Za vesoljske misije, ki trajajo več desetletij - ali celo dlje -, bodo potrebne nove generacije napajalnikov.
Elektroenergetski sistem je pomemben sestavni del vesoljskega plovila. Ti sistemi morajo biti izjemno zanesljivi in zasnovani tako, da prenesejo težka okolja.
Današnje prefinjene naprave zahtevajo vse več energije - kakšna je prihodnost njihovih napajalnikov?
Povprečen sodoben pametni telefon z enim polnjenjem komaj zdrži dan. In sonda Voyager, ki je bila zagnana pred 38 leti, še vedno oddaja signale na Zemljo, ko zapusti sončni sistem.
Računalniki Voyager so sposobni 81 tisoč operacij na sekundo - toda procesor pametnega telefona je sedem tisočkrat hitrejši.
Pri načrtovanju telefona seveda predvidevamo, da se bo redno polnil in najverjetneje ne bo več milijonov kilometrov od najbližje vtičnice.
Ne bo si napolnil baterije vesoljskega plovila, ki naj bi bilo po načrtu oddaljeno sto milijonov kilometrov od trenutnega vira, ne bo delovalo - biti bo sposoben bodisi nositi akumulatorje dovolj zmogljivosti na krovu, da lahko dela desetletja, ali proizvajati elektriko na svoje.
Izkazalo se je, da je težko rešiti takšno oblikovalsko težavo.
Promocijski video:
Nekatere naprave na vozilu potrebujejo samo občasno elektriko, druge pa morajo neprekinjeno delovati.
Sprejemniki in oddajniki morajo biti vedno vklopljeni, v zrakoplovu s posadko ali na vesoljski postaji pa morata biti vklopljena tudi življenjska podpora in razsvetljava.
Dr. Rao Surampudi vodi program energetske tehnologije v laboratoriju za reaktivni pogon na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu v ZDA. Že več kot 30 let razvija energetske sisteme za različna Nasina vozila.
Po njegovem mnenju energetski sistem običajno predstavlja približno 30% celotne mase vesoljskega plovila. Rešuje tri glavne naloge:
- proizvodnja električne energije
- shranjevanje električne energije
- distribucija električne energije
Vsi ti deli sistema so ključnega pomena za delovanje aparata. Biti morajo lahke, trpežne in imeti visoko "energijsko gostoto" - torej ustvariti veliko energije s precej majhno prostornino.
Poleg tega morajo biti zanesljive, saj je pošiljanje osebe v vesolje, da popravi okvare, zelo nepraktično.
Sistem ne sme ustvarjati dovolj energije za vse potrebe, ampak tudi to storiti skozi celoten let - in lahko traja desetletja, v prihodnosti pa morda tudi stoletja.
"Življenjska doba oblikovanja bi morala biti dolga - če se kaj zlomi, je ne bo nihče popravil," pravi Surampudi. "Let na Jupiter traja pet do sedem let, do Plutona več kot 10 let, zapuščanje osončja pa traja 20 do 30 let."
Napajalni sistemi vesoljskega plovila so v zelo specifičnih pogojih - delovati morajo v odsotnosti gravitacije, v vakuumu, pod vplivom zelo intenzivnega sevanja (ki bi onemogočilo večino običajnih elektronskih naprav) in ekstremnih temperatur.
"Če pristanete na Veneri, bo 460 stopinj čez morje," pravi specialist. "In pri pristanku na Jupiter bo temperatura minus 150".
Vesoljska plovila, ki se usmerjajo proti središču sončnega sistema, nimajo pomanjkanja energije, ki jo zbirajo fotonapetostni paneli.
Te plošče so malo drugačne od sončnih panelov, nameščenih na strehah stanovanjskih stavb, hkrati pa delujejo z veliko večjo učinkovitostjo.
V bližini sonca je zelo vroče in PV plošče se lahko pregrejejo. Da bi se temu izognili, so plošče obrnjene stran od Sonca.
V planetarni orbiti so fotonapetostni paneli manj učinkoviti: proizvedejo manj energije, saj jih občasno od Sonca ograja planet. V takšnih situacijah je potreben zanesljiv sistem za shranjevanje energije.
Atomska raztopina
Tak sistem je mogoče izdelati na osnovi nikelj-vodikovih baterij, ki zdržijo več kot 50 tisoč polnilnih ciklov in zdržijo več kot 15 let.
Za razliko od običajnih baterij, ki ne delujejo v vesolju, so te baterije zatesnjene in lahko normalno delujejo v vakuumu.
Ko se oddaljujemo od Sonca, raven sončnega sevanja naravno upada: za Zemljo znaša 1374 vatov na kvadratni meter, za Jupiter - 50, za Plutona - le en vat na kvadratni meter.
Če torej vesoljsko plovilo zapusti orbito Jupitra, potem uporablja atomske sisteme moči.
Najpogostejši od njih je radioizotopni termoelektrični generator (RTG), ki se uporablja na sondah Voyager in Cassini ter na roverju Curiosity.
