Kosmosa misijām, kas ilgst vairākas desmitgades vai pat ilgāk, būs vajadzīgas jaunas paaudzes barošanas avoti.
Energosistēma ir būtiska kosmosa kuģa sastāvdaļa. Šīm sistēmām jābūt ārkārtīgi uzticamām un izstrādātām, lai izturētu skarbu vidi.
Mūsdienu sarežģītajām ierīcēm ir nepieciešams arvien vairāk enerģijas - kāda ir viņu barošanas avotu nākotne?
Vidēji moderns viedtālrunis tik tikko iztur vienu dienu ar vienu uzlādi. Un Voyager zonde, kas palaista pirms 38 gadiem, pēc Saules sistēmas aiziešanas joprojām pārraida signālus uz Zemi.
Voyager datori spēj veikt 81 tūkstošu operāciju sekundē, bet viedtālruņa procesors ir septiņus tūkstošus reižu ātrāks.
Projektējot tālruni, protams, tiek pieņemts, ka tas tiks regulāri uzlādēts un maz ticams, ka tas atradīsies vairāku miljonu kilometru attālumā no tuvākās kontaktligzdas.
Nedarbosies, lai uzlādētu kosmosa kuģa akumulatoru, kam saskaņā ar plānu vajadzētu atrasties simts miljonu kilometru attālumā no pašreizējā avota, tas nedarbosies - tam būs jāspēj vai nu nēsāt uz kuģa pietiekamas ietilpības akumulatorus, lai tas darbotos gadu desmitiem, vai arī pats ražot elektrību.
Izrādās, ka ir diezgan grūti atrisināt šādu dizaina problēmu.
Reklāmas video:
Dažām borta ierīcēm laiku pa laikam nepieciešama tikai elektrība, bet citām - nepārtraukti.
Uztvērējiem un raidītājiem vienmēr jābūt ieslēgtiem, un lidojumā ar pilotu vai uz kosmosa stacijas jāieslēdz arī dzīvības uzturēšanas un apgaismojuma sistēmas.
Dr Rao Surampudi vada Enerģētikas tehnoloģiju programmu reaktīvo dzinēju laboratorijā Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā Amerikas Savienotajās Valstīs. Vairāk nekā 30 gadus viņš ir izstrādājis dažādu NASA transportlīdzekļu energosistēmas.
Pēc viņa teiktā, enerģijas sistēma parasti veido apmēram 30% no visas kosmosa kuģa masas. Tas atrisina trīs galvenos uzdevumus:
- elektroenerģijas ražošana
- elektrības uzkrāšana
- elektrības sadale
Visas šīs sistēmas daļas ir ļoti svarīgas aparāta darbībai. Tiem jābūt viegliem, izturīgiem un ar augstu “enerģijas blīvumu” - tas ir, radīt daudz enerģijas ar diezgan mazu tilpumu.
Turklāt tiem jābūt uzticamiem, jo personas nosūtīšana kosmosā noteikt bojājumus ir ļoti nepraktiska.
Sistēmai ir ne tikai jāražo pietiekami daudz enerģijas visām vajadzībām, bet tas jādara arī visa lidojuma laikā - tas varētu ilgt gadu desmitiem un nākotnē, iespējams, gadsimtiem ilgi.
“Projektēšanas laikam vajadzētu būt ilgam - ja kaut kas sabojājas, remontējamo vairs nebūs,” saka Surampudi. "Lidojums uz Jupiteru prasa piecus līdz septiņus gadus, uz Plutonu - vairāk nekā 10 gadus, un no Saules sistēmas aiziešanas nepieciešami 20 līdz 30 gadi."
Kosmosa kuģa energosistēmas ir ļoti īpašos apstākļos - tām jādarbojas, ja nav gravitācijas, vakuumā, ļoti intensīva starojuma ietekmē (kas atspējotu lielāko daļu parasto elektronisko ierīču) un ārkārtējas temperatūras.
