«Вояджер-1» был первым в истории человечества аппаратом, покинувшим границы Солнечной системы. Его запустили в 1977 году, лететь он будет, предположительно, до 2030 года, возможно – дольше. Заправок в космосе нет. Перезарядиться самостоятельно он не сможет. Ближайшая розетка – на Земле, а ближайшая звезда – далекое Солнце. Откуда же получают энергию космические корабли?
«Вояджер-2» исследовал дальние планеты Солнечной системы в течение 26 лет Фото: Getty Images/MPI
Нашу Солнечную систему можно сравнить с автобаном, по которому ездят разные машины. Одни похожи на огромные фуры, медленно перевозящие грузы, эти дальнобойщики – космические аппараты для изучения дальнего космоса. Другие летают, как мотоциклы, быстро преодолевая нужный отрезок пути, – их запускают на пару часов с конкретной целью: взять грунт, например. Третьи патрулируют дорогу, перемещаясь туда-обратно, – это орбитальные станции, рассчитанные только на полет вокруг Земли. Укомплектованы машины по-разному, источники энергии в них тоже отличаются: все зависит от цели, с которой машина выпущена на трассу.
От СолнцаСамый простой способ получить энергию в космосе – огромный желтый карлик, с которым мы соседствуем. Он не требует эксплуатации, за него не нужно платить, и работать он будет еще очень и очень долго. Все наверняка видели солнечные батареи. Широкие блестящие панели устанавливают там, куда может попасть солнце, и специальные полупроводники преобразуют попадающие с солнечными лучами фотоны в движущиеся электроны, которые и дают электричество. Международная космическая станция похожа на птицу с огромными крыльями. Они состоят из четырех рядов солнечных батарей. Специальные программы поворачивают эти блоки к Солнцу таким образом, чтобы станция получала как можно больше энергии. Но вот незадача: МКС делает оборот вокруг Земли за 90 минут, и примерно половина этого времени приходится на теневую сторону, когда планета загораживает станцию от Солнца. В это время солнечные батареи уходят в спящий режим, поворачиваясь по направлению движения таким образом, чтобы уменьшить сопротивление атмосферы. Грубо говоря, ложатся вдоль течения. К обеспечению электроэнергией станции тогда подключаются дополнительные аккумуляторы – никель-водородные или литий-ионные.
МКС с рядами солнечных батарей, похожими на крылья community.topcoder.com
С солнечными батареями работают 241 из 244 межпланетных станций, сотни орбитальных спутников и большая часть луноходов и марсоходов. Солнце может дать нам много дешевой энергии, но расстояние отдачи ограничено. Уже на Марсе, если мы все еще хотим использовать солнечный свет, блоки солнечных батарей придется увеличить в два раза для получения той же энергии, что и на орбите Земли. А Марсом наши космические амбиции не ограничены. Мы хотим видеть свои корабли и на Уране, и на Юпитере, и дальше – там, куда солнечный свет не проникает вообще.
«Новые горизонты», «Галилео», «Кассини», «Улисс», «Вояджеры» – эти аппараты объединяют не только красивые названия, но и дальность космической миссии. «Новые горизонты» отправились к Плутону, «Галилео» летел исследовать Юпитер, «Кассини» – Сатурн. Всем им установили похожие источники энергии – радиоизотопные термоэлектрические генераторы. РИТЭГ использует тепловую энергию, которая выделяется при распаде радиоактивных изотопов, чаще всего – плутония. Эти маленькие реакторы не нуждаются в солнечной поддержке, а работать могут очень долго. Период полураспада плутония-238 – 88 лет. «Вояджеры» работают уже почти полвека, хотя частично отключены. Проблема в том, что, делая ставку на длительность полета, мы сильно теряем в скорости. Но это еще полбеды, можно и подождать, когда наши посыльные долетят. Другая сложность – цена и нехватка плутония. Запуск «Новых горизонтов» в 2006 году несколько раз откладывался, потому что США, одни из самых богатых космических исследователей, не могли найти нужные «Новым горизонтам» 11 кг плутония. По этой же причине зонд «Юнона», отправленный к Юпитеру, все же получил массивные солнечные крылья, которые могут улавливать свет даже на такой приличной удаленности. Плутоний-238 долго, сложно и очень дорого получать. Его можно заменить другим радиоактивным нуклидом – ураном-232 с периодом полураспада в 67 лет. Но оба элемента опасны: в случае взрыва устройства при запуске радиоактивный выброс может быть крайне велик.
Аккумуляторы в качестве источников энергии применяются в космосе редко. Обычно их ставят на аппараты, которым предстоит работать только пару часов. Зонд MASCOT был сброшен на астероид Рюгу, чтобы собрать с него пробы грунта, и проработал 17 часов на литий-тионилхлоридных элементах. Они дают очень большую плотность энергии при габаритах, равных с другими химическими источниками тока, и способны работать в жестких климатических условиях и в труднодоступных местах. Мы как будто бы бросили на астероид пуленепробиваемый смартфон, только размерами повнушительнее. Правда, подзарядить его не получится. Литий-тионилхлоридные элементы неперезаряжаемые, поработали – на выброс. Для более длительных миссий требуется перезаряжаемая система.
«Спутник-1», первый искусственный спутник Земли, работал на серебряно-цинковом аккумуляторе. Их же ставили на луномобили программы «Аполлон». Маленькие, стабильные, спокойно терпящие перегрузки, серебряно-цинковые аккумуляторы довольно быстро проиграли бой никель-водородным. Главное преимущество последних – время работы. Никель-водородные аккумуляторы обеспечивали энергией МКС, «Марс Глобал Сервейор», «Марс Одиссей» и телескоп «Хаббл». Во всех устройствах аккумуляторы оказывали поддержку солнечным батареям. Сейчас там, где можно осуществить замену, никель-водородные источники меняют на литий-ионные. Они стоят и в наших телефонах, и на огромных машинах, которые мы запускаем в космос. Характеристики литий-ионных аккумуляторов гораздо выше, чем их «коллег» по цеху, но в чем они несравненно хороши – маленький размер. В 2019 году космонавты МКС выходили в открытый космос, чтобы заменить старые никель-водородные аккумуляторы новыми литий-ионными.
Когда-то лошадь вполне удовлетворяла человека, пока не оказалось, что с паровозом можно преодолеть весь путь гораздо быстрее. Для создания и ввода в эксплуатацию таких источников энергии, которые продлят наш космический автобан до соседних галактик, нужна новая научно-техническая революция. Новый аккумулятор должен быть легким – мы все еще не способны поднять в космос целую атомную электростанцию. Он должен отвечать требованиям безопасности, потому что в далеком космосе не будет ремонтных бригад и дополнительных инструментов. И, наконец, он обязан быть невосприимчивым к экстремальным условиям перепадов температур, радиации и солнечного ветра. Как только такой источник энергии будет создан, мы сможем посылать не только корабли к соседям по Вселенной, но и космических туристов в приятные лунные прогулки, например. И тогда на автобане появятся экскурсионные автобусы, а вслед за ними, может быть, и частные автомобили.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
