Sistemele de alimentare cu energie (sursa de alimentare, dacă este mai simplă, deoarece chiar și mașinile trebuie să mănânce ceva) sunt o parte importantă a navei spațiale. Trebuie să lucreze în condiții extreme și să fie extrem de fiabile. Cu toate acestea, cu cerințele în continuă creștere de energie ale navelor spațiale complexe, vom avea nevoie de noi tehnologii în viitor. Misiunile care vor dura zeci de ani vor necesita o nouă generație de surse de alimentare. Ce opțiuni?
Ultimele telefoane mobile abia supraviețuiesc o zi fără a fi nevoie să fie conectate la o priză. Dar sonda Voyager, lansată acum 38 de ani, ne transmite în continuare informații dincolo de sistemul solar. Sondele Voyager sunt capabile să proceseze eficient 81.000 de instrucțiuni în fiecare secundă, dar, în medie, smartphone-urile sunt de 7.000 de ori mai rapide.
Telefoanele dvs. mobile sunt, desigur, născute pentru a fi reîncărcate în mod regulat și este puțin probabil să depășească câteva milioane de kilometri de cea mai apropiată priză. Nu este practic să reîncărcați o navă spațială aflată la 100 de milioane de kilometri de cea mai apropiată stație. În schimb, o navă spațială trebuie să fie capabilă să stocheze sau să genereze suficientă energie pentru a naviga în spațiu zeci de ani. Iar acest lucru, așa cum s-a dovedit, este greu de aranjat.
În timp ce unele sisteme de bord necesită doar ocazional energie, altele trebuie să funcționeze constant. Transponderele și receptoarele trebuie să fie active în orice moment, iar în cazul unei stații spațiale de zbor sau echipate, sistemele de asistență și de iluminat trebuie să funcționeze.
Dr. Rao Surampudi este managerul programului de tehnologie energetică la Laboratorul de Propulsie Jet de la Institutul de Tehnologie din California. De peste 30 de ani dezvoltă sisteme de alimentare cu energie electrică pentru diverse nave spațiale NASA.
Potrivit Surampudi, sistemele de alimentare cu nave spațiale reprezintă aproximativ 30% din masa de transport și pot fi defalcate în trei subgrupuri importante:
generarea de energie electrică;
Video promotional:
stocare a energiei;
gestionarea și distribuția energiei electrice
Aceste sisteme sunt esențiale pentru funcționarea navei spațiale. Trebuie să aibă o masă scăzută, să trăiască mult timp și să fie „dens energetic”, adică să producă multă energie din volume relativ mici. De asemenea, trebuie să fie destul de fiabile, deoarece unele lucruri din spațiu ar fi aproape nerealiste sau nepractic de rezolvat.
Aceste sisteme trebuie să nu fie capabile să furnizeze energie tuturor nevoilor de la bord, ci și să facă acest lucru pe parcursul întregii misiuni - unele dintre ele putând dura zeci sau sute de ani.
„Speranța de viață trebuie să fie lungă, pentru că dacă ceva nu merge bine, nu o puteți remedia”, spune Surampudi. "Va dura cinci până la șapte ani pentru a ajunge la Jupiter, mai mult de zece ani la Pluto, dar părăsirea sistemului solar este de 20-30 de ani."
Datorită mediului unic în care funcționează, sistemele de alimentare a navei spațiale trebuie să poată funcționa în greutate zero și în vid, precum și să reziste la radiații colosale (de obicei, electronica nu funcționează în astfel de condiții). "Dacă aterizați pe Venus, temperaturile pot ajunge la 460 de grade Celsius, dar pe Jupiter pot scădea la -150 de grade".
Nava spațială, care se îndreaptă spre centrul sistemului nostru solar, va primi multă energie solară pentru panourile sale fotovoltaice. Panourile solare pentru nave spațiale pot arăta ca panouri solare obișnuite pentru casele noastre, dar sunt concepute pentru a funcționa mai eficient decât acasă.
Creșterea bruscă a temperaturii de la apropierea de soare poate provoca, de asemenea, supraîncălzirea panourilor solare. Acest lucru este atenuat prin rotirea panourilor solare departe de Soare, ceea ce limitează expunerea la razele intense.
Atunci când o navă spațială intră pe orbita unei planete, celulele solare devin mai puțin eficiente; ele nu pot genera multă energie datorită eclipselor și trecerii prin umbra planetei. Este necesar un sistem fiabil de stocare a energiei.
Atomii răspund
Un astfel de sistem de stocare a energiei este bateriile nichel-hidrogen, care pot fi reîncărcate de peste 50.000 de ori și au o durată de viață de peste 15 ani. Spre deosebire de bateriile comerciale, care nu funcționează în spațiu, aceste baterii sunt sisteme închise ermetic, care pot funcționa în vid.
Când zburați de Soare, radiația solară scade treptat de la 1.374 W / m2 în jurul Pământului la 50 W / m2 lângă Jupiter, în timp ce Pluton se ridică deja la aproximativ 1 W / m2. Prin urmare, atunci când o navă spațială zboară de pe orbita lui Jupiter, oamenii de știință apelează la sisteme atomice pentru a furniza energie navei spațiale.
