Barošanas sistēmas (barošana, ja tā ir vienkāršāka, jo pat mašīnām kaut kas jāapēd) ir svarīga kosmosa kuģa sastāvdaļa. Viņiem jāstrādā ekstremālos apstākļos un jābūt ārkārtīgi uzticamiem. Tomēr, ņemot vērā arvien pieaugošās enerģijas prasības sarežģītiem kosmosa kuģiem, nākotnē mums būs vajadzīgas jaunas tehnoloģijas. Misijām, kas ilgs gadu desmitiem, būs nepieciešami jaunas paaudzes barošanas avoti. Kādas iespējas?
Jaunākie mobilie tālruņi tik tikko var izdzīvot dienu, ja tie nav jāpievieno strāvas kontaktligzdai. Bet Voyager zonde, kas tika palaista pirms 38 gadiem, joprojām mums sūta informāciju no ārpus Saules sistēmas. Voyager zondes spēj efektīvi apstrādāt 81 000 instrukciju katru sekundi, bet vidēji viedtālruņi ir 7000 reizes ātrāki.
Jūsu mobilie tālruņi, protams, ir dzimuši regulārai uzlādēšanai, un maz ticams, ka tie noies vairāku miljonu kilometru attālumā no tuvākās kontaktligzdas. Nav praktiski uzlādēt kosmosa kuģi, kas atrodas 100 miljonu kilometru attālumā no tuvākās stacijas. Tā vietā kosmosa kuģim jāspēj uzglabāt vai radīt pietiekami daudz enerģijas, lai kosmosā pārvietotos gadu desmitiem ilgi. Un to, kā izrādījās, ir grūti sakārtot.
Kaut arī dažām borta sistēmām tikai reizēm ir nepieciešama enerģija, citām ir nepārtraukti jādarbojas. Transponderiem un uztvērējiem vienmēr jābūt aktīviem, un gadījumā, ja lidojumu veic personāls vai kosmosa stacija, jādarbojas arī dzīvības uzturēšanas un apgaismojuma sistēmām.
Dr Rao Surampudi ir enerģijas tehnoloģiju programmas vadītājs Kalifornijas Tehnoloģiju institūta reaktīvo dzinēju laboratorijā. Vairāk nekā 30 gadus viņš ir izstrādājis dažādu NASA kosmosa kuģu barošanas sistēmas.
Pēc Surampudi teiktā, kosmosa kuģu energosistēmas veido apmēram 30% no transporta masas, un tās var iedalīt trīs svarīgās apakšgrupās:
enerģijas ražošana;
Reklāmas video:
enerģijas uzkrāšana;
enerģijas pārvaldība un sadale
Šīs sistēmas ir ļoti svarīgas kosmosa kuģa darbībai. Viņiem jābūt ar mazu masu, ilgi jādzīvo un jābūt “enerģētiski blīviem”, tas ir, no salīdzinoši nelieliem apjomiem jāražo daudz enerģijas. Viņiem arī jābūt diezgan uzticamiem, jo dažas kosmosā esošās lietas ir gandrīz nereāli vai nepraktiski izlabot.
Šīm sistēmām jāspēj ne tikai piegādāt enerģiju visām vajadzībām uz borta, bet arī darīt to visā misijas laikā - dažas no tām varētu ilgt desmitiem vai simtiem gadu.
“Paredzamajam dzīves laikam jābūt ilgam, jo, ja kaut kas noiet greizi, jūs to nevarat salabot,” saka Surampudi. "Lai nokļūtu Jupiterā, būs nepieciešami pieci līdz septiņi gadi, līdz Plutonam - vairāk nekā desmit gadi, bet Saules sistēmas atstāšana ir 20-30 gadi."
Sakarā ar unikālo vidi, kurā tās darbojas, kosmosa kuģa energoapgādes sistēmām jāspēj darboties nulles gravitācijā un vakuumā, kā arī izturēt kolosālu starojumu (parasti šādos apstākļos elektronika nedarbojas). "Ja jūs nolaižaties uz Venēras, temperatūra var sasniegt 460 grādus pēc Celsija, bet Jupiterā tie var pazemināties līdz -150 grādiem."
