Негостеприимное космическое пространство ставит перед учеными ряд инженерных и технологических вызовов. Одна из серьезных проблем — это обеспечение электроэнергией различных космических аппаратов и станций. Существует несколько способов обеспечить космический аппарат электричеством:
Химические топливные ячейки - представляют собой особый тип батарей, который производит электроэнергию путем химической реакции, чаще всего используя водород и кислород. Например, такой источник энергии использовался в рамках американской лунной программы Аполлон. Он был незаменим для астронавтов в ходе всех лунных экспедиций, обеспечивая космические корабли необходимой энергией - продолжительность каждой экспедиции при этом составляла 8-10 дней.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) - используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных материалов. Только наличие технологии таких генераторов сделало возможным исследование далеких уголков Солнечной системы. Помимо электрической энергии, эти приборы способны обогревать космическую технику в условиях суровых холодов, например во время Марсианской ночи. Примеры таких миссий включают в себя космические аппараты Вояджер, Кассини и марсоходы типа Кьюриосити.
Полноразмерные ядерные реакторы - пока находятся в стадии разработки, но обещают стать важным элементом будущих космических исследований. Они могут обеспечить мощную и долгосрочную энергию для будущих космических баз или миссий с экипажем на дальние планеты. Полноценные ядерные реакторы тестировались на орбитальных аппаратах еще на заре эры космонавтики, но до сих пор так и не были введены в полноценную эксплуатацию по причине дороговизны и вопросов безопасности данной технологии.
Солнечные панели - являются самым популярным и распространенным методом получения электроэнергии в космосе, среди всех остальных технологий. Большинство современных спутников и космических станций, в том числе Международная космическая станция, активно используют энергию Солнца для своих нужд.
Выбор конкретного метода генерации электроэнергии зависит от множества факторов: целей миссии, ее длительности, условий взаимодействия с космическим пространством и многих других.
Поговорим подробно о солнечной энергии. Для этого стоит углубиться в причины ее популярности для космических миссий. Современная техника, будь то спутники, планетоходы или обитаемые орбитальные станции, активно использует фотоэлектрические солнечные панели. Но почему?
Первое, что приходит в голову, — это доступность и надежность. Солнце — постоянный источник энергии, доступный в большинстве частей нашей Солнечной системы. И пока космический аппарат находится в пределах действия солнечных лучей, он может продолжать функционировать, не требуя топлива для генерации электричества. Приведенные выше другие источники энергии, будь то водородные топливные ячейки, или ядерные источники энергии, так или иначе требуют использования топлива. Без "дозаправки" они рано или поздно израсходуют свой ресурс и прекратят выработку электричества.
На Земле можно наблюдать, что солнечные электростанции используют не только метод фотоэлектрических панелей, но и преобразуют тепловую энергию света в электричество. Возникает вопрос: почему в космонавтике используются именно фотоэлектрические панели, а не тепловые электрогенераторы? Фотоэлектрические панели способны преобразовывать солнечный свет непосредственно в электричество, и им не требуется дополнительные агрегаты или электродвигатели для выработки электричества.
Тепловые солнечные генераторы в отличие от этого, направляют концентрированный луч света на специальный резервуар с теплоносителем, который испаряется и вращает турбины электрогенератора. В целом, преимущество фотовольтаических панелей сводится к простоте конструкции, меньшему весу, отсутствию движущихся частей. Помимо этого, тепловые солнечные генераторы в условиях космоса сталкиваются с проблемой охлаждения теплоносителя, делая их использование крайне неэффективным и нерациональным.
Существует множество различных видов фотоэлектрических солнечных панелей, применяемых в космической индустрии. Наиболее часто используются монокристаллические и поликристаллические кремниевые панели. Они отличаются эффективностью преобразования, долговечностью и приемлемой стоимостью.
Преимущества солнечных панелей перед другими источниками энергии очевидны. Они не требуют топлива для работы, имеют долгий срок службы и способны обеспечивать стабильное питание при одном единственном условии - наличии солнечного света. На сегодняшний день их эффективность составляет около 20-30%, то есть четвертая часть всей энергии, заключенной в потоке солнечного света может быть преобразована напрямую в электричество.
Из минусов, такие панели имеют свойство деградировать со временем, что снижает их эффективность в течении нескольких десятилетий. Однако в целом, солнечные панели — это комбинация надежности, эффективности и долгосрочности, что делает их отличным выбором для многих космических миссий.
Углубимся в вопрос, зачем космической технике вообще требуется электричество. Очевидно, что оно необходимо для работы практически всех систем корабля или станции. Но как именно электроэнергия распределяется в системах аппарата, и какие приборы являются основными потребителями электричества? Рассмотрим это на примере Международной космической станции (МКС).
Огромные солнечные панели, площадь которых составляет порядка 2500 квадратных метров, вырабатывают достаточно большое количество энергии по меркам космонавтики. Под прямыми солнечными лучами объем вырабатываемой энергии составляет 240 кВт, но поскольку половину времени МКС находится в тени Земли, фактическая выработка электричества в два раза меньше. Конечно, такое количество электроэнергии требуется станции не просто так.
Основная часть энергии уходит на системы жизнеобеспечения, включая регулирование температуры, очистку воздуха, поддержание кислородного баланса и удаление углекислого газа, а также системы очистки воды. Эти функции жизненно важны для поддержания благоприятного и безопасного микроклимата для космонавтов на борту.
Кроме того, многие эксперименты, проводимые на МКС, требуют электричества для своей работы. Это может быть, например, научное оборудование для изучения свойств различных материалов в условиях невесомости или биологические исследования.
Навигационные системы, системы связи, освещение, компьютерные системы — все это также потребляет электроэнергию.
