Sistemi za oskrbo z električno energijo (napajanje z električno energijo, če je preprostejše, ker celo stroji morajo nekaj pojesti) so pomemben del vesoljskega plovila. Delati morajo v ekstremnih pogojih in biti izjemno zanesljivi. Vendar bomo z vse večjimi energetskimi potrebami zapletenih vesoljskih plovil v prihodnosti potrebovali nove tehnologije. Misije, ki bodo trajale desetletja, bodo zahtevale novo generacijo napajalnikov. Kakšne možnosti?
Najnovejši mobilni telefoni komaj preživijo dan, ne da bi jih morali priključiti v električno vtičnico. Toda sonda Voyager, lansirana pred 38 leti, nam še vedno pošilja informacije izven osončja. Sonde Voyager so sposobne učinkovito obdelati 81.000 navodil vsako sekundo, vendar so v povprečju pametni telefoni 7000-krat hitrejši.
Seveda se vaši mobilni telefoni redno polnijo in verjetno ne bodo šli nekaj milijonov kilometrov od najbližje vtičnice. Ni mogoče polniti vesoljskega plovila, ki je od najbližje postaje oddaljeno 100 milijonov kilometrov. Namesto tega mora biti vesoljsko plovilo sposobno shraniti ali ustvariti dovolj energije za krmarjenje po prostoru desetletja. In to je, kot se je izkazalo, težko urediti.
Medtem ko nekateri vgrajeni sistemi le občasno potrebujejo energijo, pa morajo drugi nenehno delovati. Oddajniki in sprejemniki morajo biti ves čas aktivni, v primeru letala ali vesoljske postaje pa morata delovati tudi življenjska podpora in razsvetljava.
Dr. Rao Surampudi je vodja programa za energetsko tehnologijo v laboratoriju za reaktivni pogon na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu. Več kot 30 let razvija sisteme napajanja za različna NASA vesoljska plovila.
Po Surampudiju elektroenergetski sistemi vesoljskih plovil predstavljajo približno 30% prometne mase in jih je mogoče razdeliti na tri pomembne podskupine:
močna generacija;
Promocijski video:
shranjevanje energije;
upravljanje in distribucija električne energije
Ti sistemi so kritični za delovanje vesoljskega plovila. Morajo imeti majhno maso, živeti dolgo in biti "energetsko gosta", torej proizvajati veliko energije iz sorazmerno majhnih količin. Prav tako morajo biti precej zanesljivi, saj bi nekatere stvari v vesolju skoraj nerealno ali nepraktično popraviti.
Ti sistemi ne smejo biti sposobni zagotoviti napajanja za vse potrebe na krovu, temveč tudi to storiti v celotni misiji - nekateri bi lahko trajali na deset ali sto let.
"Pričakovana življenjska doba mora biti dolga, saj če gre kaj narobe, tega ne morete popraviti," pravi Surampudi. "Do Jupitra bo minilo pet do sedem let, do Plutona več kot deset let, odhod iz osončja pa 20-30 let."
Zaradi edinstvenega okolja, v katerem delujejo, morajo biti napajalni sistemi vesoljskih plovil sposobni delovati v ničelni gravitaciji in v vakuumu ter vzdržati kolosalno sevanje (običajno v takšnih pogojih elektronika ne deluje). "Če pristanete na Veneri, lahko temperature dosežejo 460 stopinj Celzija, na Jupitru pa se lahko spustijo do -150 stopinj."
Vesoljsko plovilo, ki se usmeri proti središču našega osončja, bo prejelo veliko sončne energije za svoje fotonapetostne panele. Sončni paneli vesoljskih plovil so morda videti kot običajni sončni paneli za naše domove, vendar so zasnovani tako, da delujejo bolj učinkovito kot doma.
Nenaden dvig temperature iz neposredne bližine sonca lahko povzroči tudi pregrevanje sončnih plošč. To ublažimo z vrtenjem sončnih panelov stran od Sonca, kar omejuje izpostavljenost močnim žarkom.
Ko vesoljsko plovilo vstopi v orbito planeta, sončne celice postanejo manj učinkovite; zaradi mrkov in prehodov skozi senco planeta ne morejo ustvariti veliko energije. Potreben je zanesljiv sistem za shranjevanje energije.
Atomi se odzivajo
Eden takšnih sistemov za shranjevanje energije so nikelj-vodikove baterije, ki se lahko napolnijo več kot 50.000-krat in imajo življenjsko dobo več kot 15 let. Za razliko od komercialnih baterij, ki ne delujejo v vesolju, so te baterije hermetično zaprti sistemi, ki lahko delujejo v vakuumu.
Ko odletite od Sonca, se sončno sevanje postopoma zmanjšuje z 1.374 W / m2 okoli Zemlje na 50 W / m2 v bližini Jupitra, medtem ko Pluton že znaša približno 1 W / m2. Zato se znanstveniki obrnejo na atomske sisteme, ko vesoljsko plovilo poleti iz Jupitrove orbite in tako oskrbi vesoljsko plovilo z energijo.
