Системы энергообеспечения (питания, если проще, ведь даже машинам нужно что-то кушать) — важная часть космического аппарата. Они должны работать в экстремальных условиях и быть крайне надежными. Однако с постоянно растущими энергетическими запросами сложных космических аппаратов, в будущем нам потребуются новые технологии. Миссии, которые продлятся десятилетия, будут нуждаться в новом поколении источников питания. Какие варианты?

Новейшие мобильные телефоны могут прожить едва ли сутки без необходимости быть подключенными в розетку. Но зонд «Вояджер», запущенный 38 лет назад, до сих пор отправляет нам информацию из запределья Солнечной системы. Зонды «Вояджер» способны эффективно обрабатывать 81 000 инструкций ежесекундно, но в среднем смартфоны работают в 7000 раз быстрее.

Ваши мобильные телефоны, конечно, рождены для регулярной подзарядки и вряд ли отойдут на несколько миллионов километров от ближайшей розетки. Перезаряжать космический аппарат, который находится в 100 миллионах километрах от ближайшей станции, непрактично. Вместо этого космический аппарат должен быть способен хранить или вырабатывать достаточно энергии, чтобы десятилетиями бороздить космическое пространство. А это, как оказалось, сложно устроить.

В то время как некоторые бортовые системы лишь изредка требуют энергии, другие должны постоянно работать. Транспондеры и приемники должны быть активны все время, а в случае пилотируемого полета или космической станции так же должны работать системы жизнеобеспечения и освещения.

Доктор Рао Сурампуди — программный менеджер по технологиям питания в Лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте. Больше 30 лет он разрабатывает системы энергообеспечения для различных космических аппаратов NASA.

По словам Сурампуди, системы питания для космических аппаратов занимают приблизительно 30% от массы транспорта и могут быть разбиты на три важных подгруппы:

• выработка энергии;
• хранение энергии;
• управление питанием и распределение

Эти системы имеют решающее значение для функционирования космического аппарата. Они должны обладать малой массой, долго жить и быть «энергетически плотными», то есть производить много энергии из сравнительно небольших объемов. Они также должны быть весьма надежны, потому что некоторые вещи починить в космосе будет практически нереально или непрактично.

Эти системы должны не только быть способны обеспечить энергией все бортовые нужды, но и делать это на протяжении всей миссии — некоторые из которых могут продлиться десятки или сотни лет.

«Ожидаемый срок жизни должен быть длинным, потому что если что пойдет не так, вы не сможете починить, — говорит Сурампуди. — Чтобы добраться до Юпитера, потребуется от пяти до семи лет, до Плутона — больше десяти лет, но покинуть Солнечную систему — это 20–30 лет».

Благодаря уникальной среде, в которой они работают, системы энергообеспечения космического аппарата должны быть способны работать в условиях нулевой гравитации и в вакууме, а также выдерживать колоссальную радиацию (обычно в таких условиях электроника не работает). «Если вы высадитесь на Венере, температуры могут достигать 460 градусов по Цельсию, но на Юпитере они могут падать до –150 градусов».

Космический аппарат, который направляется к центру нашей Солнечной системы, будет получать много солнечной энергии для своих фотоэлектрических панелей. Солнечные панели космического аппарата могут быть похожи на обычные солнечные панели для наших домов, но предназначены для более эффективной работы, чем дома.

Резкое повышение температуры от непосредственной близости к Солнцу может также вызывать перегрев солнечных панелей. Это смягчается поворотом солнечных панелей от Солнца, который ограничивает воздействие интенсивных лучей.

Когда космический аппарат выходит на орбиту планеты, солнечные батареи становятся менее эффективны; они не могут вырабатывать много энергии из-за затмений и прохождения через тень планеты. Необходима надежная система хранения энергии.

Атомы отвечают

Одним из таких видов системы хранения энергии являются никель-водородные аккумуляторы, которые можно перезаряжать более 50 000 раз и которые живут больше 15 лет. В отличие от коммерческих батарей, которые не работают в космосе, эти батареи представлены герметичными системами, которые могут работать в вакууме.

Когда вы летите от Солнца, солнечная радиация постепенно уменьшается от 1,374 Вт/м2 вокруг Земли до 50 Вт/м2 возле Юпитера, а у Плутона уже составляет какие-то 1 Вт/м2. Поэтому, когда космический аппарат летит за орбиту Юпитера, ученые обращаются к атомным системам для обеспечения аппарата энергией.