Kosmosa kuģis, kas virzās uz mūsu Saules sistēmas centru, par saviem fotoelektriskajiem paneļiem saņems daudz saules enerģijas. Kosmosa kuģu saules paneļi mūsu mājās var izskatīties kā parastie saules paneļi, taču tie ir paredzēti darbam efektīvāk nekā mājās.
Pēkšņa temperatūras paaugstināšanās no saules tieša tuvuma var izraisīt arī saules paneļu pārkaršanu. To mazina saules paneļu pagriešana prom no Saules, kas ierobežo intensīvu staru iedarbību.
Kad kosmosa kuģis nonāk planētas orbītā, saules baterijas kļūst mazāk efektīvas; tie nevar radīt daudz enerģijas, pateicoties aptumsumiem un cauri planētas ēnai. Nepieciešama uzticama enerģijas uzkrāšanas sistēma.
Atomi atbild
Viena šāda veida enerģijas uzkrāšanas sistēma ir niķeļa-ūdeņraža baterijas, kuras var uzlādēt vairāk nekā 50 000 reizes un kuru kalpošanas laiks pārsniedz 15 gadus. Atšķirībā no komerciālajām baterijām, kuras nedarbojas kosmosā, šīs baterijas ir hermētiski noslēgtas sistēmas, kuras var darboties vakuumā.
Kad jūs lidojat prom no Saules, saules starojums pakāpeniski samazinās no 1,374 W / m2 ap Zemi līdz 50 W / m2 pie Jupitera, bet Plutons jau sasniedz aptuveni 1 W / m2. Tāpēc, kad kosmosa kuģis izlidoja no Jupitera orbītas, zinātnieki pievēršas atomu sistēmām, lai nodrošinātu kosmosa kuģi ar enerģiju.
Visizplatītākais tips ir radioizotopu termoelektriskie ģeneratori (īsi - RTG), kas tika izmantoti Voyager, Cassini un Curiosity roverā. Tās ir cietvielu ierīces, kurām nav kustīgu daļu. Tie rada siltumu tādu elementu kā plutonijs radioaktīvās sabrukšanas laikā, un to kalpošanas laiks pārsniedz 30 gadus.
Ja RTG izmantošana nav iespējama - piemēram, ja ekipējuma aizsardzībai nepieciešamais ekranējuma svars aparātu padara nepraktisku - un attālums no Saules neļauj izmantot saules paneļus, tad degvielas elementi tiek pagriezti.
Ūdeņraža-skābekļa kurināmā elementi tika izmantoti Apollo un Gemini kosmosa misiju laikā. Kaut arī ūdeņraža-skābekļa kurināmā elementus nevar uzlādēt, tiem ir liela īpatnējā enerģija, un tie neatstāj neko citu kā ūdeni astronautiem dzert.
NASA un JPL pašreizējie pētījumi ļaus nākotnes energosistēmām radīt un uzglabāt vairāk enerģijas, izmantojot mazāk vietas un ilgāku laiku. Neskatoties uz to, jauniem kosmosa kuģiem ir vajadzīgas arvien vairāk rezerves, jo to borta sistēmas kļūst sarežģītākas un izsalkušas pēc enerģijas.
Augstās enerģijas prasības ir īpaši aktuālas, ja kosmosa kuģis izmanto tādu elektrisko vilces sistēmu kā jonu dzineklis, kuru pirmo reizi piegādāja Deep Space 1 1998. gadā un joprojām veiksmīgi izmanto kosmosa kuģī. Elektriskās vilces sistēmas parasti izvada degvielu ar elektrību lielā ātrumā, bet citas izmanto elektrodinamiskās virves, kas mijiedarbojas ar planētas magnētiskajiem laukiem, lai pārvietotu kosmosa kuģi.
