Космос это пустота, единственным ресурсом в которой являются излучения. Соответственно, идея использовать для питания приборов на борту орбитальных и межпланетных станций солнечные батареи лежит на поверхности. Однако принцип согласно коему всё «даровое» обходится слишком дорого действует не только на Земле. Он общий в масштабе вселенной. Исследования требуют независимости, с дарителем же – в данном случае с Солнцем – приходится считаться.
Главный недостаток солнечной энергетики вверху тот же, что и внизу. Энергия извлекается не в зависимости от нужд потребителя, а сколько получится. Если предвидится пиковые расход, например, для включения радиолокационной станции или передачи данных на Землю, солнечные батареи производительнее не станут. Их площадь должна быть рассчитана на максимальную нагрузку изначально, причём, батареи постоянно следует держать ориентированными к источнику света. В противном случае энергию придётся запасать, а значит, утяжелять конструкцию, включая в неё аккумуляторы.
Но и развороты аппарата, позволяющие с наибольшим эффектом использовать батареи, либо требуют расхода топлива, либо подразумевают наличие в конструкции станции массивного гироскопа. Причём то и другое равным образом бесполезно в тени планеты. Последнее актуально для автономных станций, работающих на поверхности Марса и Луны. В вечном мраке укрытой облаками Венеры, впрочем, солнечные батареи будут бесполезны независимо от времени венерианских суток.
Наконец, хоть и кажется, что вес солнечных батарей не так уж велик, верно это только для условий земной орбиты. На орбите Марса при той же мощности потребляющих электроэнергию устройств, он будет больше в 2.5 раза, на орбите Юпитера в 27, а на орбите Сатурна – в 100 раз. Про Нептун уже и речи нет. Там где Солнце просто самая яркая звезда, можно сказать, что нет света.
…Тем не менее, аккумуляторы и химические источники тока, – так обеспечивалось питание устройств на первых спутниках, – ещё хуже. Запасение энергии в химических связях естественно выглядит на Земле, но для космоса метод не подходит.
Другое дело, если энергия запасена в самой структуре вещества, – на уровне ядер. Туда её, на единицу массы, помещается на несколько порядков больше.
...Впервые генератор преобразующий энергию спонтанных ядерных реакций в электрический ток создал ещё в 1913 году Генри Мозли. Устройство представляло собой полую сферу, внутренняя поверхность которой была покрыта слоем серебра, в центре же располагалось небольшое количество радия-228. Этот изотоп бета-радиоактивен, – с периодом полураспада 70 месяцев он превращается в актиний-228 и испускает электрон. Актиний в данном случае был неважен, но электрон поглощался оболочкой сферы, передавая ей электрический заряд. Таким образом, создавалась разность потенциалов.
Однако, большой практической ценности генератор Мозли ещё не имел. Почти вся выделившаяся при распаде радия энергия превращалась в тепло. Но и из этого уже можно было извлечь пользу. Например, во внутреннем объёме советских «Луноходов» размещались капсулы с полонием-210, – именно с целью обогрева приборного отсека лунной ночью. Такой источник тепла почти ничего не весил. А главное, в принципе не мог отказать. В радиоизотопной батарее просто нечему ломаться.
...В идее Мозли ощущался большой потенциал, и к середине прошлого века она оказалась основательно доработана. Теперь капсула с короткоживущим изотопом стала рассматриваться прежде всего, как источник тепла, – раз уж заряда она почти не выделяла… Но раз уж доступно тепло, электричество можно получить с помощью полупроводникового
термоэлектрогенератора, либо термоэмиссионного преобразователя, использующего эффект испускания электронов нагретыми телами.
Собственно, в основе устройств уже современных лежит эффект Зеебека, – разница температур между пластинами из кремния и германия. Зеебековские радиоизотопные источники известны с 1960 года, и, как следствие, широко использовались во время вызывающих ненависть пилотируемых экспедиций на Луну. От капсул с изотопами на «Аполлонах» работало, собственно, всё.
С тех пор, радиоизотопные генераторы нечто неотделимое от космонавтики, – пилотируемой и беспилотной. Источники данного типа предельно компактны, эффективны (обладают ничтожным относительно к выделяемой энергии весом) и безукоризненно надёжны. Вывести их из строя можно только путём механического разрушения, но даже при катастрофе космического аппарата, – когда всё в пыль и пар, –очень велик риск, что именно радиоизотопные батареи – уцелеют… И потому их кто-нибудь найдёт, развинтит и словит смертельную дозу… Хорошо если с другими не поделится.
Проблема в том, что радиоизотопные источники, несмотря на пугающее название, полностью безопасны. Изотоп, – пусть бы это был смертоносный полоний-210, – находится в герметичной оболочке, а поскольку он альфа-радиоактивен (теперь только так), пробег испускаемых им частиц – лишь доли миллиметра. Наружу, таким образом, выйдет только тепло… Если корпус не развинтить.
Выбор изотопа для радиационного генератора энергии представляет собой решение задачи на оптимум. Изотопы с периодом полураспада исчисляемым тысячелетиями удобны, – выделение энергии со временем почти не меняется, – и безопасны, но малоэффективны. Их много потребуется. Таким образом, десять килограммов Плутония-238 (время жизни 88 лет) можно заменить всего 40 граммами Полония-210 (время жизни 138 суток). Но как отмечалось выше, выделение энергии полониевой батареей снизится вдвое за четыре месяца, – так что, для длительных миссии желательны изотопы живущие дольше.
Идеальным компромиссом в настоящий момент представляется изотоп с периодом полураспада в десятки лет. За такой срок аппарат, скорее всего, устареет.
Вне конкуренции в качестве перспективного источника энергии уран-232 с периодом полураспада 67 лет, – немногим меньше, чем у плутония-238. Но при этом уран выделяет в восемь раз больше энергии. Секрет заключается в восьмиступенчатом распаде, на каждом этапе которого образуется новый короткоживущий изотоп. Итогом является стабильное ядро свинца, шесть ядер гелия (альфа-частиц) и ещё два лишних электрона (бета-частицы) на бонус.
Однако, технология промышленного получения этого урана-232 пока лишь в стадии разработки. Тогда как плутоний-238 получается (в России, – в других странах не получается) из нептуния-237, при облучении последнего нейтронами. Нептуний же извлекается из отработанного ядерного топлива, в составе которого образуется в результате ядерных трансформаций урана.