Самым распространенным типом являются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ, если коротко), которые использовались на «Вояджере», «Кассини» и марсоходе «Кьюриосити». Это твердотельные устройства, у которых нет движущихся частей. Они вырабатывают тепло в процессе радиоактивного распада элементов, например плутония, и имеют срок жизни свыше 30 лет.

Когда использование РИТЭГ невозможно — к примеру, если вес экранирования, необходимого для защиты экипажа, делает аппарат непрактичным, — а расстояние от Солнца исключает возможность использования солнечных батарей, тогда обращаются к топливным элементам.

Водород-кислородные топливные элементы использовались в ходе космических миссий «Аполлон» и «Джемини». Хотя водород-кислородные топливные элементы нельзя перезарядить, они имеют высокую удельную энергию и не оставляют ничего, кроме воды, которую могут пить космонавты.

Текущие исследования NASA и JPL позволят будущим система энергообеспечения генерировать и хранить больше энергии, используя меньше пространства, и в течение длительного времени. Тем не менее новые космические аппараты требуют все больших резервов, поскольку их бортовые системы становятся все сложнее и голоднее до энергии.

Высокие энергетические требования особенно имеют место, когда космический аппарат использует электрическую двигательную систему, как ионный двигатель, впервые поставленный на Deep Space 1 в 1998 году и поныне успешно используемый на космических аппаратах. Электрические двигательные системы обычно выбрасывают топливо с помощью электричества на высокой скорости, но другие используют электродинамические тросы, которые взаимодействуют с магнитными полями планеты для перемещения космического аппарата.

Большинство энергетических систем на Земле не будут работать в космосе. Таким образом, любая новая система энергообеспечения должна быть тщательно протестирована, прежде чем устанавливаться на космическом корабле. NASA и JPL используют свои лаборатории для имитации суровых условий, в которых эта новая технология будет работать, бомбардируя новые компоненты и системы радиацией и подвергая их воздействию экстремальных температур.

Лишняя жизнь

В настоящее время для будущих миссий готовят радиоизотопные генераторы Стирлинга. Основываясь на существующих РИТЭГ, эти генераторы гораздо более эффективны, чем их термоэлектрические братья, и могут быть гораздо меньше, хотя и с более сложным устройством.

Разрабатываются также новые типы батарей для запланированной миссии NASA на Европу (одну из лун Юпитера). Они должны работать в диапазоне температур от –80 до –100 градусов по Цельсию. Изучается возможность создания продвинутых литий-ионных батарей с удвоенным объемом хранимой энергии. Они могли бы позволить астронавтам провести в два раза больше времени на Луне, прежде чем иссякнут батареи.

Разрабатываются новые солнечные батареи, которые смогут работать в условиях пониженной интенсивности света и температур, то есть космический аппарат сможет работать на солнечной энергии дальше от Солнца.

Однажды NASA окончательно решит построить постоянную базу на Марсе с людьми, а может быть, и на другой планете. Агентству потребуются системы генерации энергии, которые будут намного мощнее существующих.

Луна богата гелием-3, редким для Земли элементом, который может быть идеальным топливом для ядерного синтеза. Правда, пока такой синтез не считается стабильным или достаточно надежным, чтобы лечь в основу энергообеспечения космического аппарата. Кроме того, типичный реактор синтеза, вроде токамака, размером с дом и не поместится в космический аппарат.

Что насчет ядерных реакторов, которые прекрасно подошли бы для работающих на электричестве космических аппаратов и запланированных миссий по высадке на Луну и Марс? Вместо того чтобы везти в колонию отдельную систему энергообеспечения, можно было бы использовать ядерный генератор космического корабля.

Космические аппараты с ядерно-электрическим типом двигателя рассматриваются для долгосрочных миссий в будущем. «Миссия по перенаправлению астероида потребует мощных солнечных батарей, которые обеспечат достаточно электрического движения, чтобы космический аппарат мог совершать маневры вокруг астероида, — говорит Сурампуди. — В какой-то момент мы собирались запустить ее на солнечной энергии, но с ядерной все будет намного дешевле».

Тем не менее мы не увидим космических аппаратов на ядерной энергии еще много лет. «Технологии еще не доросли, — говорит Сурампуди. — Мы должны убедиться, что они будут безопасными после запуска». Им предстоит строгое тестирование, которое покажет, безопасно ли подвергать такие ядерные установки суровым испытаниям космоса».

Новые системы энергообеспечения позволят космическому аппарату работать дольше и путешествовать дальше, но находятся пока только в начале своего развития. Когда их испытают, они станут важнейшими компонентами для пилотируемых миссий на Марс и за его пределы.