В первой части
был рассмотрен вопрос повышения КПД преобразователя тепловой энергии, вырабатываемой радиоизотопным топливом, в электроэнергию. Следует сразу уточнить, почему в проекте "Зевс" отказались от схемы "паровая турбина - генератор". Причин, по большому счёту, всего три
- большой вес
- неизбежные вибрации при работе
- сложности обеспечения надёжности в условиях беспрерывной работы на протяжении нескольких лет
Большой вес бортовой мини-АЭС, как и при использовании мощного РИТЭГ, в основном состоит из веса системы охлаждения, преобразующей избыточную тепловую мощность в инфракрасное излучение. Только так на данный момент можно обеспечить охлаждение в условиях вакуума - как обязательное условие работы любой тепловой машины.
Но даже отказ от турбогенератора, работающего на высоком давлении пара и требующего соответствующей системы охлаждения, лишь уменьшил вес, а не сложность холодильника. Ведь надо обеспечить достаточную площадь панелей-излучателей, для эффективного сброса тепла. Здесь работает ещё один беспощадный закон природы, названный человечеством законом Стефана-Больцмана.
Зако́н Сте́фана — Бо́льцмана (закон Стефана, закон излучение Стефана — Больцмана) — интегральный закон излучения абсолютно чёрного тела. Он определяет зависимость плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. В словесной форме его можно сформулировать следующим образом[1]:
Полная объёмная плотность равновесного излучения и полная испускательная способность абсолютно чёрного тела пропорциональны четвёртой степени его температуры
Как это будет выглядеть, хорошо показано в фильме "Аватар", в сцене прибытия космического корабля
Светящиеся красным большие "крылья" это и есть холодильники с температурой хладагента в несколько сот градусов Цельсия. Пока такие холодильники, десятки лет пути от от одной звезды к другой эффективно работающие без поломок, это даже не фантастика, а что-то на уровне фентези.
До мощностей, позволяющих запитать ионные/плазменные двигатели межзвёздного корабля, путь неблизкий, но надо с чего-то начинать. В первой части упоминалась двигательная остановка на основе РИТЭГ крылатой ракеты "Буревестник", где надо обеспечить сброс почти полумегаватта излишней тепловой мощности.
При этом система охлаждения должна быть гораздо проще холодильника, предложенного на рендерах проекта "Зевс". Можно ли это обеспечить? Можно, если использовать принцип эквивалентности
Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции — эвристический принцип, использованный Альбертом Эйнштейном при выводе общей теории относительности. Его краткая формулировка: гравитационная и инертная массы любого тела равны.
Все физические явления в гравитационном поле происходят совершенно так же, как и в соответствующем поле сил инерции, если напряжённости обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а начальные условия одинаковы для всех тел замкнутой системы
Поле сил инерции для космического корабля обеспечить весьма просто. Для того надо "всего лишь" обеспечить равноускоренное движение. Что является побочным фактором непрерывной работы двигателей космического корабля.
Именно плазменные/ионные двигатели способны работать годами, обеспечивая небольшое, но постоянное ускорение. В этом случае для охлаждения РИТЭГ можно эффективно использовать тепловую трубу
Теплова́я тру́бка, теплова́я тру́ба, теплотру́бка (англ. heat pipe) — элемент системы теплообмена, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) и других материалов находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.
Повышению КПД охлаждения способствует эмуляция гравитации за счёт равноускоренного движения. Для этого нагреватель (часть испарения) надо разместить в нижней части тепловой трубы, относительно вектора движения, а охладитель (часть конденсации) в передней части .
РИТЭГ с фотовольтаическим преобразователем размещён в основании большой тепловой трубы, при старте с Земли сложенной, как телескопическая антенна. Для наглядности ниже использован эскиз из патента на телескопическую мачту
Понятно, что рисунок выше это самое первое приближение. В сечении тепловая труба может быть не круглой, а фигурной, с формованными рёбрами-охладителями. Нужны фиксаторы тепловой трубы в раздвинутом состоянии, внутренние усилители жёсткости и вообще тепловая труба может раздвигаться наоборот - широкой частью вперёд.
Что за рабочее тело может быть использовано для переноса тепла от горячей части тепловой трубы к холодной? Самая обычная, но сверхчистая вода - H2О или D2O (тяжёлая вода для схемы с реактором). При старте с Земли вода полностью заполняет внутренний объём сложенной тепловой трубы, на НОО включается РИТЕГ на малую мощность, начинается парообразование и сила пара раздвигает тепловую трубу в рабочее положение.
Ключевое требование - одновременно начинают работать плазменные двигатели, обеспечивая то самое поле сил инерции, осаживающее воду к РИТЭГ.
БЕЗ работы двигателей и равноускоренного движения такой охладитель работать не будет!
При этом над слоем кипящей воды в тепловой трубе образовывается "атмосфера" из водяного пара с давлением не выше атмосферного. Силы инерции обеспечивают падение капель конденсата в нижнюю часть тепловой трубы и цикл охлаждения повторяется.
Вода как охладитель удобна не только большой теплотой парообразования, но и возможностью использования как рабочего тела в ионном/плазменном двигателей. Сверхчистая вода электричества почти не приводит, обладает энергией ионизации 12,6 электрон-Вольт, что всего на 4% более энергии ионизации ксенона Xe равной 12,3 электрон-вольт, используемого сейчас как рабочее тело ионных/плазменных двигателей.
Фактически, в двигатели пойдёт не вода, а пар, возможно дополнительно нагретый в пароперегревателе.
Так же вода - одно из самых распространённых веществ в Солнечной системе и проблем с заправкой везде, кроме Венеры, не будет. Достаточно добыть воду с поверхности, очистить и поднять на орбиту. Да, на Меркурии то же есть лёд в полярной области. На Луне лёд есть везде в грунте, а в районе экватора даже в жидком виде на глубине в несколько сот метров.