Как получить электричество в космосе? [Fraser Cain]
Вот он, мой космос — это кошмар. Только представьте: смертоносная радиация, отсутствие атмосферы, низкая температура, гравитационные колодцы и самое ужасное — никаких удлинителей. Чтобы поддерживать пригодную для жизни температуру внутри корабля, необходимо электричество, а ведь еще надо как-то питать научные аппараты и передатчики, отсылающие данные на Землю. Получить достаточно энергии в космосе — задача непростая.
Есть три пути ее решения: солнечные батареи, радиоизотопные термоэлектрические генераторы и ядерные реакторы. У каждого свои плюсы и минусы. Начнем с солнечных батарей. Это не новая технология; она основана на том, что фотоны, попадая на поверхность, выбивают электроны из атомов. Эти электроны улавливаются и обеспечивают космический аппарат энергией для работы. Для производства полезной энергии требуются большие батареи.
Восемь солнечных батарей на МКС площадью в половину футбольного поля содержат тысячи фотоэлементов. Они способны произвести до 120 тысяч ватт энергии. Этого хватит для питания 40 домов. Космические солнечные батареи стоят намного дороже, чем те, что мы используем на Земле, поскольку в космосе вес и объем имеют большое значение. В них используются высокоэффективные элементы.
Космические агентства первыми внедрили многие из этих технологий. Европейское космическое агентство недавно объявило о создании фотоэлемента толщиной всего в одну десятую миллиметра. Его эффективность в 30 процентов достигается благодаря использованию четырех слоев разного материала, что позволяет поглощать свет большего спектра. Самые эффективные батареи, представленные на рынке, преобразовывают лишь 22,5 процента. Большинство же способны обработать только 15-17 процентов.
В январе 2004 года на поверхность Марса опустился ровер НАСА "Оппортьюнити". Более 5000 дней он бороздил красную планету в поисках следов исчезнувшей воды. По ночам температура на Марсе может опускаться до минус 105 градусов по Цельсию. В процессе работы температура его батарей не должна была опускаться ниже -20 градусов, а когда они заряжались, "Оппортьюнити" следил, чтобы она была выше нуля. Для поддержания электроники в тепле у "Оппортьюнити" было восемь крохотных граммов распадающегося плутония и электрообогреватели.
Без достаточного количества энергии для поддержания батарей в тепле аппарат мог бы разрядиться, и миссия была бы провалена. В лучшие марсианские дни его солнечные панели могли сгенерировать около 140 ватт. Для движения ему было необходимо всего 100. Изначально предполагалось, что пыль, оседающая на солнечных батареях, снизит их мощность, и через пару лет аппарат прекратит работу. Однако, обдуваемый марсианскими ветрами, "Оппортьюнити" продолжал свою миссию.
К сожалению, из-за сильной бури панели все-таки покрылись пылью. Он не смог собрать достаточно солнечной энергии и завершил свой путь. Такие батареи установлены на многих аппаратах, работающих во внутренней области солнечной системы, где достаточно солнечного света для обеспечения работы приборов, нагревателей и даже ионных двигателей.
На Земле на один квадратный метр попадает 1300 ватт солнечной энергии, а на Юпитере этот показатель падает в 25 раз — до 50 ватт на квадратный метр, а все из-за закона обратных квадратов, согласно которому интенсивность света на любом расстоянии пропорциональна обратному квадрату этого расстояния. Вот почему космический аппарат "Юнона" — шедевр инженерного искусства.
Он оборудован тремя солнечными батареями по 9 метров длиной, на которых расположились 18600 98 фотоэлементов. На Земле "Юнона" могла бы произвести 14 тысяч ватт электроэнергии, но на Юпитере ее предел — лишь 500. И этого ей вполне достаточно для того, чтобы проводить научные эксперименты и каждые две недели делать потрясающие снимки Юпитера. "Юнона" — первый аппарат, работающий на солнечных батареях в таком удалении от Солнца. Восемь предыдущих были вынуждены использовать радиоизотопные термоэлектрические генераторы.
Давайте перенесемся за пределы солнечной системы на межпланетные станции "Вояджер 1" и "Вояджер 2". Сигнал из Земли летит со скоростью света, но все равно достигает аппараты почти за двадцать часов. У "Вояджер" тоже проблема, что была у "Оппортьюнити": им необходима энергия, чтобы не замерзнуть и для работы научных приборов и передачи данных открытий на Землю. Но они намного дальше от Солнца.
Каждый "Вояджер" оснащен тремя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами, или РТГ. Это блок медленно распадающегося плутония 238. Во время распада альфа-частицы высвобождаются и бомбардируют стенки контейнера, тем самым выделяя тепловую энергию, превращающуюся в электричество. В начале миссии три РТГ снабжали каждый "Вояджер" электроэнергией мощностью в 470 ватт. На сегодняшний день они проработали уже более 40 лет, и количество полезного тепла неуклонно падает.
Предполагается, что в ближайшие 10 лет оно сократится настолько, что аппарат больше не сможет включать передачи. РТГ производят необходимую энергию в глубоким космосе, но и у них есть свои проблемы. Во-первых, для работы им необходимы опасные элементы: плутоний, стронций или полоний. Они очень радиоактивны, а в случае попадания в окружающую среду опасны. Чтобы не допустить загрязнения ледяных лун Сатурна, где может находиться жизнь, не говоря уже о риске занести на них земные микроорганизмы.