“Ja jūs nolaidāties uz Venēras, 460 grādi būs pāri bortam,” saka speciālists. "Un, nolaižoties Jupiterā, temperatūra būs mīnus 150".
Kosmosa kuģiem, kas virzās uz Saules sistēmas centru, netrūkst enerģijas, ko savāc fotoelektriskie paneļi.
Šie paneļi izskatās maz atšķirīgi no saules paneļiem, kas uzstādīti uz dzīvojamo ēku jumtiem, taču tajā pašā laikā tie darbojas ar daudz augstāku efektivitāti.
Netālu no saules ir ļoti karsts, un PV paneļi var pārkarst. Lai no tā izvairītos, paneļi tiek pagriezti prom no saules.
Planētas orbītā fotoelektriskie paneļi ir mazāk efektīvi: tie rada mazāk enerģijas, jo laiku pa laikam pati planēta tos norobežo no Saules. Tādās situācijās kā šī ir nepieciešama uzticama enerģijas uzkrāšanas sistēma.
Atomu risinājums
Šādu sistēmu var izveidot, pamatojoties uz niķeļa-ūdeņraža baterijām, kuras var izturēt vairāk nekā 50 tūkstošus uzlādes ciklu un kalpot vairāk nekā 15 gadus.
Atšķirībā no parastajām baterijām, kuras nedarbojas telpā, šīs baterijas ir noslēgtas un var normāli darboties vakuumā.
Attīstoties no Saules, saules starojuma līmenis dabiski samazinās: Zemei tas ir 1374 vati uz kvadrātmetru, Jupiteram - 50, bet Plutonam - tikai viens vats uz kvadrātmetru.
Tāpēc, ja kosmosa kuģis atstāj Jupitera orbītu, tad tas izmanto atomu enerģijas sistēmas.
Visizplatītākais no tiem ir radioizotopu termoelektriskais ģenerators (RTG), ko izmanto Voyager un Cassini zondes un Curiosity roverā.
Šajos barošanas avotos nav kustīgu detaļu. Viņi ražo enerģiju, noārdot radioaktīvos izotopus, piemēram, plutoniju. Viņu kalpošanas laiks pārsniedz 30 gadus.
Ja nav iespējams izmantot RTG (piemēram, ja apkalpes aizsardzībai no radiācijas ir nepieciešams pārāk masīvs ekrāns, kas nepieciešams lidojumam), un fotoelektriskie paneļi nav piemēroti pārāk liela attāluma dēļ no Saules, tad var izmantot kurināmā elementus.
Ūdeņraža-skābekļa kurināmā elementi tika izmantoti Amerikas kosmosa programmās Gemini un Apollo. Šīs šūnas nevar uzlādēt, taču tās izdala daudz enerģijas, un šī procesa blakusprodukts ir ūdens, kuru apkalpe pēc tam var dzert.
NASA un reaktīvo dzinēju kustības laboratorija strādā, lai izveidotu jaudīgākas, energoietilpīgākas un kompaktas sistēmas ar augstu kalpošanas laiku.
Bet jauniem kosmosa kuģiem ir vajadzīga arvien vairāk enerģijas: to borta sistēmas pastāvīgi kļūst sarežģītas un patērē daudz elektrības.
Tas jo īpaši attiecas uz kuģiem, kuri izmanto elektrisko piedziņu - piemēram, jonu vilces ierīce, kas pirmo reizi tika izmantota uz zondes Deep Space 1 1998. gadā un kopš tā laika tiek plaši pielietota.
Elektromotori parasti darbojas, izmetot degvielu elektriski lielā ātrumā, taču ir arī tādi, kas aparātu paātrina, veicot elektrodinamisko mijiedarbību ar planētu magnētiskajiem laukiem.
Lielākā daļa Zemes enerģijas sistēmu nav spējīgas darboties kosmosā. Tāpēc jebkura jauna shēma iziet nopietnu testu sēriju, pirms tā tiek uzstādīta kosmosa kuģī.