Cel mai frecvent tip este generatoarele termoelectrice radioizotopice (RTG-uri pe scurt), care au fost utilizate pe Voyager, Cassini și rover-ul Curiosity. Sunt dispozitive în stare solidă care nu au părți mobile. Acestea generează căldură în timpul degradării radioactive a unor elemente precum plutoniu și au o durată de viață de peste 30 de ani.
Atunci când utilizarea unui RTG nu este posibilă - de exemplu, dacă greutatea ecranării necesare pentru protejarea echipajului face ca aparatul să fie nepractic - și distanța față de Soare împiedică utilizarea panourilor solare, atunci celulele de combustibil sunt întoarse.
În timpul misiunilor spațiale Apollo și Gemeni au fost utilizate celule cu combustibil hidrogen-oxigen. Deși celulele cu combustibil cu hidrogen-oxigen nu pot fi reîncărcate, acestea au o energie specifică ridicată și nu lasă decât apă pentru băuturile astronauților.
Cercetările continue ale NASA și JPL vor permite sistemelor de energie viitoare să genereze și să stocheze mai multă energie, folosind mai puțin spațiu și pentru o lungă perioadă de timp. Cu toate acestea, noile nave spațiale necesită din ce în ce mai multe rezerve, deoarece sistemele lor de la bord devin mai complexe și înfometate de energie.
Cerințele ridicate de energie sunt valabile mai ales atunci când nava spațială utilizează un sistem de propulsie electrică precum propulsorul cu ioni, livrat pentru prima dată la Deep Space 1 în 1998 și încă utilizat cu succes pe nave spațiale. Sistemele de propulsie electrică evacuează de obicei combustibilul cu electricitate la viteză mare, dar alții folosesc funii electrodinamice care interacționează cu câmpurile magnetice ale planetei pentru a muta nava spațială.
Majoritatea sistemelor energetice de pe Pământ nu vor funcționa în spațiu. Astfel, orice nou sistem de alimentare trebuie să fie testat minuțios înainte de a fi instalat pe o navă spațială. NASA și JPL își folosesc laboratoarele pentru a simula condițiile dure din care va funcționa această nouă tehnologie, bombardând noi componente și sisteme cu radiații și expunându-le la temperaturi extreme.
Viață în plus
Generatorii de radioizotopi Stirling sunt în prezent pregătiți pentru viitoarele misiuni. Pe baza RTG-urilor existente, aceste generatoare sunt mult mai eficiente decât frații lor termoelectrici și pot fi mult mai mici, deși cu un aranjament mai complex.
Noi tipuri de baterii sunt de asemenea dezvoltate pentru misiunea planificată de NASA în Europa (una dintre lunile lui Jupiter). Acestea trebuie să funcționeze într-un interval de temperatură cuprins între -80 și -100 grade Celsius. Se studiază posibilitatea creării unor baterii avansate de ioni de litiu cu energia dublă a stocării. Aceștia ar putea permite astronauților să petreacă de două ori mai mult pe lună înainte ca bateriile să se epuizeze.
Sunt dezvoltate noi panouri solare care vor putea funcționa în condiții de intensitate și temperaturi reduse ale luminii, adică nava spațială va putea funcționa cu energie solară mai departe de Soare.
Într-o zi, NASA va decide în sfârșit să construiască o bază permanentă pe Marte cu oamenii, și poate pe o altă planetă. Agenția va avea nevoie de sisteme de generare de energie mult mai puternice decât cele existente.
Luna este bogată în heliu-3, un element rar pe Pământ care ar putea fi un combustibil ideal pentru fuziunea nucleară. Cu toate acestea, până în prezent, o astfel de sinteză nu este considerată suficient de stabilă sau de încredere pentru a forma baza alimentării cu energie a navei spațiale. În plus, un reactor tipic de fuziune, precum un tokamak, este de dimensiunea unei case și nu se va încadra într-o navă spațială.
Cum rămâne cu reactoarele nucleare care ar fi perfecte pentru navele spațiale alimentate electric și misiunile planificate de aterizare pe Lună și Marte? În loc să aducem un sistem de alimentare electrică separat în colonie, ar putea fi utilizat generatorul nuclear al navei spațiale.
Navele spațiale cu un motor nuclear-electric sunt considerate pentru misiuni pe termen lung în viitor. "O misiune de redirecționare a asteroizilor va necesita panouri solare puternice care vor oferi suficientă propulsie electrică pentru ca nava spațială să manevreze în jurul asteroidului", spune Surampudi. "La un moment dat urma să îl lansăm pe energie solară, dar cu energie nucleară, totul va fi mult mai ieftin."
Cu toate acestea, nu vom vedea nave spațiale cu energie nucleară de mai mulți ani. „Tehnologia nu s-a maturizat încă”, spune Surampudi. "Trebuie să ne asigurăm că sunt în siguranță după lansare." Acestea vor trebui să fie supuse unor teste riguroase pentru a arăta dacă este în siguranță expunerea unor astfel de instalații nucleare la testele dure ale spațiului."
Noile sisteme de furnizare a energiei vor permite navei spațiale să funcționeze mai mult și să călătorească mai departe, dar sunt încă la începutul dezvoltării lor. Odată testate, acestea vor deveni componente critice pentru misiunile echipate pe Marte și nu numai.
