Энергетика в космосе

Советский ученый Николай Кардашев полвека назад сформировал шкалу, в которой уровень развития цивилизации определялся количеством используемой энергии. Подход логичный: когда человечество обучалось использовать энергию лошади, угля, нефти, атомного распада, оно поднималось на новый уровень могущества. Освоение космоса ознаменовало новый этап. Но мало вывести спутник на орбиту — надо дать ему ресурсы, чтобы функционировал. Обеспечение энергией космических аппаратов — один из важнейших вопросов космонавтики. Вместе с организаторами конкурсов Up Great рассказываем, какие решения для него успели придумать люди.

Постановка задачи

Есть два главных критерия в энергоснабжении космических аппаратов, на примере которых наглядно видно разницу подходов к этой задаче: мощность и длительность. Одни технические решения используются для задачи «много, но недолго», другие — для «десятилетиями, но понемножку». Если взять эти критерии как оси графика, получится следующая картина:

Первый спутник отправился в полет с заряженными серебряно-цинковыми аккумуляторами, которые обеспечивали «бип-бип» передатчика 21 день. Благодаря высокой плотности энергии и большим токам разряда, серебряно-цинковые батареи до сих пор часто применяют в космонавтике. Их недостаток — небольшое количество циклов перезарядки — неважен, когда батарея используется один раз. Аккумуляторы ставят в аппараты, которые будут работать не дольше нескольких суток и не требуют больших объемов электричества.

Иногда на аппараты ставят даже неперезаряжаемые элементы. Например, прыгающий зонд MASCOT, сброшенный с межпланетной станции «Хаябуса-2» на астероид Рюгу, использовал литий-тионилхлоридные элементы, которых хватило на 16 часов. Но перезаряжаемые элементы встречаются чаще. С ними удобнее работать, потому что можно подзарядить перед запуском, не разбирая аппарат. Литий-ионные элементы сейчас все больше распространены не только в бытовых приборах, но и в космосе.

Если энергии требуется очень много, но на короткое время, применяют химические источники. Например, на космических челноках (space shuttles) были так называемые APU. Они не имеют отношения к вспомогательным силовым установкам на самолетах, несмотря на схожесть названий. По мере сгорания топлива (несимметричный диметилгидразин и азотный тетраоксид) горячий газ подавался на турбину. Ее вращение создавало давление в гидросистеме шаттла без промежуточного превращения энергии в электричество. Гидравлика поворачивала управляющие поверхности орбитального аппарата при выведении на орбиту и посадке. 

Сейчас плотность энергии литий-ионных батарей достигла таких значений, что появилась ракета-носитель Electron, в которой выполняющий похожую функцию турбонасосный агрегат (устройство для подачи топлива в двигатель) заменили на электрический насос с блоком аккумуляторов. Из минусов — увеличившаяся масса батарей, но это плата за простоту разработки.

Топливные элементы

Если длительность космического полета не превышает двух-трех недель, то, в особенности для пилотируемых кораблей, привлекательнее так называемые топливные элементы. Водород горит в кислороде с выделением огромного количества тепла. И ракетные двигатели, использующие это, считаются одними из самых эффективных. Возможность напрямую получать электричество из соединения водорода с кислородом породила источники электроэнергии, применяющиеся не только в космонавтике.

Топливный элемент работает следующим образом: водород попадает на анод, становится положительно заряженным ионом и отдает электрон. На катоде ионы водорода получают электроны, соединяются с молекулами кислорода и образуют воду. Соединив несколько ячеек и подавая больше компонентов, мы легко получаем топливный элемент большой мощности. А выделяющуюся в результате работы воду можно использовать для нужд экипажа. Из-за сочетания этих свойств топливные элементы выбрали для кораблей «Аполлон» (и, кстати, для лунных версий «Союзов» первоначально выбрали тоже их), шаттлов и «Бурана».

Топливные элементы теоретически могут быть обратимыми, диссоциируя воду на водород и кислород, запасая электроэнергию и работая фактически как аккумулятор, но на практике такие решения в космонавтике пока не востребованы.

По имени Солнце

Жизнь на Земле невозможна без солнечной энергии — на свету растут растения, и энергия уходит дальше по пищевой цепочке. И в космонавтике Солнце сразу же стали рассматривать как доступный и бесплатный источник. Первые спутники с солнечными панелями, Vanguard-1 (США) и «Спутник-3» (СССР), отправились в полет уже в 1958 году (на объекте «Д», который стал «Спутником-3», они использовались экспериментально наряду с одноразовыми химическими элементами). Любопытная метаморфоза произошла с кораблем «Союз»: первые модели летали с солнечными панелями, на модификации 7К-Т (на большинстве выпусков) их убрали, оставив только аккумуляторы с запасом электроэнергии на двое суток. А со следующей модификации «-ТМ» солнечные панели снова вернули и уже насовсем.