Но что происходит, если энергии производится больше, чем требуется? Избыток электроэнергии обычно утилизируется в виде тепла. Специальные радиаторы на внешней стороне МКС помогают излучить это тепло, предотвращая перегрев станции.
С чем можно сравнить объемы потребления электричества на МКС? Для примера, среднестатистическое домохозяйство в РФ потребляет около 250 кВт*ч в месяц. Среднестатистическая семья в США потребляет в свою очередь примерно 877 кВт*ч в месяц. Это энергия, которая идет на освещение, отопление, кондиционирование воздуха, приготовление пищи и многие другие повседневные нужды.
С другой стороны, МКС вырабатывает около 86 400 кВт*ч электроэнергии в месяц, и потребляет почти столько же. Эта энергия направлена на поддержание всех операций станции, начиная от систем жизнеобеспечения и заканчивая научными экспериментами.
Таким образом, МКС потребляет в 100 раз больше электроэнергии в месяц по сравнению с средним домохозяйством в США, при том что ее постоянно присутствующий экипаж в среднем составляет 6-8 человек. Это подчеркивает масштаб и сложность операций на космической станции, а также значимость надежных источников электроэнергии в космосе.
Солнечные фотоэлементы – это высокотехнологичный инструмент для получения электроэнергии в космосе, по крайней мере в пределах внутренней части Солнечной системы (до орбиты Марса включительно). Однако их эффективность в целом зависит от одного единственного параметра: интенсивности солнечного света, которая, в свою очередь, обусловлена расстоянием до Солнца.
Как интенсивность световой энергии меняется с расстоянием? Солнце излучает свет во все стороны равномерно, и когда этот свет движется все дальше от источника, он распределяется на все бóльшую площадь. Это приводит к уменьшению интенсивности света с увеличением расстояния от Солнца, при этом мощность потока обратно пропорциональна квадрату расстояния до Солнца.
Перейдем к конкретным числам. Земля удалена от Солнца на 1 астрономическую единицу (примерно 150 млн. километров), и в космическом пространстве вблизи нашей планеты интенсивность солнечного света составляет приблизительно 1.361 кВт на квадратный метр. (Для простоты понимания, средний чайник потребляет около 1 кВт электроэнергии во время работы). В окрестностях Венеры интенсивность солнечного света значительно выше, чем на Земле, и плотность энергии здесь составляет уже приблизительно 2,6 кВт на квадратный метр. Двигаясь дальше от Солнца, к Марсу, этот показатель уменьшается примерно до 0,59 кВт на квадратный метр. Но при приближении к Юпитеру плотность энергии уменьшается многократно: здесь интенсивность составляет всего около 0,05 кВт на квадратный метр.
Что это означает для солнечных панелей? Если рассмотреть панель площадью в один квадратный метр на орбите Юпитера, даже при максимальном КПД в 30% она сможет вырабатывать электроэнергию для питания лишь небольшой светодиодной лампы мощностью всего в 15 ватт. В сравнении, такая же панель в окрестностях Земли может "запитать" около 26 таких лампочек.
Таким образом становится ясно, что хотя солнечные панели и являются отличным решением для внутренней части Солнечной системы, их эффективность резко уменьшается с увеличением расстояния от Солнца. Это создает серьезные инженерные и научные вызовы для дальних космических миссий и означает необходимость исследования альтернативных источников энергии для глубокого космоса.
Помимо описанных выше потребностей космических кораблей в электричестве, существует еще одно применение. Электрические ракетные двигатели, известные также как ионные двигатели, используют электричество для ионизации и разгона "топлива" (обычно эту роль выполняет газ ксенон). Ионизированный газ в электрическом поле разгоняется до огромных скоростей, и создает реактивное движение с крайне экономичным расходом топлива.
Для примера, NSTAR (NASA's Solar Electric Propulsion Technology Application Readiness) – ионный двигатель, использовавшийся на борту космического зонда Dawn. Он имеет энергопотребление приблизительно 2.3 кВт, но имеет очень скромный показатель тяги, всего около 90 мН (миллиньютонов).
Несмотря на то что ионный двигатель NSTAR имеет малую тягу, его удельный импульс огромен. Это делает такой двигатель идеальным для длительных миссий в дальний космос, таких как исследование астероидов или планет, потому что он может работать длительное время, эффективно расходуя топливо.
На протяжении последних десятилетий технология солнечных панелей продолжает развиваться. Совершенствование материалов, улучшение дизайна и наращивание КПД – всё это делает солнечные панели всё более привлекательным источником электроэнергии для космических миссий. Но каковы перспективы этой технологии, в каком направлении они движутся?
Новые материалы и увеличение КПД. Исследователи по всему миру работают над созданием новых материалов для солнечных панелей, которые могли бы значительно улучшить их эффективность. Например, перовскитные солнечные элементы, которые могут быть произведены более дешево и иметь высокий КПД, уже активно исследуются.
Гибкие и лёгкие панели. Возможность производить более гибкие и лёгкие солнечные панели делает их установку и транспортировку проще и дешевле, что особенно важно для космических миссий, где каждый килограмм на вес золота.
Термоэлектрические панели для экстремальных условий. В то время как фотоэлектрические панели используют свет для генерации электроэнергии, термоэлектрические преобразуют тепло. Это может быть особенно полезно на планетах или луне, где есть условия для установки массивных конструкций, и нет проблем для охлаждения, например, на поверхности Луны или Марса.
Несмотря на уменьшение эффективности солнечных панелей на больших расстояниях от Солнца, они, вероятно, надолго останутся основным источником энергии для миссий во внутренней части Солнечной системы. Для дальних космических полетов, например, в области Юпитера и за его пределами, потребуются альтернативные источники энергии, такие как ядерная энергетика, либо эффективным будет сочетание различных типов электрогенераторов.
