Misje kosmiczne trwające kilkadziesiąt lat - lub nawet dłużej - będą wymagały nowej generacji zasilaczy.
System zasilania jest istotnym elementem statku kosmicznego. Systemy te muszą być wyjątkowo niezawodne i zaprojektowane, aby wytrzymać trudne warunki.
Dzisiejsze wyrafinowane urządzenia wymagają coraz większej mocy - jaka jest przyszłość ich zasilaczy?
Przeciętny nowoczesny smartfon ledwo wytrzymuje dzień na jednym ładowaniu. Sonda Voyager, wystrzelona 38 lat temu, nadal przekazuje sygnały na Ziemię po opuszczeniu Układu Słonecznego.
Komputery Voyager są w stanie wykonać 81 tysięcy operacji na sekundę - ale procesor smartfona jest siedem tysięcy razy szybszy.
Projektując telefon zakłada się oczywiście, że będzie on regularnie ładowany i jest mało prawdopodobne, aby znajdował się kilka milionów kilometrów od najbliższego gniazdka.
Nie będzie działać do ładowania akumulatora statku kosmicznego, który zgodnie z planem powinien znajdować się sto milionów kilometrów od obecnego źródła, nie będzie działał - musi mieć możliwość przewożenia na pokładzie akumulatorów o wystarczającej pojemności do działania przez dziesięciolecia lub samodzielnego wytwarzania prądu.
Okazuje się, że rozwiązanie takiego problemu projektowego jest dość trudne.
Film promocyjny:
Niektóre urządzenia pokładowe potrzebują tylko od czasu do czasu energii elektrycznej, ale inne muszą działać w sposób ciągły.
Odbiorniki i nadajniki muszą być zawsze włączone, a podczas lotu załogowego lub na załogowej stacji kosmicznej również muszą być włączone systemy podtrzymywania życia i oświetlenie.
Dr Rao Surampudi kieruje programem Energy Technology w Jet Propulsion Laboratory w California Institute of Technology w Stanach Zjednoczonych. Od ponad 30 lat opracowuje systemy zasilania dla różnych pojazdów NASA.
Według niego system energetyczny zwykle stanowi około 30% całkowitej masy statku kosmicznego. Rozwiązuje trzy główne zadania:
- generowanie elektryczności
- magazynowanie energii elektrycznej
- dystrybucja energii elektrycznej
Wszystkie te części systemu są niezbędne do działania aparatu. Muszą być lekkie, wytrzymałe i mieć dużą „gęstość energii” - czyli generować dużo energii przy dość małej objętości.
Ponadto muszą być niezawodne, ponieważ wysłanie osoby w kosmos w celu naprawienia awarii jest bardzo niepraktyczne.
System musi nie tylko generować wystarczającą ilość energii na wszystkie potrzeby, ale także robić to przez cały lot - i może działać przez dziesięciolecia, aw przyszłości być może nawet przez wieki.
„Okres eksploatacji powinien być długi - jeśli coś się zepsuje, nie będzie nikogo do naprawy” - mówi Surampudi. „Lot na Jowisza trwa od pięciu do siedmiu lat, do Plutona ponad 10 lat, a opuszczenie Układu Słonecznego zajmuje od 20 do 30 lat”.
Systemy zasilania statku kosmicznego są w bardzo specyficznych warunkach - muszą działać bez grawitacji, w próżni, pod wpływem bardzo intensywnego promieniowania (które uniemożliwiłoby większość konwencjonalnych urządzeń elektronicznych) i ekstremalnych temperatur.
„Jeśli wylądujesz na Wenus, 460 stopni będzie za burtą” - mówi specjalista. „A kiedy lądujesz na Jowiszu, temperatura wyniesie minus 150”.
Statkom kosmicznym zmierzającym w kierunku centrum Układu Słonecznego nie brakuje energii gromadzonej przez panele fotowoltaiczne.
Panele te niewiele różnią się od paneli słonecznych instalowanych na dachach budynków mieszkalnych, ale jednocześnie pracują ze znacznie większą wydajnością.
W pobliżu słońca jest bardzo gorąco i panele fotowoltaiczne mogą się przegrzać. Aby tego uniknąć, panele są odwrócone od Słońca.
Na orbicie planetarnej panele fotowoltaiczne są mniej wydajne: generują mniej energii, ponieważ od czasu do czasu są odgrodzone od Słońca przez samą planetę. W takich sytuacjach potrzebny jest niezawodny system magazynowania energii.
Roztwór atomowy
Taki system można zbudować na bazie akumulatorów niklowo-wodorowych, które mogą wytrzymać ponad 50 tysięcy cykli ładowania i wytrzymać ponad 15 lat.
W przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów, które nie działają w kosmosie, akumulatory te są uszczelnione i mogą normalnie funkcjonować w próżni.
Wraz z odległością od Słońca poziom promieniowania słonecznego w naturalny sposób spada: dla Ziemi wynosi 1374 watów na metr kwadratowy, dla Jowisza - 50, a dla Plutona - tylko jeden wat na metr kwadratowy.
Dlatego też, jeśli statek kosmiczny opuści orbitę Jowisza, wykorzystuje atomowe systemy zasilania.
Najczęstszym z nich jest radioizotopowy generator termoelektryczny (RTG) używany w sondach Voyager i Cassini oraz w łaziku Curiosity.