Прелесть солнечных панелей в непосредственном превращении света в электричество — фотоны, падая на полупроводники, вызывают движение электронов. Соединяя ячейки последовательно и параллельно, можно получить требуемые значения напряжения и тока.

Важное условие для работы в космосе — компактность солнечных панелей. Например, огромные «крылья» МКС сделаны из очень тонких панелей, которые в транспортировочном положении были сложены гармошкой.

До сих пор солнечные панели — лучший вариант, если нужно годами снабжать космический аппарат энергией. Но, конечно, они имеют недостатки. Прежде всего, на низкой околоземной орбите спутник будет регулярно уходить в тень Земли. Значит, панели необходимо дополнить аккумуляторами, чтобы электропитание было непрерывным. Аккумуляторы и дополнительная площадь солнечных панелей для их зарядки на солнечной стороне орбиты заметно увеличивают массу электросистемы спутника.

Далее, мощность солнечного излучения подчиняется закону обратных квадратов: Юпитер в пять раз дальше Земли от Солнца, но на его орбите космический аппарат с такими же солнечными панелями будет получать в 25 раз меньше электроэнергии.

Солнечные панели постепенно деградируют в условиях космического излучения, так что на длительные миссии их площадь необходимо рассчитывать с запасом.

Линейное увеличение массы солнечных панелей с ростом требуемой мощности в какой-то момент делает их слишком тяжелыми по сравнению с другими системами.

Альтернатива аккумуляторам

Если вы читали замечательную книгу Нурбея Гулиа «В поисках энергетической капсулы», то может быть, помните, что после долгих поисков идеального аккумулятора он остановился на маховиках, модифицированных для безопасного разрушения. Сейчас с успехами литий-ионных батарей эта тема менее интересна. Но эксперименты по хранению энергии в раскрученном маховике проводились и в космонавтике. В начале XXI века компания Honeywell экспериментировала с маховиками-аккумуляторами. Это направление может быть перспективно еще и тем, что маховики используются в системе ориентации спутника. И можно совместить поддержание нужного положения в пространстве с хранением энергии.

Сконцентрируй это

Еще на стадии проработки концепта было очевидно, что станция Freedom (после многочисленных изменений реализованная как МКС) будет нуждаться в большом количестве электроэнергии. И расчеты 1989 года показали, что солнечный коллектор сможет сэкономить от трех до четырех миллиардов долларов (шесть-восемь миллиардов в сегодняшних ценах) по сравнению с электропитанием только от солнечных панелей. Что это за конструкция?

Шестиугольники по краям — солнечные концентраторы. Зеркала образуют параболоид, собирающий солнечный свет на приемник, расположенный в фокусе. В нем теплоноситель закипает, газ крутит турбину, которая вырабатывает электричество. Панель рядом — радиатор тепла, в котором теплоноситель конденсируется обратно в жидкость.

К сожалению, конструкция, как и многие идеи для станции Freedom, пала жертвой урезания бюджета. И МКС использует только солнечные панели, так что мы не можем на практике узнать, насколько оправдались бы ожидания по экономии средств. Стоит отметить, что солнечные коллекторы используются и на Земле, но в наиболее простой форме без концентрирующих зеркал — их приводы сильно повышают стоимость.

Тепло и электричество

На освещенной стороне Луны температура поднимается выше 100 градусов по Цельсию. Но вот лунной ночью поверхность охлаждается ниже −100 градусов по Цельсию. На Марсе средняя температура в районе −60 градусов по Цельсию. А на орбите Юпитера, как мы уже говорили, Солнце дает только 1/25 того, что достается Земле. И, к счастью для планетоходов и межпланетных станций, есть вариант, при котором удобно обеспечиваются и подогрев, и энергообеспечение космического аппарата.

Как известно, у одного и того же вещества может быть много изотопов — атомов, отличающихся только количеством нейтронов в ядре. И есть как стабильные, так и распадающиеся с разной скоростью изотопы. Подобрав элемент с удобным периодом полураспада, можно использовать его в качестве источника энергии.

Один из наиболее популярных изотопов — это ²³⁸Pu (плутоний-238). Грамм чистого плутония-238 генерирует примерно 0,568 ватт тепла, а период полураспада у него больше 87 лет. Значит, энергии хватит надолго.

Если ядерный распад выделяет тепло, значит, его надо каким-то образом превратить в электричество. Для этого чаще всего используют термопару — сплавленные вместе два различных металла генерируют электричество при неравномерном нагреве. По такому принципу работает радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) — источник энергии в виде распадающихся радиоактивных изотопов и термоэлектрических преобразователей. 

РИТЭГи вырабатывали электричество для модулей научного оборудования, оставленных на Луне астронавтами «Аполлонов», распадом изотопов обогревались советские «Луноходы», на электричестве от РИТЭГа работали марсианские станции «Викинг» и ездит по Марсу «Кьюриосити». РИТЭГи являются штатным источником электричества для аппаратов, отправляющихся во внешнюю солнечную систему — «Пионеров», «Вояджеров», «Новых горизонтов» и других.

