Источники энергии в космосе

Солнечные батареи являются незаменимым источником энергии для КА в Солнечной системе, но для полётов за её пределы они становятся практически бесполезными. В этом случае используется радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов, и преобразующий её в электроэнергию.

Конструкция РИТЭГа представляет собой корпус с радиаторами, предназначенными для отвода тепла. Внутри корпуса в одной части находится термоэлектрический преобразователь, в другой части установлена капсула, имеющая кубическую форму внутри которой находятся ячейки с радиоактивным металлом.

В процессе работы радиоизотопного термоэлектрического генератора в капсуле с радиокативным веществом, происходит распад этого вещества и выделение тепловой энергии за счёт которой происходит нагрев элемента термоэлетрического преобразователя, который в свою очередь преобразует это тепло в электрическую энергию.

Радиоактивные материалы, которые переменялись в РИТЭГах, это: Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90; полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144, рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия. Многие из них были применены только в условиях лабораторных исследований, а самыми часто используемыми материалами для применения в КА, стали Плутоний-238, Полоний-210. Выбор именно этих материалов обусловлен длительностью распада и количеством генерируемой энергии в процессе полураспада. 

Так один грамм Плутония-238 даёт ~0,54 Вт тепловой энергии. Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год). И немаловажной особенностью является то что Pl-238 является чистым альфа-излучателем, что делает его одним из самых безопасных радиоактивных изотопов с минимальными требованиями к биологической защите.

Полоний-210 периодом полураспада 138,376 дней, что является самым продолжительным из всех встречающихся в природе полонов. Полный распад одного ядра это элемента даёт 5,5 МэВ. 

Всего было создано 20 разновидностей РИТЭГ используемых в космосе, которые различались по используемым радиоактивным материалам и виду термоэлектрических преобразователям.

Использование радиоизотопных термоэлектрических генераторов в космосе началось с 1961 г. и продолжается по сей день. Основные космические аппараты работающие на РИТЭГ были: 

Марсоход Curiosity который успешно приземлился в кратере Гейл 6 августа 2012 года. Источником питания марсохода являются РИТЭГ содержащий 4,8 кг Pu-238. В начале мисси генератор вырабатывал 125 Вт электрической энергии, сейчас этот показатеь снизился до 100 Вт. К январю 2021 года марсоход преодолел примерно 24 км, а также 26 раз бурил поверхность Марса и исследовал 6 проб грунта.

Автоматическая межпланетная станция Касси́ни-Гю́йгенс задачей которого было изучение Сатурна и его спутников и в результате посадка на Титан. Данный КА был оборудован тремя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами которые выдавали сумарную мощность в 885 Вт при старте в 1997 году и 633 Вт к концу мисси в 2017 году.

Автоматическая межпланетная станция New Horizons задача данного аппарата заключалась в посадке на плутон, но в результате не точности в расчётах он пролетел мимо. Не на то что цель миссии была не достигнута, КА сделал множество снимков Плутона и его естественного спутника Харона. На КА был установлен РИТЭГ с 11 кг Pu-238, мощность которого на старте в 2006 году составляла 250 Вт, к 2015 году данный показатель упал до 200 Вт.

На сегодня РИТЭГ является одним из самых оптимальных источников энергии для КА в космосе задачей которых является исследования тех частей солнечной системы в которых солнечные батареи теряют свою эффективность из-за уменьшения интенсивности солнечного излучения в следствии отдаления от Солнца, а так же мисси по исследованиям космоса за её пределами.

Достоинства:

• Очень простая конструкция.

• Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.

• Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.

• Не требует управления и присмотра.

Недостатки:

• Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.

• Производство топлива сложное, дорогое и медленное.

• Низкий КПД.

• Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.