Энергия для космических кораблей будущего

Для космических полетов продолжительностью в несколько десятилетий - или даже дольше - потребуется новое поколение источников питания.

Система питания - жизненно важная составляющая космического корабля. Эти системы должны быть предельно надежными и рассчитанными на работу в жестких условиях.

Современные сложные аппараты требуют все больше энергии - каким же видится будущее их источников питания?

Среднестатистический современный смартфон едва может проработать сутки на одной зарядке. А зонд "Вояджер", запущенный 38 лет назад, по-прежнему передает на Землю сигналы, уже покинув пределы Солнечной системы.

Компьютеры "Вояджеров" способны совершать 81 тысячу операций в секунду - но процессор смартфона работает в семь тысяч раз быстрее.

При конструировании телефона, конечно, подразумевается, что он будет регулярно подзаряжаться и вряд ли окажется в нескольких миллионах километров от ближайшей розетки.

Зарядить аккумулятор космического корабля, который как раз-таки по замыслу должен находиться в ста миллионах километров от источника тока, не получится - нужно, чтобы он был способен либо нести на борту батареи достаточной емкости для того, чтобы работать десятилетиями, либо генерировать электроэнергию самостоятельно.

Решить такую конструкторскую задачу, оказывается, довольно непросто.

Некоторым бортовым устройствам электричество нужно лишь время от времени, но другие должны работать постоянно.

Всегда должны быть включены приемники и передатчики, а в пилотируемом полете или на обитаемой космической станции - также системы жизнеобеспечения и освещения.

Доктор Рао Сурампуди возглавляет программу энергетических технологий в лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте в США. Уже более 30 лет он занимается разработкой систем электропитания для различных аппаратов НАСА.

По его словам, на энергетическую систему обычно приходится примерно 30% всей массы космического аппарата. Она решает три основных задачи:

    выработка электроэнергии

    хранение электроэнергии

    распределение электроэнергии

Все эти части системы жизненно важны для работы аппарата. Они должны мало весить, быть долговечными и иметь высокую "энергетическую плотность" - то есть вырабатывать много энергии при довольно небольшом объеме.

Кроме того, они должны быть надежными, так как отправлять человека в космос для починки поломок весьма непрактично.

Система должна не только вырабатывать достаточно энергии для всех потребностей, но и делать это в течение всего полета - а он может продолжаться десятилетиями, а в будущем, возможно, и столетиями.

"Расчетный срок эксплуатации должен быть длительным - если что-либо поломается, чинить будет некому, - говорит Сурампуди. - Полет к Юпитеру занимает от пяти до семи лет, к Плутону - более 10 лет, а чтобы покинуть пределы Солнечной системы, нужно от 20 до 30 лет".

Энергетические системы космического корабля находятся в очень специфических условиях - они должны сохранять работоспособность при отсутствии гравитации, в вакууме, под воздействием очень интенсивной радиации (которая вывела бы из строя большинство обычных электронных приборов) и экстремальных температур.

"Если сесть на Венеру, то за бортом будет 460 градусов, - рассказывает специалист. - А при посадке на Юпитер температура будет минус 150".

Аппараты, направляющиеся к центру Солнечной системы, не имеют недостатка в энергии, собираемой их фотоэлектрическими панелями.

Эти панели на вид мало чем отличаются от солнечных панелей, устанавливающихся на крышах жилых домов, но при этом они работают с куда более высокой эффективностью.

Рядом с Солнцем очень жарко, и фотоэлектрические панели могут перегреться. Чтобы этого избежать, панели отворачивают от Солнца.

На планетарной орбите фотоэлектрические панели менее эффективны: они вырабатывают меньше энергии, так как время от времени оказываются отгороженными от Солнца самой планетой. В подобных ситуациях необходима надежная система накопления энергии.
Атомное решение

Такая система может быть построена на основе никель-водородных аккумуляторов, которые выдерживают более 50 тысяч циклов зарядки и работают более 15 лет.

В отличие от обычных батарей, которые в космосе не работают, эти батареи герметичны и могут нормально функционировать в вакууме.

По мере удаления от Солнца уровень солнечной радиации естественным образом понижается: у Земли он составляет 1374 ватта на квадратный метр, у Юпитера - 50, а у Плутона - всего один ватт на квадратный метр.

Поэтому если аппарат вылетает за орбиту Юпитера, то на нем применяются атомные системы питания.

Самая распространенная из них - это радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), применявшийся на зондах "Вояджер", "Кассини" и на марсоходе "Кьюриосити".

