Енергетика
Автономні джерела енергія для космічних апаратів
- Опубліковано: П'ятниця, 30 січня 2015, 15:10
Основна проблема всіх автоматичних міжпланетних станцій або супутників - відсутність незалежного джерела енергії, що живить апарат, а без цього, процес освоєння дослідження значно ускладнюється.
Використовувати завжди і скрізь сонячні батареї далеко не вихід - занадто залежні від дальності і положення Сонця, до того ж вимагають додаткових зусиль і обчислень. Саме тому вчені й дослідники вже десятки років розмірковують над економним і зручним способом забезпечення космічних апаратів енергією.
Існує безліч варіантів, і деякі з них ми розглянемо. Так ще в далекому 1913 році, вчений Генрі Мозлі розробив генератор, що перетворює енергію спонтанних ядерних реакцій в електричний струм. Геніальна простота конструкції прикувала до неї погляди наукового світу. Посріблена зсередини сфера, в яку поміщали радій, давала можливість отримати електричну енергію, проте ККД цієї батареї виявився дуже малий, але ось виділення тепла, яке утворювалося в процесі - співслужило свою службу.
У радянських «Місяцехід» подібні капсули застосовувалися для обігріву приладового відсіку. Не дивлячись на те, що капсулу розглядав лише як тепловиділяючий елемент, а кількість виділеної електричної енергії залишалося на занадто низькому рівні - розробки в цьому напрямі продовжувалися, і вчені змогли добитися непоганого результату. Про це говорить хоча б те, що силова установка MarsScience Labaratory NASA (що приземлилася на Марсі 6 серпня 2012) використовує силову установку, засновану на принципі перетворення отдаваемого плутонієм-238 тепла в електрику.
Розробки та доопрацювання NASA не зупиняються на радіоізотопному генераторі. Ще більш ранній проект зараз допрацьовується і удосконалюється в їх лабораторіях. У 1816 році, громадськості став відомий так званий двигун Роберта Стірлінга. Його плюс, на відміну від радіоізотопного генератора полягає в серйозному ККД пристрою - до 30% (у порівнянні з 7% попереднього генератора). Робота двигуна заснована на циклічному зміні температури робочого тіла. При нагріванні - газ розширюється і приводить в дію поршень, заповнюючи охлаждаемую частина циліндра. Остигаючи - він, відповідно стискається.
Якщо читач замислиться, то уявити процес перетворення ядерної енергії в теплову, після - в кінетичну і лише потім в електрику, досить складно. А уявити атомну енергоустановку з поршнем - так зовсім нагадує щось з фантастичного steam-панку, однак на практиці все йде куди легше і ніяких проблем не виникає. NASA обіцяють вже до 2016 року випустити подібний двигун, а на даному етапі вирішують проблему поведінки механізму в умовах перевантажень і зміни температур за час польоту, втім, вирішення цієї проблеми навряд чи виявиться для фахівців надмірно складним завданням.
І ще один варіант - використання в якості генератора ядерний реактор. За всю історію космонавтики, ядерні реактори не так часто бували в космосі і тим більше, не так часто використовувалися. А більша частина з цих установок так і зовсім не використовували ланцюгову реакцію, а покладалися виключно на що виділяється при розпаді плутонію-238 тепло. Втім, все це не виключає нових можливостей.
Традиційно, проблеми у реактора одні - їх маса на порядок більше, ніж у радіоізотопних батарей, а ось надійність набагато нижче. Якщо спробувати зменшити реактор, то з'являється інша проблема - ланцюгова реакція при падінні змісту 235-го ізотопу припиняється. Більше того - досить невеликий термін служби. Звичайно, можливо уявити сценарій при якому відпрацьоване пальне буде вилучатись і пройде заправка на орбіті, але витрати того не варті (а з ладу реактор буде виходити через кожен рік).
Та й проблемою повернення реактора на Землю теж можна занепокоїтися, все таки і на планеті вистачає різного сміття. Так чи інакше, розробки в різних напрямках вирішення проблеми автономного забезпечення космічних апаратів будуть проводитися й надалі, а нові підходи та методи радують вже сьогодні. Залишається повірити NASA і почекати 10-20 років - саме через такий проміжок агентство обіцяє вирішити цю непросту задачу.