Najpogostejši tip so radioizotopni termoelektrični generatorji (kratki RTG), ki so bili uporabljeni na Voyagerju, Cassiniju in roverju Curiosity. So trdne naprave, ki nimajo gibljivih delov. Med radioaktivnim razpadom elementov, kot je plutonij, ustvarjajo toploto in imajo življenjsko dobo več kot 30 let.
Kadar uporaba RTG ni mogoča - če na primer teža zaščite, ki je potrebna za zaščito posadke, napravo nepraktično uporablja - in oddaljenost od Sonca preprečuje uporabo sončnih plošč, se nato gorivne celice obrnejo.
Med vesoljskimi misijami Apollo in Gemini sta bili uporabljeni gorivni celici z vodikovim kisikom. Čeprav se gorivne celice z vodikovim kisikom ne morejo napolniti, imajo visoko specifično energijo in ne puščajo ničesar razen vode, da pijejo astronavti.
Nadaljnje raziskave NASA in JPL bodo bodočim elektroenergetskim sistemom omogočile ustvarjanje in shranjevanje več energije z manj prostora in dlje časa. Kljub temu nova vesoljska plovila potrebujejo vse več rezerv, saj njihovi krožni sistemi postanejo bolj zapleteni in lačni energije.
Visoke zahteve po energiji še posebej veljajo, če vesoljsko plovilo uporablja električni pogonski sistem, kot je ionski potisk, ki je bil prvič dostavljen v Deep Space 1 leta 1998 in se še vedno uspešno uporablja na vesoljskih ladjah. Električni pogonski sistemi običajno z visoko hitrostjo črpajo gorivo z električno energijo, drugi pa za premikanje vesoljskega plovila uporabljajo elektrodinamične vrvi, ki vplivajo na magnetna polja planeta.
Večina energetskih sistemov na Zemlji ne bo delovala v vesolju. Zato je treba pred namestitvijo na vesoljsko plovilo temeljito preizkusiti vsak nov sistem napajanja. NASA in JPL uporabljata svoje laboratorije za simulacijo zaostrenih pogojev, v katerih bo delovala nova tehnologija, ki nove sestave in sisteme bombardirajo s sevanjem in jih izpostavljajo ekstremnim temperaturam.
Dodatno življenje
Trenutno se pripravljajo za prihodnje misije stirovalni generatorji radioizotopov. Na podlagi obstoječih RTG-jev so ti generatorji veliko bolj učinkoviti od svojih termoelektričnih bratov in sester in so lahko veliko manjši, čeprav s kompleksnejšo postavitvijo.
Razvijajo se tudi nove vrste baterij za NASA-ino načrtovano misijo v Evropi (eno Jupitrovih lun). Delovati morajo v temperaturnem območju od -80 do -100 stopinj Celzija. Preučujemo možnost ustvarjanja naprednih litij-ionskih baterij z dvojno shranjeno energijo. Astronavtom bi lahko omogočili, da na Luni preživijo dvakrat dlje, preden se baterije izpraznijo.
Razvijajo se nove sončne celice, ki lahko delujejo v pogojih zmanjšane intenzivnosti svetlobe in temperatur, torej lahko vesoljsko plovilo deluje na sončno energijo dlje od Sonca.
Nekega dne se bo NASA končno odločila, da bo na Marsu zgradila stalno bazo z ljudmi in morda na drugem planetu. Agencija bo potrebovala sisteme za proizvodnjo električne energije, ki so veliko zmogljivejši od obstoječih.
Luna je bogata s helijem-3, redkim elementom na Zemlji, ki bi lahko bil idealno gorivo za jedrsko fuzijo. Vendar se do zdaj takšna sinteza ne šteje za stabilno ali zanesljivo, da bi bila podlaga za napajanje vesoljskega plovila. Poleg tega je tipični fuzijski reaktor, na primer tokamak, približno velikosti hiše in ne bo ustrezal vesoljskim plovilom.
Kaj pa jedrski reaktorji, ki bi bili popolni za vesoljska plovila z električnim pogonom in načrtovane misije za pristanek na Luni in Marsu? Namesto da bi v kolonijo pripeljali ločen sistem napajanja, bi lahko uporabili jedrski generator vesoljskega plovila.
Vesoljska plovila z jedrsko-električnim motorjem veljajo za dolgoročne misije v prihodnosti. "Za misijo za preusmeritev asteroida bodo potrebne močne sončne plošče, ki bodo zagotavljale dovolj električnega pogona za vesoljsko plovilo za manevriranje okoli asteroida," pravi Surampudi. "V nekem trenutku ga bomo začeli uporabljati na sončno energijo, vendar z jedrsko energijo bo vse veliko ceneje."
Vendar vesoljskih plovil z jedrskim pogonom ne bomo videli več let. "Tehnologija še ni dozorela," pravi Surampudi. "Poskrbeti moramo, da bodo po lansiranju varni." Morali bodo opraviti stroge preizkuse, da bodo pokazali, ali je varno izpostaviti takšne jedrske naprave strogim preskusom vesolja."
Novi sistemi za oskrbo z energijo bodo vesoljskim plovilom omogočali daljše delovanje in potovanje dlje, vendar so še vedno na začetku svojega razvoja. Ko bodo testirani, bodo postali kritični sestavni deli misij na Mars in širše.