седем хиляди пъти по-бърз.
При проектирането на телефон, разбира се, се предполага, че той ще бъде редовно презареждан и е малко вероятно да бъде на няколко милиона километра от най-близкия контакт.
Няма да работи за зареждане на батерията на космическия кораб, който според плана трябва да се намира на сто милиона километра от източника на ток, няма да работи - трябва да може или да носи батерии с достатъчен капацитет на борда, за да работи десетилетия, или да генерира електричество самостоятелно.
Оказва се, че е доста трудно да се реши такъв проблем с дизайна.
Промоционално видео:
Някои бордови устройства се нуждаят от електричество само от време на време, но други трябва да работят непрекъснато.
Приемниците и предавателите трябва винаги да са включени, а при полет с пилотиран персонал или на пилотирана космическа станция трябва да бъдат включени и системи за поддържане на живота и осветление.
Д-р Рао Сурампуди води Програмата за енергийни технологии в лабораторията за реактивни двигатели в Калифорнийския технологичен институт в Съединените щати. Повече от 30 години разработва енергийни системи за различни превозни средства на НАСА.
Според него енергийната система обикновено представлява около 30% от общата маса на космическия кораб. Той решава три основни задачи:
- производство на електроенергия
- съхранение на електроенергия
- електроразпределение
Всички тези части на системата са жизненоважни за работата на апарата. Те трябва да са леки, издръжливи и да имат висока "енергийна плътност" - тоест, генерират много енергия с доста малък обем.
Освен това те трябва да са надеждни, тъй като изпращането на човек в космоса за поправяне на повреди е много непрактично.
Системата трябва не само да генерира достатъчно енергия за всички нужди, но и да прави това през целия полет - и това може да продължи десетилетия, а в бъдеще, вероятно и векове.
„Животът на дизайна трябва да бъде дълъг - ако нещо се счупи, няма да има кой да поправи“, казва Сурампуди. "Полетът до Юпитер отнема пет до седем години, до Плутон повече от 10 години и отнема слънчевата система от 20 до 30 години."
Енергийните системи на космически кораб са в много специфични условия - те трябва да останат работещи при липса на гравитация, във вакуум, под въздействието на много интензивно излъчване (което би забранило повечето конвенционални електронни устройства) и екстремни температури.
"Ако кацнете на Венера, тогава 460 градуса ще бъдат зад борда", казва специалистът. "И при кацане на Юпитер температурата ще бъде минус 150".
Космическите кораби, насочени към центъра на Слънчевата система, нямат недостиг на енергия, събрана от техните фотоволтаични панели.
Тези панели изглеждат малко по-различни от слънчевите панели, инсталирани на покривите на жилищни сгради, но в същото време работят с много по-висока ефективност.
Много е горещо близо до слънцето и PV панелите могат да прегреят. За да избегнете това, панелите са обърнати от Слънцето.
В планетна орбита фотоволтаичните панели са по-малко ефективни: те генерират по-малко енергия, тъй като от време на време са оградени от Слънцето от самата планета. В ситуации като тази е необходима надеждна система за съхранение на енергия.
Атомен разтвор
Такава система може да бъде изградена на базата на никеловодородни батерии, които могат да издържат на повече от 50 хиляди цикъла на зареждане и да издържат повече от 15 години.
За разлика от конвенционалните батерии, които не работят в пространството, тези батерии са запечатани и могат да работят нормално във вакуум.
Докато се отдалечаваме от Слънцето, нивото на слънчевата радиация естествено намалява: за Земята тя е 1374 вата на квадратен метър, за Юпитер - 50, а за Плутон - само един ват на квадратен метър.
Следователно, ако космическият кораб напусне орбитата на Юпитер, тогава той използва атомни енергийни системи.
Най-често срещаният от тях е радиоизотопният термоелектричен генератор (RTG), използван на сондите Voyager и Cassini и на роувъра Curiosity.
В тези захранвания няма подвижни части. Те генерират енергия чрез разлагане на радиоактивни изотопи като плутоний. Техният експлоатационен живот надвишава 30 години.