W tych zasilaczach nie ma ruchomych części. Generują energię poprzez rozpad radioaktywnych izotopów, takich jak pluton. Ich żywotność przekracza 30 lat.
Jeśli niemożliwe jest użycie RTG (na przykład, jeśli potrzebny jest ekran, który jest zbyt masywny do lotu, aby chronić załogę przed promieniowaniem), a panele fotowoltaiczne nie są odpowiednie ze względu na zbyt dużą odległość od Słońca, można zastosować ogniwa paliwowe.
Ogniwa paliwowe wodorowo-tlenowe były wykorzystywane w amerykańskich programach kosmicznych Gemini i Apollo. Ogniw tych nie da się naładować, ale uwalniają dużo energii, a produktem ubocznym tego procesu jest woda, którą załoga może następnie pić.
NASA i Laboratorium Napędów Odrzutowych pracują nad stworzeniem mocniejszych, energochłonnych i kompaktowych systemów o długiej żywotności.
Jednak nowe statki kosmiczne potrzebują coraz więcej energii: ich systemy pokładowe stale się komplikują i zużywają dużo energii elektrycznej.
Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku statków, które używają napędu elektrycznego - na przykład jonowego urządzenia napędowego, po raz pierwszy zastosowanego w sondzie Deep Space 1 w 1998 roku i od tego czasu stało się powszechne.
Silniki elektryczne zwykle wyrzucają paliwo elektrycznie z dużą prędkością, ale są takie, które przyspieszają działanie aparatu poprzez oddziaływanie elektrodynamiczne z polami magnetycznymi planet.
Większość systemów energetycznych Ziemi nie jest w stanie działać w kosmosie. Dlatego każdy nowy program przechodzi serię poważnych testów, zanim zostanie zainstalowany na statku kosmicznym.
Laboratoria NASA odtwarzają trudne warunki, w jakich będzie musiało funkcjonować nowe urządzenie: jest naświetlane promieniowaniem i poddawane ekstremalnym zmianom temperatury.
W stronę nowych granic
Jest możliwe, że ulepszone generatory radioizotopów Stirlinga będą używane w przyszłych lotach. Działają na zasadzie podobnej do RTG, ale dużo wydajniej.
Ponadto mogą być bardzo małe - chociaż konstrukcja jest dodatkowo skomplikowana.
Budowane są nowe baterie na planowany lot NASA do Europy, jednego z księżyców Jowisza. Będą w stanie pracować w temperaturach od -80 do -100 stopni.
Nowe akumulatory litowo-jonowe, nad którymi obecnie pracują projektanci, będą miały dwukrotnie większą pojemność niż obecne. Z ich pomocą astronauci mogą na przykład spędzić dwa razy dłużej na powierzchni Księżyca, zanim wrócą na statek w celu naładowania.
Projektowane są również nowe panele słoneczne, które mogłyby efektywnie zbierać energię w słabym świetle i niskich temperaturach - dzięki temu urządzenia na panelach fotowoltaicznych będą mogły odlecieć od Słońca.
Na pewnym etapie NASA zamierza ustanowić stałą bazę na Marsie - i być może na bardziej odległych planetach.
Systemy energetyczne takich osiedli powinny być znacznie mocniejsze niż te używane obecnie w kosmosie i zaprojektowane do znacznie dłuższej eksploatacji.
Na Księżycu jest dużo helu-3 - izotop ten jest rzadko spotykany na Ziemi i jest idealnym paliwem dla elektrowni termojądrowych. Jednak nie udało się jeszcze osiągnąć wystarczającej stabilności syntezy termojądrowej, aby wykorzystać to źródło energii w statku kosmicznym.
Dodatkowo, obecnie istniejące reaktory termojądrowe zajmują obszar hangaru lotniczego iw takiej formie nie można ich wykorzystać do lotów kosmicznych.
Czy można stosować konwencjonalne reaktory jądrowe - zwłaszcza w pojazdach z napędem elektrycznym oraz w planowanych misjach na Księżyc i Marsa?
W tym przypadku kolonia nie musi mieć osobnego źródła energii elektrycznej - swoją rolę może odegrać reaktor okrętowy.
W przypadku lotów długoterminowych możliwe jest użycie pędników atomowo-elektrycznych.
„Misja Asteroid Deflection wymaga dużych paneli słonecznych, które mają wystarczającą moc elektryczną do manewrowania wokół asteroidy” - mówi Surampudi. „Obecnie rozważamy opcję napędu słoneczno-elektrycznego, ale atomowo-elektryczny byłby tańszy”.
Jednak w najbliższej przyszłości raczej nie zobaczymy statku kosmicznego o napędzie atomowym.
„Ta technologia nie jest jeszcze wystarczająco rozwinięta. Musimy być absolutnie pewni jego bezpieczeństwa przed wystrzeleniem takiego urządzenia w kosmos”- wyjaśnia specjalista.
Wymagane są dalsze rygorystyczne testy, aby upewnić się, że reaktor jest w stanie wytrzymać rygory lotów kosmicznych.
Wszystkie te obiecujące systemy zasilania pozwolą statkom kosmicznym działać dłużej i latać na duże odległości - ale jak dotąd są one na wczesnym etapie rozwoju.
Po pomyślnym zakończeniu testów takie systemy staną się obowiązkowym elementem lotów na Marsa i nie tylko.