К осени "Вояджер" столкнулся с газовым гигантом. Другая проблема заключается в том, что РТГ работают за счет радиоактивного излучения, которое может создавать помехи для электроники, мешая сбору данных. Поэтому такие генераторы обычно устанавливают на штангах в удалении от аппарата и его приборов. На обоих "Вояджерах" установлены радиоизотопные термоэлектрические генераторы мощностью в 68 ватт, но более новые аппараты, такие как "Галилео", "Кассини" и "Новые горизонты", работают на тепловых источниках общего назначения, которые, используя 7,8 килограммов плутония 238, производят около 300 ватт энергии.
Программы, запущенные после 2010 года, такие как "Кьюриосити", работают на многоцелевых РТГ, тепло им обеспечивает диоксид плутония 238. За 14 лет количество производимой энергии падает с 125 до 100 ватт. После окончания холодной войны США остановили производство плутония 238 и, по иронии судьбы, начали закупать его у России, а потом и Россия прекратила производство.
Из-за сокращения поставок Министерство энергетики США фактически запретило НАСА использовать в миссиях РТГ. Это усложнило производство и во многом положило конец изучению внешней солнечной системы. Однако затем НАСА объявило о снятии запрета. С 2018 года космические аппараты могут иметь до двух многоцелевых РТГ на бортах.
А солнечные батареи и распадающиеся радиоактивные материалы — можно ли получить энергию в космосе иным путем? Можно, с помощью ядерных реакторов, о которых я расскажу через минуту. А пока я хочу поблагодарить Минли Курю, сборка Владислава Кравцова, Суша, Надя, Roro, Уильям, In a Bed, Фрэнка Уокера, Лад Эфрон и еще 812 подписчиков на Патреоне за их поддержку. Если вам нравится это видео и вы хотите поддержать наш канал, то переходите по ссылке в описании.
Я уже рассказал вам о солнечных и ядерных батареях, но знали ли вы о запуске более 30 аппаратов с ядерным реактором на борту? Один принадлежал США, а остальные — Советскому Союзу. Космические ядерные реакторы схожи с теми, которые мы используем на Земле для производства электроэнергии. Они работают на уране 235, и при расщеплении атома высвобождается энергия: килограмм урана дает столько же энергии, сколько и сжигание 3 миллионов килограммов угля.
В 1965 году в США запустили "Снег 10", который вышел из строя через сорок три дня. Его орбита постепенно меняется, и примерно через 3000 лет он рухнет на Землю, но беспокоиться не о чем: большая часть ядерного материала успеет распаться. В период космической гонки Советский Союз снабдил 31 аппарат ядерной энергетической установкой БС-5. Они производили до 3000 ватт полезной электроэнергии.
Некоторые аппараты оснащались энергетическими установками "Топаз", способными произвести до 5000 ватт электроэнергии. Хотя и у советов случались неудачи. В 1977 году они запустили разведывательный спутник "Космос-954" с ядерной энергетической установкой, в том числе 10 килограммами урана-235 на борту. Оборудование начало отказывать, и контроль над ним был потерян. Советы заверили всех, что аппарат сгорит в атмосфере, а если этого не произойдет, то при падении он выдержит удар.
Поскольку аппарат был запущен с сильным наклоном (орбита 65 градусов), он мог упасть на любой населенный пункт. В 1978 году спутник сошел с орбиты, реактор развалился почти сразу по входу в атмосферу, покрыв корпус радиоактивным материалом. Весь аппарат распался на огромные куски, которые разбросали на территории 600 километров в северо-западных областях Канады.
Канада смогла найти, очистить и утилизировать лишь один процент радиоактивных осколков. Все остальные покоятся где-то на севере страны. К счастью, ни один из запущенных реакторов не должен в ближайшее время вернуться на Землю, как и "Снег 10". Они войдут в атмосферу через сотни или даже тысячи лет. Понимая опасность, космические агентства более чем на 30 лет прекратили запуск аппаратов с ядерными реакторами на борту.
Но все может измениться. Недавно НАСА объявило о работе над новой реакторной энергетической установкой "Кило Пауэр". На пресс-конференции в мае 2018 года они объявили о завершении наземных испытаний нового вида ядерного реактора, способного производить 1000 ватт электроэнергии и до 10 тысяч ватт для установок на Луне, Марсе или же космической станции.
В ядре реактора находятся обогащенный уран: атомы постоянно делятся. От реактора отходят тепловые трубки, соединяющиеся с двигателем Стирлинга, который преобразует тепло в электроэнергию. Система сама себя регулирует: если вектор перегревается, двигатель будет расходовать больше энергии, чтобы охладить его. При низкой температуре ядро сжимается, увеличивая скорость реакции.
После завершения наземных испытаний НАСА приступит к космическим тестам. Если все пройдет хорошо, то будущее исследователи Луны и Марса будут обеспечены энергией для выживания, научных экспериментов и передачи их результатов на Землю. НАСА считает, что установка "Кило Пауэр" может обеспечивать космический аппарат ионным двигателем с целью обеспечения его энергии для длительных миссий.
Возможно, космические агентства используют для снабжения своих аппаратов энергии солнечные батареи, РТГ и ядерные реакторы. И если здесь, на Земле, удастся создать термоядерный реактор, то возможно, однажды мы увидим его и в космосе. А пока, чтобы сделать хоть что-то полезное, особенно на большом удалении от Солнца, придется затратить очень много сил и времени. Как я и сказал, космос — это кошмар.