Проектирование систем энергоснабжения – важнейший этап в строительстве космических кораблей. Эти системы должны быть способны работать в экстремальных условиях и должны быть максимально надежными. Со временем у новых космических кораблей потребность в энергии будет расти все сильнее и сильнее. Так что же ожидает нас в будущем?
Современные мобильные телефоны с большим трудом могут проработать сутки без подзарядки. А вот космический исследовательский аппарат Вояджер был отправлен в космос 38 лет назад и до сих пор исправно отсылает информацию на Землю, находясь на самых задворках солнечной системы. Вояджер способен обрабатывать 81 000 задач в секунду, в то время как обычный современный смартфон работает в 7 000 раз быстрее.
Разумеется, наши мобильные телефоны созданы с расчетом того, что они будут регулярно подзаряжаться. Согласитесь, что вероятность того, что вы окажетесь на расстоянии нескольких миллионов километров от ближайшей электрической розетки, ничтожно мала. Подзаряжать космический аппарат, который находится на расстоянии 150 миллионов километров от розетки, не особо практично. Вместо этого, космический аппарат должен либо хранить, либо генерировать достаточное для своей работы количество энергии, находясь в космосе на протяжении десятков лет. Разумеется, этого достичь не так уж и просто.
В то время как одним бортовым системам энергия требуется только периодически, другим системам необходимо постоянное питание. Транспондеры и ресиверы, например, должны постоянно работать так же, как и системы освещения и жизнеобеспечения в том случае, если на космическом корабле будет находиться человек.
Доктор Рао Сурапунди уже более тридцати лет разрабатывает энергетические системы для различных космических кораблей НАСА. Доктор Сурапунди отмечает, что энергетические системы занимают порядка 30 процентов от общей массы космического аппарата и делятся на три подсистемы: генерация энергии, хранение энергии и распределение энергии.
Эти системы жизненно необходимы для работы космического корабля. Они должны обладать низкой массой, они должны быть долговечны и должны производить максимальное количество энергии при сравнительно небольшом объеме. Кроме того, эти системы должны быть максимально надежны. Сами понимаете, что посылать кого-либо в космос для ремонта энергетической системы, мягко говоря, не практично.
Эти системы обязаны не только обеспечивать космический аппарат достаточным количеством энергии, но и бесперебойно работать на протяжении всей миссии, то есть десятки, а то и сотни лет. «Сейчас, чтобы отправиться на Юпитер, нам понадобится 5-7 лет, чтобы добраться до Плутона – более десяти, а чтобы покинуть пределы солнечной системы – 20-30 лет» — объясняет доктор Сурапунди.
В связи с нестандартными условиями, в которой пребывают космические аппараты, их энергетические системы должны стабильно работать при нулевой гравитации, в вакууме, под воздействием огромных доз радиации и на предельных температурах. «Если мы приземлимся на Венеру, то температура там будет порядка 460 градусов C, а если приземлимся на Юпитер – 150 градусов C ниже нуля» — говорит Сурапунди.
Космические корабли, которые направляются к центру нашей солнечной системы, будут получать достаточное количество солнечной энергии с помощью солнечных панелей. Солнечные панели у космических кораблей будут выглядеть приблизительно так же, как и солнечные панели бытового назначения, которые с избытком можно встретить на нашей планете. Но космические солнечные панели созданы для более эффективной работы.
Высокие температуры вблизи Солнца могут вызвать перегрев солнечных батарей. Чтобы этого избежать, солнечные панели отворачиваются в сторону от Солнца.
Когда космический корабль выходит на орбиту планеты, солнечное излучение становится уже не столь эффективным и уже встает вопрос о сохранении энергии.
Одним из способов сохранения энергии являются никель-водородные батареи. Они рассчитаны на 50 000 циклов перезарядки, а их срок службы составляет 15 лет. Такие аккумуляторы способны работать в вакууме, в отличие от аккумулятора в вашем мобильном телефоне.
Так, например, когда космический корабль выйдет на орбиту Юпитера, ему понадобятся атомные источники энергии.
Здесь речь идет о термоэлектрических генераторах радиоизотопов, которые нашли свое применение в конструкциях Вояджера и Кьюриосити. Эти устройства генерируют тепло от распада таких веществ как плутоний. Срок службы таких генераторов составляет порядка 30 лет.
В таких случаях, когда использование таких генераторов невозможно, а расстояние до Солнца исключает возможность использования солнечной энергии, то приходится использовать топливные элементы.
Водород-кислородные топливные элементы были использованы в космических миссиях Аполлон и Джемини. Несмотря на то, что такие топливные ячейки не могут быть перезаряжены, они дают довольно большое количество энергии, а их единственным выхлопом является вода в виде пара, которую космонавты потом пьют.
Предстоящие исследования НАСА позволят создать энергетические системы, которые будут генерировать и сохранять еще больше энергии и при этом использовать гораздо меньшее пространство.
Большинство энергетических систем, используемых на Земле, не смогут функционировать в космосе, поэтому все системы, устанавливаемые на космические корабли, проходят тщательнейшую проверку.