В этих источниках питания нет движущихся частей. Они вырабатывают энергию за счет распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний. Срок их службы превышает 30 лет.

Если использовать РИТЭГ нельзя (к примеру, если для защиты экипажа от радиации понадобится слишком массивный для полета экран), а фотоэлектрические панели не подходят по причине слишком большого расстояния от Солнца, тогда можно применить топливные ячейки.

Водородно-кислородные топливные ячейки были использованы в американских космических программах "Джемини" и "Аполлон". Такие ячейки нельзя перезарядить, но они выделяют много энергии, а побочным продуктом этого процесса является вода, которую потом может пить экипаж.

НАСА и лаборатория реактивного движения ведут работы по созданию более мощных, энергоемких и компактных систем с высоким рабочим ресурсом.

Но новым космическим аппаратам нужно все больше энергии: их бортовые системы постоянно усложняются и расходуют много электричества.

Особенно это касается кораблей, которые используют электрический привод - к примеру, ионный движитель, впервые примененный на зонде Deep Space 1 в 1998 году и с тех пор широко прижившийся.

Электрические двигатели как правило работают за счет электрического выброса топлива на высокой скорости, но есть и такие, которые разгоняют аппарат посредством электродинамического взаимодействия с магнитными полями планет.

Большинство земных энергетических систем не способно работать в космосе. Поэтому любая новая схема перед установкой на космический аппарат проходит серию серьезных испытаний.

В лабораториях НАСА воссоздаются жесткие условия, в которых должно будет функционировать новое устройство: его облучают радиацией и подвергают экстремальным перепадам температур.
К новым рубежам

Не исключено, что в будущих полетах будут применяться улучшенные радиоизотопные генераторы Стирлинга. Они работают по схожему с РИТЭГ принципу, но гораздо более эффективны.

Кроме того, их можно сделать весьма малогабаритными - хотя при этом конструкция дополнительно усложняется.

Для планируемого полета НАСА к Европе, одному из спутников Юпитера, создаются и новые батареи. Они будут способны работать при температурах от -80 до -100 градусов.

А новые литий-ионные аккумуляторы, над которыми сейчас трудятся конструкторы, будут иметь вдвое большую емкость, чем нынешние. С их помощью астронавты смогут, к примеру, провести вдвое больше времени на лунной поверхности, прежде чем возвращаться в корабль для подзарядки.

Конструируются и новые солнечные батареи, которые могли бы эффективно собирать энергию в условиях низкой освещенности и низких температур - это позволит аппаратам на фотоэлектрических панелях улетать дальше от Солнца.

На каком-то этапе НАСА намеревается создать постоянную базу на Марсе - а возможно, и на более удаленных планетах.

Энергетические системы таких поселений должны быть намного более мощными, чем используемые в космосе сейчас, и рассчитанными на гораздо более длительную эксплуатацию.

На Луне много гелия-3 - этот изотоп редко встречается на Земле и является идеальным топливом для термоядерных электростанций. Однако пока не удалось добиться достаточной стабильности термоядерного синтеза для того, чтобы применять этот источник энергии в космических кораблях.

Кроме того, существующие на сегодняшний термоядерные реакторы занимают площадь самолетного ангара, и в таком виде использовать их для космических полетов невозможно.

А можно ли применять обычные ядерные реакторы - особенно в аппаратах с электрическими движителями и в планируемых миссиях к Луне и к Марсу?

Для колонии в таком случае не придется вести отдельный источник электричества - в его роли сможет выступить корабельный реактор.

Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители.

"Аппарату Миссии по отклонению астероидов нужны большие солнечные панели, чтобы он обладал достаточным запасом электрической энергии для маневров вокруг астероида, - говорит Сурампуди. - В настоящее время мы рассматриваем вариант солнечно-электрического движителя, но атомно-электрический обошелся бы дешевле".

Однако в ближайшее время мы вряд ли увидим космические корабли на ядерной энергии.

"Эта технология пока недостаточно отработанная. Мы должны быть абсолютно уверены в ее безопасности, прежде чем запускать такой аппарат в космос", - объясняет специалист.

Чтобы удостовериться в том, что реактор способен выдержать жесткие нагрузки космического полета, нужны дополнительные тщательные испытания.

Все эти перспективные энергетические системы позволят космическим аппаратам работать дольше и улетать на большие расстояния - но пока они находятся на ранних стадиях разработки.

Когда испытания будут успешно закончены, такие системы станут обязательной составляющей полетов на Марс - и еще дальше.