Systemy zasilania (zasilanie, jeśli jest prostsze, bo nawet maszyny muszą coś zjeść) są ważną częścią statku kosmicznego. Muszą pracować w ekstremalnych warunkach i być wyjątkowo niezawodne. Jednak przy stale rosnącym zapotrzebowaniu na energię złożonych statków kosmicznych w przyszłości będziemy potrzebować nowych technologii. Misje, które będą trwać przez dziesięciolecia, będą wymagały nowej generacji zasilaczy. Jakie opcje?
Najnowsze telefony komórkowe ledwo przetrwają dzień bez konieczności podłączania do gniazdka elektrycznego. Ale sonda Voyager, wystrzelona 38 lat temu, nadal przesyła nam informacje spoza Układu Słonecznego. Sondy Voyager są w stanie wydajnie przetwarzać 81 000 instrukcji na sekundę, ale smartfony są średnio 7 000 razy szybsze.
Twoje telefony komórkowe są oczywiście stworzone do regularnego ładowania i jest mało prawdopodobne, aby znajdowały się kilka milionów kilometrów od najbliższego gniazdka. Nie jest praktyczne ładowanie statku kosmicznego znajdującego się 100 milionów kilometrów od najbliższej stacji. Zamiast tego statek kosmiczny musi być zdolny do magazynowania lub generowania energii wystarczającej do nawigacji w przestrzeni przez dziesięciolecia. A to, jak się okazało, jest trudne do zaaranżowania.
Podczas gdy niektóre systemy pokładowe tylko sporadycznie wymagają energii, inne muszą stale działać. Transpondery i odbiorniki muszą być włączone przez cały czas, aw przypadku załogowych statków powietrznych lub stacji kosmicznej muszą również działać systemy podtrzymywania życia i oświetlenia.
Dr Rao Surampudi jest Kierownikiem Programu Technologii Energetycznych w Laboratorium Napędów Odrzutowych w California Institute of Technology. Od ponad 30 lat opracowuje systemy zasilania dla różnych statków kosmicznych NASA.
Według Surampudiego systemy zasilania statków kosmicznych stanowią około 30% masy transportowej i można je podzielić na trzy ważne podgrupy:
wytwarzanie energii;
Film promocyjny:
magazynowanie energii;
zarządzanie i dystrybucja mocy
Systemy te mają kluczowe znaczenie dla funkcjonowania statku kosmicznego. Muszą mieć małą masę, długo żyć i być „gęste energetycznie”, to znaczy wytwarzać dużo energii ze stosunkowo małych objętości. Muszą też być dość niezawodne, ponieważ niektóre rzeczy w kosmosie byłyby prawie nierealne lub niepraktyczne do naprawienia.
Systemy te muszą nie tylko być w stanie zapewnić zasilanie dla wszystkich potrzeb pokładowych, ale także muszą to robić przez całą misję - z których niektóre mogą trwać dziesiątki lub setki lat.
„Oczekiwana długość życia musi być długa, ponieważ jeśli coś pójdzie nie tak, nie da się tego naprawić” - mówi Surampudi. „Dotarcie do Jowisza zajmie od pięciu do siedmiu lat, do Plutona ponad dziesięć lat, ale opuszczenie Układu Słonecznego to 20-30 lat”.
Ze względu na wyjątkowe środowisko, w jakim działają, układy zasilania statków kosmicznych muszą być w stanie pracować w stanie nieważkości i próżni, a także wytrzymywać kolosalne promieniowanie (zwykle w takich warunkach elektronika nie działa). „Jeśli wylądujesz na Wenus, temperatury mogą osiągnąć 460 stopni Celsjusza, ale na Jowiszu mogą spaść do -150 stopni”.
Statek kosmiczny, który zmierza w kierunku centrum naszego Układu Słonecznego, otrzyma dużo energii słonecznej do paneli fotowoltaicznych. Panele słoneczne ze statków kosmicznych mogą wyglądać jak zwykłe panele słoneczne w naszych domach, ale zostały zaprojektowane tak, aby działały wydajniej niż w domu.
Nagły wzrost temperatury z bliskiej odległości od słońca może również spowodować przegrzanie paneli słonecznych. Jest to łagodzone przez odwrócenie paneli słonecznych od Słońca, co ogranicza ekspozycję na intensywne promienie.
Kiedy statek kosmiczny wchodzi na orbitę planety, ogniwa słoneczne stają się mniej wydajne; nie są w stanie wytworzyć dużo energii z powodu zaćmień i przejścia przez cień planety. Potrzebny jest niezawodny system magazynowania energii.
Atomy reagują
Jednym z takich systemów magazynowania energii są akumulatory niklowo-wodorowe, które można ładować ponad 50000 razy i mają żywotność ponad 15 lat. W przeciwieństwie do komercyjnych baterii, które nie działają w kosmosie, te baterie są hermetycznie zamkniętymi systemami, które mogą działać w próżni.
Kiedy odlatujesz od Słońca, promieniowanie słoneczne stopniowo spada z 1,374 W / m2 wokół Ziemi do 50 W / m2 w pobliżu Jowisza, podczas gdy Pluton osiąga już około 1 W / m2. Dlatego też, kiedy statek kosmiczny wylatuje z orbity Jowisza, naukowcy zwracają się do systemów atomowych, aby zapewnić statkowi energię.