Lielākā daļa Zemes enerģijas sistēmu nedarbosies kosmosā. Tādējādi jebkura jauna barošanas sistēma pirms uzstādīšanas kosmosa kuģī ir rūpīgi jāpārbauda. NASA un JPL izmanto savas laboratorijas, lai modelētu skarbos apstākļus, kādos šī jaunā tehnoloģija darbosies, bombardējot jaunus komponentus un sistēmas ar starojumu un pakļaujot tos ekstremālām temperatūrām.
Papildu dzīve
Pašlaik tiek gatavoti maisīšanas radioizotopu ģeneratori nākamajām misijām. Balstoties uz esošajiem RTG, šie ģeneratori ir daudz efektīvāki nekā viņu termoelektriskie brāļi un māsas, un tie var būt daudz mazāki, kaut arī ar sarežģītāku izvietojumu.
NASA plānotajai misijai uz Eiropu (vienu no Jupitera pavadoņiem) tiek izstrādāti arī jauni bateriju veidi. Viņiem jādarbojas temperatūras diapazonā no -80 līdz -100 grādiem pēc Celsija. Tiek pētīta iespēja izveidot uzlabotas litija jonu baterijas ar divkāršu uzkrāto enerģiju. Viņi varētu ļaut astronautiem pavadīt uz Mēness divreiz ilgāk, pirms izlādējas baterijas.
Tiek izstrādāti jauni saules paneļi, kas spēs darboties samazinātas gaismas intensitātes un temperatūras apstākļos, tas ir, kosmosa kuģis varēs darboties ar saules enerģiju tālāk no Saules.
Kādu dienu NASA beidzot izlems izveidot pastāvīgu bāzi uz Marsa kopā ar cilvēkiem un varbūt uz citas planētas. Aģentūrai būs vajadzīgas enerģijas ražošanas sistēmas, kas ir daudz jaudīgākas nekā esošās.
Mēness ir bagāts ar hēliju-3, retu elementu uz Zemes, kas varētu būt ideāla kodolsintēzes degviela. Tomēr līdz šim šāda sintēze netiek uzskatīta par pietiekami stabilu vai uzticamu, lai veidotu pamatu kosmosa kuģa energoapgādei. Turklāt tipisks kodolsintēzes reaktors, piemēram, tokamaks, ir apmēram mājas izmērs un nederēs kosmosa kuģim.
Kā būtu ar kodolreaktoriem, kas būtu ideāli piemēroti ar elektrību darbināmam kosmosa kuģim un plānotajām misijām, lai nolaistos uz Mēness un Marsa? Tā vietā, lai kolonijai atvestu atsevišķu barošanas sistēmu, varētu izmantot kosmosa kuģa kodolģeneratoru.
Kosmosa kuģi ar kodolelektriskā tipa motoriem nākotnē tiek apsvērti ilgtermiņa misijām. "Asteroīda novirzīšanas misijai būs nepieciešami jaudīgi saules paneļi, kas nodrošinās pietiekamu elektrisko piedziņu, lai kosmosa kuģis varētu manevrēt ap asteroīdu," saka Surampudi. "Kādā brīdī mēs gatavojāmies to sākt ar saules enerģiju, bet ar kodolenerģiju viss būs daudz lētāk."
Tomēr daudzus gadus mēs neredzēsim kosmosa kuģus, kas darbojas ar kodolmateriāliem. “Tehnoloģija vēl nav nobriedusi,” saka Surampudi. "Mums jāpārliecinās, ka pēc palaišanas tie ir droši." Viņiem būs jāveic stingra pārbaude, lai parādītu, vai ir droši pakļaut šādas kodoliekārtas skarbajiem kosmosa testiem."
Jaunās energoapgādes sistēmas ļaus kosmosa kuģiem ilgāk darboties un ceļot tālāk, taču tās joprojām ir tikai to attīstības sākumā. Pārbaudot, tie kļūs par kritiskām sastāvdaļām komandētās misijās uz Marsu un ārpus tā.