Ако е невъзможно да се използва RTG (например, ако е необходим твърде масивен за полет екран за защита на екипажа от радиация), а фотоволтаичните панели не са подходящи поради твърде голямо разстояние от Слънцето, тогава могат да се използват горивни клетки.
Водородно-кислородните горивни клетки бяха използвани в американските космически програми Близнаци и Аполон. Тези клетки не могат да се презареждат, но те отделят много енергия и страничен продукт от този процес е водата, която екипажът може да пие.
НАСА и лабораторията за реактивни двигатели работят за създаването на по-мощни, енергоемки и компактни системи с дълъг живот.
Но новите космически кораби се нуждаят от все повече енергия: техните бордови системи постоянно стават сложни и консумират много електричество.
Това е особено вярно за кораби, които използват електрическо задвижване - например устройството за йонно задвижване, използвано за първи път на сондата Deep Space 1 през 1998 г. и оттогава е широко разпространено.
Електрическите двигатели обикновено работят, като изхвърлят гориво електрически с висока скорост, но има и такива, които ускоряват апарата чрез електродинамично взаимодействие с магнитните полета на планетите.
Повечето от земните енергийни системи не са в състояние да работят в космоса. Следователно всяка нова схема преминава през серия сериозни тестове, преди да бъде инсталирана на космически кораб.
Лабораториите на НАСА пресъздават тежките условия, при които новото устройство ще трябва да функционира: то се облъчва с радиация и е подложено на екстремни температурни промени.
Към нови граници
Възможно е в бъдещи полети да се използват подобрени радиоизотопни генератори на Стърлинг. Те работят на принцип, подобен на RTG, но много по-ефективен.
В допълнение, те могат да бъдат направени много малки - въпреки че дизайнът е допълнително усложнен.
Нови батерии се изграждат за планирания полет на НАСА до Европа, една от луните на Юпитер. Те ще могат да работят при температури от -80 до -100 градуса.
А новите литиево-йонни батерии, над които в момента работят дизайнерите, ще имат два пъти по-голям капацитет от сегашните. С тяхна помощ астронавтите могат например да прекарат два пъти по-дълго на лунната повърхност, преди да се върнат на кораба за презареждане.
Проектират се и нови слънчеви панели, които биха могли ефективно да събират енергия при слаба светлина и ниски температури - това ще позволи на устройствата на фотоволтаичните панели да летят далеч от Слънцето.
На някакъв етап НАСА възнамерява да установи постоянна база на Марс - и вероятно на по-далечни планети.
Енергийните системи на такива селища трябва да бъдат много по-мощни от тези, използвани в Космоса днес, и проектирани за много по-дълга работа.
На Луната има много хелий-3 - този изотоп рядко се среща на Земята и е идеалното гориво за термоядрените централи. Все още обаче не е възможно да се постигне достатъчна стабилност на термоядрения синтез, за да се използва този източник на енергия в космически кораби.
В допълнение, съществуващите в момента термоядрени реактори заемат площта на хангар на самолети и в тази форма е невъзможно да се използват за космически полети.
Възможно ли е да се използват конвенционални ядрени реактори - особено в превозни средства с електрическо задвижване и при планирани мисии до Луната и Марс?
В този случай колонията не трябва да работи с отделен източник на електричество - реактор на кораба може да играе своята роля.
При дългосрочни полети е възможно да се използват атомно-електрически витла.
„Мисията за отклоняване на астероиди изисква големи слънчеви панели да имат достатъчно електрическа мощност, за да маневрират около астероида“, казва Сурампуди. "В момента обмисляме соларно-електрическо задвижване, но атомно-електрическото би било по-евтино."
Въпреки това е малко вероятно да видим ядрени космически кораби в близко бъдеще.
„Тази технология все още не е достатъчно развита. Трябва да сме абсолютно сигурни в неговата безопасност, преди да изстреляме такова устройство в космоса “, обяснява специалистът.
Необходими са допълнителни строги тестове, за да се гарантира, че реакторът може да издържи на строгостта на космическия полет.
Всички тези обещаващи енергийни системи ще позволят на космическите кораби да издържат по-дълго и да летят на дълги разстояния - но засега те са в ранните етапи на развитие.
Когато тестовете приключат успешно, такива системи ще станат задължителен компонент на полетите до Марс - и след това.