Misiunile spațiale care durează câteva decenii - sau chiar mai mult - vor necesita o nouă generație de surse de alimentare.
Sistemul electric este o componentă vitală a navei spațiale. Aceste sisteme trebuie să fie extrem de fiabile și concepute pentru a rezista la medii dure.
Dispozitivele sofisticate de astăzi necesită din ce în ce mai multă energie - care este viitorul surselor de alimentare?
Un smartphone modern mediu poate dura doar o zi cu o singură taxă. Și sonda Voyager, lansată în urmă cu 38 de ani, transmite în continuare semnale pe Pământ după ieșirea din sistemul solar.
Calculatoarele Voyager sunt capabile de 81 de mii de operații pe secundă - dar procesorul unui smartphone este de șapte mii de ori mai rapid.
La proiectarea unui telefon, desigur, se presupune că acesta va fi reîncărcat regulat și este puțin probabil să se afle la câteva milioane de kilometri de cea mai apropiată priză.
Nu va funcționa pentru încărcarea bateriei navei spațiale, care, conform planului, ar trebui să fie amplasată la o sută de milioane de kilometri de sursa curentă, nu va funcționa - trebuie să poată fie transporta baterii cu o capacitate suficientă la bord pentru a funcționa zeci de ani, fie să genereze energie electrică pe cont propriu.
Se pare că este destul de dificil să rezolvi o astfel de problemă de proiectare.
Video promotional:
Unele dispozitive de bord au nevoie de energie electrică din când în când, dar altele trebuie să funcționeze constant.
Receptoarele și emițătorii trebuie să fie întotdeauna porniți, iar în zborul echipat sau pe o stație spațială echipată, sistemele de asistență și de iluminat trebuie să fie de asemenea pornite.
Dr. Rao Surampudi conduce programul de tehnologie energetică la Laboratorul de Propulsie Jet de la Institutul Tehnologic din California din Statele Unite. De peste 30 de ani dezvoltă sisteme de alimentare pentru diferite vehicule NASA.
Potrivit acestuia, sistemul energetic reprezintă de obicei aproximativ 30% din masa totală a navei spațiale. Rezolvă trei sarcini principale:
- generarea de energie electrică
- stocarea energiei electrice
- distributia energiei electrice
Toate aceste părți ale sistemului sunt vitale pentru funcționarea aparatului. Acestea trebuie să fie ușoare, durabile și să aibă o „densitate energetică” ridicată - adică să genereze multă energie cu un volum destul de mic.
În plus, acestea trebuie să fie fiabile, deoarece trimiterea unei persoane în spațiu pentru a remedia defecțiunile este foarte practic.
Sistemul nu trebuie să genereze suficientă energie pentru toate nevoile, ci și să facă acest lucru pe parcursul întregului zbor - și ar putea dura zeci de ani și în viitor, eventual timp de secole.
„Viața de proiectare ar trebui să fie lungă - dacă se rupe ceva, nu va mai fi nimeni de reparat”, spune Surampudi. "Zborul către Jupiter durează cinci până la șapte ani, spre Pluto mai mult de 10 ani și este nevoie de 20-30 de ani pentru a părăsi sistemul solar."
Sistemele de alimentare ale unei nave spațiale sunt în condiții foarte specifice - trebuie să rămână operaționale în absența gravitației, în vid, sub influența radiațiilor foarte intense (care ar dezactiva majoritatea dispozitivelor electronice convenționale) și a temperaturilor extreme.
„Dacă aterizați pe Venus, atunci 460 de grade vor fi peste bord”, spune specialistul. „Și la aterizarea pe Jupiter, temperatura va fi minus 150”.
Navele spațiale care se îndreaptă spre centrul sistemului solar nu au lipsă de energie colectată de panourile lor fotovoltaice.
Aceste panouri arată puțin diferit de panourile solare instalate pe acoperișurile clădirilor rezidențiale, dar în același timp funcționează cu o eficiență mult mai mare.
Este foarte cald lângă soare, iar panourile fotovoltaice se pot supraîncălzi. Pentru a evita acest lucru, panourile sunt întoarse de Soare.
Pe orbita planetară, panourile fotovoltaice sunt mai puțin eficiente: generează mai puțină energie, deoarece din când în când sunt închise de la Soare de planeta însăși. În astfel de situații, este necesar un sistem de stocare fiabilă a energiei.
Soluție atomică
Un astfel de sistem poate fi construit pe baza bateriilor nichel-hidrogen, care pot rezista la peste 50 de mii de cicluri de încărcare și durează mai mult de 15 ani.
Spre deosebire de bateriile convenționale, care nu funcționează în spațiu, aceste baterii sunt sigilate și pot funcționa normal în vid.
Pe măsură ce ne îndepărtăm de Soare, nivelul radiațiilor solare scade în mod natural: pentru Pământ este de 1374 watt pe metru pătrat, pentru Jupiter - 50, iar pentru Pluton - doar un watt pe metru pătrat.
Prin urmare, dacă nava spațială părăsește orbita lui Jupiter, atunci utilizează sisteme de putere atomică.
Cel mai frecvent dintre acestea este generatorul termoelectric radioizotop (RTG) utilizat pe sondele Voyager și Cassini și pe rover Curiosity.