РИТЭГи удобны тем, что не требуют никакого управления, не имеют движущихся частей и способны работать десятилетиями. Например, «Вояджеры» остаются работоспособными уже более сорока лет, несмотря на необходимость отключить часть оборудования из-за снижения выработки электричества. К сожалению, у них есть и недостаток — низкая плотность энергии (мощный РИТЭГ будет слишком много весить) и высокая цена топлива. Остановка производства плутония-238 в США и рост цен повлияли на то, что межпланетная станция «Юнона» отправилась к Юпитеру с огромными солнечными панелями.

Использование ядерных технологий поднимает вопросы безопасности. После 1964 года, когда авария американской ракеты-носителя со спутником, питавшимся от РИТЭГа, привела к заметному повышению радиационного фона по всей планете, РИТЭГи стали упаковывать в капсулы, выдерживающие падение в атмосфере, и последующие аварии заметных следов не оставили.

Сложности превращений

Термоэлектрический генератор не единственный вариант преобразования тепла в электричество:

• В термоэмиссионных преобразователях нагревается катод вакуумной лампы. Электроны «допрыгивают» до анода, создавая электрический ток.
• Термофотоэлектрические преобразователи превращают тепло в свет инфракрасного диапазона, который затем преобразуется в электричество (аналогично солнечной панели).
• Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах использует электролит из солей натрия и серы.
• Двигатель Стирлинга преобразует разницу температур в движение, которое уже затем превращается в электричество генератором.

Реакторы над головой

Из всех известных человечеству управляемых источников энергии ядерное топливо обладает наибольшей плотностью — один грамм урана способен дать столько же энергии, что и две тонны нефти или три тонны угля. Поэтому атомные реакторы — многообещающий вариант, когда нужно долго снабжать космический аппарат большим количеством энергии.

Работы над космическими реакторами начались еще в 1960-х. Первым отправился в космос американский SNAP-10A, проработал на орбите 43 дня и был отключен из-за аварии системы, не относящейся к реактору. После этого эстафету принял СССР. Спутники УС-А системы целеуказания «Легенда», созданные для отслеживания перемещения американских авианосных ударных группировок, несли на борту ядерный реактор «Бук». Он обеспечивал энергией активную радиолокационную систему. Таких было запущено больше трех десятков. В конце 1980-х дважды слетал в космос реактор «Топаз», использующий меньшее количество ядерного топлива и имеющий большую эффективность. 150 киловатт тепловой мощности «Топаза» производили шесть киловатт электрической (против соответственно 100 киловатт и трех киловатт у «Бука»). Достигалось это, в частности, за счет использования другого преобразователя энергии — термоэмиссионного вместо термоэлектрического. Но после 1988 года спутники с атомными реакторами на борту больше не летали.

Возрождение интереса к ядерным реакторам произошло в XXI веке. На Западе это вызвано сокращением производства и ростом цены плутония-238 для РИТЭГов. В США разрабатывается реактор Kilopower, который может стать аналогом РИТЭГа. Интересная особенность его в том, что реактор спроектирован самоуправляемым и после активации, как и РИТЭГ, не требует присмотра. В России проектируется ядерная установка мегаваттного класса. В сочетании с электрореактивными двигателями должна получиться конструкция с принципиально новыми возможностями — эффективный орбитальный буксир.

Безопасность реакторов построена на других принципах, нежели у РИТЭГов. До запуска реактор чист (уран ядовит, но его можно безопасно брать руками в перчатках), поэтому на случай аварии, наоборот, ставят газогенераторы, надежно разрушающие его в плотных слоях атмосферы. Так предотвращается негативное влияние на радиационный фон на Земле. А вот после включения в реакторе начинают накапливаться опасные изотопы, и советские спутники УС-А в случае аварии уводили реактор на высокую орбиту захоронения. Заглушенные реакторы до сих пор летают над нашими головами, но, учитывая срок существования орбит, скорее до них доберутся космические мусорщики будущего и разберут на полезные ресурсы, нежели они сгорят в атмосфере.

Генератор из троса

Магнитное поле Земли уже сейчас используется в системах ориентации космических аппаратов, но есть и другой вариант. Если размотать длинный трос, то можно либо получать электричество за счет торможения аппарата, либо разгоняться, пропуская ток через трос.

Пока что наибольшее развитие получила идея торможения аппаратов тросами для уменьшения количества космического мусора, но технически можно и обеспечить таким образом электропитание спутника, пусть и не длительное время.

Системы электропитания космических аппаратов активно совершенствуются. Солнечные панели и аккумуляторы становятся все более эффективными, а возобновление работ над космическими ядерными реакторами дает надежду на появление новых мощных источников электричества.

Филипп Терехов