NASA laboratorijas atjauno skarbos apstākļus, kādos jaunajai ierīcei būs jāfunkcionē: tā tiek apstarota ar radiāciju un pakļauta ārkārtējām temperatūras izmaiņām.
Ceļā uz jaunām robežām
Iespējams, ka turpmākos lidojumos tiks izmantoti uzlaboti Stirlinga radioizotopu ģeneratori. Viņi darbojas pēc principa, kas līdzīgs RTG, bet ir daudz efektīvāks.
Turklāt tos var izgatavot ļoti mazus - lai arī dizains ir vēl sarežģītāks.
Tiek būvētas jaunas baterijas NASA plānotajam lidojumam uz Eiropu, kas ir viens no Jupitera pavadoņiem. Viņi varēs darboties temperatūrā no -80 līdz -100 grādiem.
Un jaunajām litija jonu baterijām, pie kurām dizaineri šobrīd strādā, būs divreiz lielāka jauda nekā pašreizējām. Ar viņu palīdzību astronauti, piemēram, var pavadīt divreiz ilgāk uz Mēness virsmas, pirms atgriežas kuģī, lai uzlādētos.
Tiek izstrādāti arī jauni saules paneļi, kas varētu efektīvi savākt enerģiju vājā apgaismojumā un zemā temperatūrā - tas ļaus fotoelektrisko paneļu ierīcēm lidot prom no saules.
Kādā posmā NASA plāno izveidot pastāvīgu bāzi uz Marsa - un, iespējams, uz attālākām planētām.
Šādu apmetņu enerģijas sistēmām vajadzētu būt daudz jaudīgākām nekā tās, kuras mūsdienās izmanto kosmosā, un tām vajadzētu būt paredzētām daudz ilgākai darbībai.
Uz Mēness ir daudz hēlija-3 - šis izotops ir reti sastopams uz Zemes un ir ideāls kurināmais termoelektrostacijām. Tomēr vēl nav bijis iespējams panākt pietiekamu termobrandu kodolsintēzes stabilitāti, lai šo enerģijas avotu izmantotu kosmosa kuģos.
Turklāt pašreizējie kodoltermiskie reaktori aizņem lidmašīnas angāra zonu, un šādā veidā tos nav iespējams izmantot lidojumiem kosmosā.
Vai ir iespējams izmantot parastos kodolreaktorus - īpaši transportlīdzekļos ar elektrisko piedziņu un plānotajās misijās uz Mēnesi un Marsu?
Šajā gadījumā kolonijai nav jāvada atsevišķs elektroenerģijas avots - savu lomu var spēlēt kuģa reaktors.
Iespējams, ka ilgstošiem lidojumiem tiks izmantoti atomu elektriski dzenskrūves.
"Asteroīda novirzes misijai nepieciešami lieli saules paneļi, lai tiem būtu pietiekami daudz elektroenerģijas, lai manevrētu ap asteroīdu," saka Surampudi. "Pašlaik mēs apsveram saules enerģijas elektriskās piedziņas iespēju, bet atomu elektriskā būtu lētāka."
Tomēr maz ticams, ka tuvākajā nākotnē redzēsim ar kosmosu darbināmu kosmosa kuģi.
“Šī tehnoloģija vēl nav pietiekami attīstīta. Pirms šādas ierīces laišanas kosmosā mums jābūt pilnīgi pārliecinātiem par tā drošību,”skaidro speciālists.
Nepieciešama turpmāka stingra pārbaude, lai pārliecinātos, ka reaktors spēj izturēt lidojuma kosmosā satricinājumus.
Visas šīs daudzsološās energosistēmas ļaus kosmosa kuģiem ilgāk darboties un lidot lielos attālumos, taču līdz šim tie ir tikai sākuma stadijā.
Kad testi būs veiksmīgi nokārtoti, šādas sistēmas kļūs par obligātu sastāvdaļu lidojumos uz Marsu un ārpus tā.