V teh napajalnikih ni premičnih delov. Energijo ustvarjajo z razpadanjem radioaktivnih izotopov, kot je plutonij. Njihova življenjska doba presega 30 let.
Če ni mogoče uporabiti RTG-ja (na primer, če je za zaščito posadke pred sevanjem potreben zaslon, ki je preveč masiven) in fotovoltaični paneli zaradi prevelike oddaljenosti od Sonca niso primerni, potem lahko uporabite gorivne celice.
Vodikove kisikove gorivne celice so bile uporabljene v ameriških vesoljskih programih Gemini in Apollo. Teh celic ni mogoče ponovno napolniti, vendar sproščajo veliko energije, stranski produkt tega procesa pa je voda, ki jo lahko nato popije posadka.
NASA in laboratorij Jet Propulsion si prizadevata ustvariti zmogljivejše, energijsko intenzivne in kompaktne sisteme z visoko življenjsko dobo.
Toda nova vesoljska plovila potrebujejo vse več energije: njihovi sistemi na krovu se nenehno zapletajo in porabijo veliko električne energije.
To še posebej velja za ladje, ki uporabljajo električni pogon - na primer ionsko pogonsko napravo, ki so jo prvič uporabili na sondi Deep Space 1 leta 1998 in je od takrat postala zelo razširjena.
Elektromotorji ponavadi delujejo tako, da z veliko hitrostjo električno vbrizgajo gorivo, obstajajo pa takšni, ki napravo pospešijo z elektrodinamično interakcijo z magnetnimi polji planetov.
Večina zemeljskih energetskih sistemov ne more delovati v vesolju. Zato je vsaka nova shema pred nizom resnih preskusov, preden je nameščena na vesoljsko plovilo.
Nasini laboratoriji poustvarjajo težke razmere, v katerih bo morala delovati nova naprava: obsevana je z sevanjem in podvržena skrajnim temperaturnim spremembam.
Proti novim mejam
Možno je, da se bodo v prihodnjih letih uporabili izboljšani radioaktivni generatorji Stirling. Delujejo na principu, podobnem RTG, vendar veliko bolj učinkovito.
Poleg tega jih je mogoče narediti zelo majhne - čeprav je zasnova še dodatno zapletena.
Za NASA-in načrtovani let v Evropo, eno od Jupitrovih lun, gradijo nove baterije. Delovati bodo lahko pri temperaturah od -80 do -100 stopinj.
In nove litij-ionske baterije, ki jih trenutno oblikujejo oblikovalci, bodo imele dvakrat večjo kapaciteto od sedanjih. Z njihovo pomočjo lahko astronavti na primer na lunarni površini preživijo dvakrat dlje, preden se vrnejo na ladjo, da se napolnijo.
Oblikujejo se tudi novi sončni paneli, ki bi lahko učinkovito zbirali energijo pri nizki svetlobi in nizkih temperaturah - to bo napravam na fotovoltaičnih panelih omogočilo letenje stran od Sonca.
Na neki stopnji namerava NASA vzpostaviti stalno bazo na Marsu - in morda na bolj oddaljenih planetih.
Energetski sistemi takšnih naselij bi morali biti veliko zmogljivejši od današnjih, ki se uporabljajo v vesolju, in zasnovani za veliko daljše delovanje.
Na Luni je veliko helija-3 - tega izotopa redko najdemo na Zemlji in je idealno gorivo za termonuklearne elektrarne. Vendar pa še vedno ni bilo mogoče doseči zadostne stabilnosti termonuklearne fuzije, da bi ta vir energije uporabljali v vesoljskih plovilih.
Poleg tega trenutno obstoječi termonuklearni reaktorji zasedajo območje hangara zrakoplova, zato jih je nemogoče uporabiti za vesoljske polete.
Ali je mogoče uporabljati običajne jedrske reaktorje - zlasti v vozilih z električnim pogonom in v načrtovanih misijah na Luno in Mars?
V tem primeru koloniji ni treba poganjati ločenega vira električne energije - ladijski reaktor lahko igra svojo vlogo.
Za dolgoročne lete je mogoče uporabiti atomsko-električne propelerje.
"Misija za odstopanje asteroida zahteva, da imajo velike sončne plošče dovolj električne energije za manevriranje okoli asteroida," pravi Surampudi. "Trenutno razmišljamo o solarno-električni pogonski možnosti, a atomsko-električni bi bil cenejši."
Vendar pa v bližnji prihodnosti verjetno ne bomo videli vesoljskih plovil z jedrskim pogonom.
„Ta tehnologija še ni dovolj razvita. Pred lansiranjem takšne naprave v vesolje moramo biti popolnoma prepričani v njeno varnost, «pojasnjuje specialist.
Potrebna so nadaljnja stroga preskušanja, da se zagotovi, da je reaktor sposoben prenašati strogosti vesoljskega leta.
Vsi ti obetavni elektroenergetski sistemi bodo vesoljskim plovilom omogočali, da zdržijo dlje in letijo na dolge razdalje - vendar so zaenkrat v začetni fazi razvoja.
Ko bodo testi uspešno končani, bodo takšni sistemi postali obvezna sestavina letov na Mars - in naprej.