Najpopularniejszym typem są radioizotopowe generatory termoelektryczne (w skrócie RTG), które były używane na Voyager, Cassini i łaziku Curiosity. Są to urządzenia półprzewodnikowe, które nie mają ruchomych części. Wytwarzają ciepło podczas radioaktywnego rozpadu pierwiastków takich jak pluton i mają żywotność ponad 30 lat.
Kiedy użycie RTG nie jest możliwe - na przykład, jeśli ciężar osłony wymaganej do ochrony załogi sprawia, że pojazd jest niepraktyczny - a odległość od Słońca wyklucza użycie paneli słonecznych, wówczas obracane są ogniwa paliwowe.
Ogniwa paliwowe wodorowo-tlenowe były używane podczas misji kosmicznych Apollo i Gemini. Chociaż ogniw paliwowych wodorowo-tlenowych nie można naładować, mają one wysoką energię właściwą i pozostawiają astronautom tylko wodę do picia.
Trwające badania prowadzone przez NASA i JPL umożliwią przyszłym systemom zasilania wytwarzanie i magazynowanie większej ilości energii przy mniejszym zużyciu miejsca i przez dłuższy czas. Niemniej jednak nowe statki kosmiczne wymagają coraz większych rezerw, ponieważ ich systemy pokładowe stają się bardziej złożone i żądne energii.
Wysokie wymagania energetyczne są szczególnie prawdziwe, gdy statek kosmiczny wykorzystuje elektryczny układ napędowy, taki jak pędnik jonowy, po raz pierwszy dostarczony do Deep Space 1 w 1998 roku i nadal z powodzeniem używany w statku kosmicznym. Elektryczne układy napędowe zwykle wyrzucają paliwo z energią elektryczną z dużą prędkością, ale inne wykorzystują liny elektrodynamiczne, które oddziałują z polami magnetycznymi planety, aby poruszać statkiem kosmicznym.
Większość systemów energetycznych na Ziemi nie będzie działać w kosmosie. Dlatego każdy nowy system zasilania musi być dokładnie przetestowany przed zainstalowaniem na statku kosmicznym. NASA i JPL wykorzystują swoje laboratoria do symulacji trudnych warunków, w których ta nowa technologia będzie działać, bombardując promieniowaniem nowe komponenty i systemy oraz wystawiając je na ekstremalne temperatury.
Dodatkowe życie
Generatory radioizotopów Stirlinga są obecnie przygotowywane do przyszłych misji. Oparte na istniejących RTG generatory te są znacznie bardziej wydajne niż ich rodzeństwo termoelektryczne i mogą być znacznie mniejsze, aczkolwiek z bardziej złożonym układem.
Opracowywane są również nowe typy akumulatorów na potrzeby planowanej przez NASA misji na Europę (jeden z księżyców Jowisza). Muszą działać w zakresie temperatur od -80 do -100 stopni Celsjusza. Badana jest możliwość stworzenia zaawansowanych akumulatorów litowo-jonowych z dwukrotnie większą zmagazynowaną energią. Pozwalają astronautom spędzać dwa razy dłużej na Księżycu, zanim wyczerpią się baterie.
Opracowywane są nowe panele słoneczne, które będą mogły działać w warunkach zmniejszonego natężenia światła i temperatur, to znaczy statek kosmiczny będzie mógł działać na energii słonecznej dalej od Słońca.
Pewnego dnia NASA ostatecznie zdecyduje o budowie stałej bazy na Marsie z ludźmi, a może na innej planecie. Agencja będzie potrzebować systemów wytwarzania energii, które są znacznie wydajniejsze niż istniejące.
Księżyc jest bogaty w hel-3, rzadki pierwiastek na Ziemi, który mógłby być idealnym paliwem do syntezy jądrowej. Jak dotąd taka synteza nie jest jednak uważana za wystarczająco stabilną lub niezawodną, aby mogła stanowić podstawę zasilania statku kosmicznego. Ponadto typowy reaktor termojądrowy, taki jak tokamak, jest wielkości domu i nie zmieści się do statku kosmicznego.
A co z reaktorami jądrowymi, które byłyby idealne dla statków kosmicznych o napędzie elektrycznym i planowanych misji lądowania na Księżycu i Marsie? Zamiast dostarczać oddzielny system zasilania kolonii, można by użyć generatora jądrowego statku kosmicznego.
Statki kosmiczne z silnikiem jądrowo-elektrycznym są brane pod uwagę w przyszłych misjach długoterminowych. „Misja przekierowania asteroidy będzie wymagała potężnych paneli słonecznych, które zapewnią wystarczający napęd elektryczny, aby statek kosmiczny mógł manewrować wokół asteroidy” - mówi Surampudi. „W pewnym momencie planowaliśmy uruchomić go na energii słonecznej, ale z energią jądrową wszystko będzie znacznie tańsze”.
Jednak przez wiele lat nie zobaczymy statku kosmicznego o napędzie atomowym. „Technologia jeszcze nie dojrzała” - mówi Surampudi. „Musimy się upewnić, że są bezpieczne po uruchomieniu”. Będą musieli przejść rygorystyczne testy, aby wykazać, czy bezpieczne jest poddawanie takich instalacji jądrowych surowym testom w kosmosie”.
Nowe systemy zaopatrzenia w energię pozwolą statkom kosmicznym działać dłużej i podróżować dalej, ale wciąż są dopiero na początku ich rozwoju. Po przetestowaniu staną się krytycznymi komponentami w załogowych misjach na Marsa i nie tylko.