Nu există piese mobile în aceste surse de alimentare. Acestea generează energie prin descompunerea izotopilor radioactivi, cum ar fi plutoniu. Durata lor de serviciu depășește 30 de ani.
Dacă este imposibil să folosești un RTG (de exemplu, dacă este necesar un ecran prea masiv pentru zbor pentru a proteja echipajul de radiații), iar panourile fotovoltaice nu sunt potrivite din cauza unei distanțe prea mari de Soare, atunci pot fi utilizate celule de combustibil.
Celulele de combustibil hidrogen-oxigen au fost utilizate în programele spațiale americane Gemeni și Apollo. Aceste celule nu pot fi reîncărcate, dar eliberează multă energie, iar produsul secundar al acestui proces este apa, care poate fi băută de echipaj.
NASA și Jet Propulsion Laboratory lucrează la crearea de sisteme mai puternice, consumatoare de energie și compacte, cu o durată de viață ridicată.
Dar noile nave spațiale au nevoie din ce în ce mai multă energie: sistemele lor de la bord devin în mod constant complexe și consumă multă energie electrică.
Acest lucru este valabil mai ales pentru navele care utilizează o unitate electrică - de exemplu, dispozitivul de propulsie ionică, folosit pentru prima dată pe sonda Deep Space 1 în 1998 și de atunci a devenit larg răspândit.
Motoarele electrice funcționează, de obicei, prin evacuarea combustibilului electric la viteză mare, dar există și cele care accelerează aparatul prin interacțiunea electrodinamică cu câmpurile magnetice ale planetelor.
Majoritatea sistemelor energetice ale Pământului nu sunt capabile să funcționeze în spațiu. Prin urmare, orice nouă schemă trece printr-o serie de teste serioase înainte de a fi instalate pe o navă spațială.
Laboratoarele NASA recreează condițiile dure în care noul dispozitiv va trebui să funcționeze: este iradiat cu radiații și supus unor schimbări extreme de temperatură.
Spre noi frontiere
Este posibil ca generatoare de radioizotopi Stirling îmbunătățite să fie utilizate în zborurile viitoare. Ele lucrează pe un principiu similar cu RTG, dar mult mai eficient.
În plus, acestea pot fi făcute foarte mici - deși designul este în continuare complicat.
Se construiesc noi baterii pentru zborul planificat al NASA către Europa, una dintre lunile lui Jupiter. Vor putea funcționa la temperaturi cuprinse între -80 și -100 grade.
Iar noile baterii cu ioni de litiu la care lucrează în prezent designerii vor avea capacitatea de două ori mai mare decât cele actuale. Cu ajutorul lor, astronauții pot, de exemplu, să petreacă de două ori mai mult timp pe suprafața lunară înainte de a se întoarce la navă pentru a se reîncărca.
De asemenea, sunt proiectate noi panouri solare care ar putea colecta eficient energia în condiții de lumină redusă și temperaturi scăzute - acest lucru va permite dispozitivelor de pe panouri fotovoltaice să zboare departe de Soare.
La un moment dat, NASA intenționează să stabilească o bază permanentă pe Marte - și, eventual, pe planete mai îndepărtate.
Sistemele energetice ale acestor așezări ar trebui să fie mult mai puternice decât cele utilizate în spațiu astăzi și proiectate pentru o funcționare mult mai lungă.
Pe lună există o mulțime de heliu-3 - acest izotop este rar întâlnit pe Pământ și este combustibilul ideal pentru centralele termonucleare. Cu toate acestea, nu a fost încă posibilă realizarea unei stabilități suficiente a fuziunii termonucleare pentru a utiliza această sursă de energie în nave spațiale.
În plus, reactoarele termonucleare existente în prezent ocupă zona unui hangar al aeronavei, și sub această formă este imposibil să le folosești pentru zboruri spațiale.
Este posibil să folosiți reactoare nucleare convenționale - în special la vehiculele cu propulsie electrică și în misiunile planificate pe Lună și Marte?
În acest caz, colonia nu trebuie să administreze o sursă separată de energie electrică - reactorul unei nave poate juca rolul său.
Pentru zboruri de lungă durată, este posibil să fie folosite propulsoare atomico-electrice.
„Misiunea Asteroid Deflection necesită panouri solare mari să aibă suficientă energie electrică pentru a manevra în jurul asteroidului”, spune Surampudi. „În prezent, avem în vedere o opțiune de propulsie solar-electrică, dar atomicul-electric ar fi mai ieftin.”
Cu toate acestea, este puțin probabil să vedem nave spațiale cu energie nucleară în viitorul apropiat.
„Această tehnologie nu este încă suficient de dezvoltată. Trebuie să fim absolut siguri de siguranța sa înainte de a lansa un astfel de dispozitiv în spațiu”, explică specialistul.
Încercări suplimentare riguroase sunt necesare pentru a se asigura că reactorul este capabil să reziste rigorilor zborului spațial.
Toate aceste sisteme energetice promițătoare vor permite navei spațiale să dureze mai mult și să zboare pe distanțe lungi - dar până acum sunt în primele etape ale dezvoltării.
Când testele vor fi finalizate cu succes, astfel de sisteme vor deveni o componentă obligatorie a zborurilor către Marte și nu numai.
