Systémy dodávky energie (napájení, pokud je to jednodušší, protože i stroje potřebují něco jíst) jsou důležitou součástí kosmické lodi. Musí pracovat v extrémních podmínkách a musí být extrémně spolehlivé. Se stále rostoucími energetickými nároky složitých kosmických lodí však budeme v budoucnu potřebovat nové technologie. Mise, které vydrží po celá desetiletí, budou vyžadovat novou generaci napájecích zdrojů. Jaké možnosti?
Nejnovější mobilní telefony mohou sotva přežít den, aniž by musely být zapojeny do elektrické zásuvky. Sonda Voyager, která byla spuštěna před 38 lety, nám však stále zasílá informace z oblasti mimo sluneční soustavu. Sondy Voyager jsou schopny efektivně zpracovat 81 000 instrukcí každou sekundu, ale v průměru jsou smartphony 7 000krát rychlejší.
Vaše mobilní telefony se samozřejmě rodí, že se mají dobíjet pravidelně, a je nepravděpodobné, že by za několik milionů kilometrů odcházely k nejbližšímu obchodu. Není praktické dobíjet kosmickou loď, která je 100 milionů kilometrů od nejbližší stanice. Místo toho musí být kosmická loď schopna uchovat nebo generovat dostatek energie, aby mohla navigovat vesmír po celá desetiletí. A to, jak se ukázalo, je obtížné zajistit.
Zatímco některé palubní systémy vyžadují energii jen občas, jiné musí být neustále v provozu. Transpondéry a přijímače musí být vždy aktivní a v případě letu nebo vesmírné stanice s posádkou musí také fungovat systémy pro podporu života a osvětlení.
Rao Surampudi je programový manažer pro energetické technologie v Jet Propulsion Laboratory v Kalifornském technologickém institutu. Více než 30 let vyvíjí napájecí systémy pro různé kosmické lodě NASA.
Podle Surampudi představují energetické systémy kosmických lodí přibližně 30% přepravní hmoty a lze je rozdělit do tří důležitých podskupin:
výroba elektřiny;
Propagační video:
zásobárna energie;
správa a distribuce energie
Tyto systémy jsou rozhodující pro fungování kosmické lodi. Musí mít nízkou hmotnost, žít dlouho a být „energeticky hustí“, to znamená, vyrábět hodně energie z relativně malých objemů. Také musí být docela spolehlivé, protože některé věci ve vesmíru by byly téměř nereálné nebo nepraktické opravit.
Tyto systémy musí být nejen schopné dodávat energii všem potřebám na palubě, ale také během celé mise - některé z nich mohou trvat desítky nebo stovky let.
"Průměrná délka života musí být dlouhá, protože pokud se něco pokazí, nemůžete to napravit," říká Surampudi. "Bude to trvat pět až sedm let, než se dostanu k Jupiteru, více než deset let k Plutu, ale opuštění sluneční soustavy je 20-30 let."
Vzhledem k jedinečnému prostředí, ve kterém fungují, musí být napájecí systémy kosmické lodi schopny pracovat při nulové gravitaci a ve vakuu, stejně jako odolávat kolosálnímu záření (obvykle elektronika v takových podmínkách nefunguje). "Pokud přistanete na Venuši, teploty mohou dosáhnout 460 stupňů Celsia, ale na Jupiteru mohou klesnout na -150 stupňů."
Kosmická loď, která směřuje do středu naší sluneční soustavy, dostane pro své fotovoltaické panely hodně sluneční energie. Solární panely kosmických lodí mohou vypadat jako běžné solární panely pro naše domácnosti, ale jsou navrženy tak, aby fungovaly efektivněji než doma.
Náhlý nárůst teploty v těsné blízkosti slunce může také způsobit přehřátí solárních panelů. To je zmírněno otáčením solárních panelů od Slunce, což omezuje vystavení intenzivním paprskům.
Když kosmická loď vstoupí na oběžnou dráhu planety, solární články jsou méně účinné; kvůli zatměním a průchodu stínem planety nemohou generovat mnoho energie. Je zapotřebí spolehlivý systém skladování energie.
Atomy reagují
Jedním takovým typem systému skladování energie jsou nikl-vodíkové baterie, které lze dobíjet více než 50 000krát a jejich životnost je více než 15 let. Na rozdíl od komerčních baterií, které nepracují ve vesmíru, jsou tyto baterie hermeticky uzavřené systémy, které mohou pracovat ve vakuu.
Když odlétáte od Slunce, sluneční záření postupně klesá z 1,374 W / m2 kolem Země na 50 W / m2 poblíž Jupiteru, zatímco Pluto již dosahuje přibližně 1 W / m2. Když tedy kosmická loď letí z Jupiterovy oběžné dráhy, vědci se obrátí na atomové systémy, aby poskytli energii kosmické lodi.
Nejběžnějším typem jsou termoelektrické generátory radioizotopů (zkráceně RTG), které byly použity na Voyager, Cassini a na rovinu zvědavosti. Jsou to polovodičová zařízení, která nemají žádné pohyblivé součásti. Vytvářejí teplo během radioaktivního rozkladu prvků, jako je plutonium, a jejich životnost je více než 30 let.
Pokud použití RTG není možné - například pokud hmotnost stínění potřebného k ochraně posádky činí přístroj nepraktickým - a vzdálenost od Slunce vylučuje použití solárních panelů, pak se palivové články změní.
Během vesmírných misí Apollo a Gemini byly použity palivové články s vodíkovým kyslíkem. Ačkoliv palivové články s vodíkovým kyslíkem nemohou být znovu nabity, mají vysokou specifickou energii a nezanechávají nic jiného než vodu, aby mohli astronauti pít.
Průběžný výzkum NASA a JPL umožní budoucím energetickým systémům vyrábět a ukládat více energie s využitím méně místa a na delší dobu. Nicméně nová kosmická loď vyžaduje stále více rezerv, protože jejich palubní systémy jsou složitější a mají hlad po energii.
Vysoké energetické požadavky jsou zvláště pravdivé, když kosmická loď používá elektrický pohonný systém, jako je iontový pohon, poprvé dodaný do Deep Space 1 v roce 1998 a stále úspěšně použitý na kosmické lodi. Elektrické pohonné systémy obvykle vypuzují palivo s elektřinou vysokou rychlostí, ale jiní používají elektrodynamická lana, která interagují s magnetickými poli planety, aby pohybovala kosmickou lodí.
Většina energetických systémů na Zemi nebude fungovat ve vesmíru. Proto musí být jakýkoli nový napájecí systém před instalací do kosmické lodi důkladně otestován. NASA a JPL používají své laboratoře k simulaci drsných podmínek, v nichž bude tato nová technologie fungovat, bombardují nové komponenty a systémy radiací a vystavují je extrémním teplotám.
Extra život
Stirlingové radioizotopové generátory se v současné době připravují na budoucí mise. Na základě stávajících RTG jsou tyto generátory mnohem účinnější než jejich termoelektrické sourozenci a mohou být mnohem menší, i když se složitějším uspořádáním.
Vyvíjejí se také nové typy baterií pro plánovanou misi NASA v Evropě (jedna z měsíců Jupiteru). Musí pracovat v teplotním rozmezí -80 až -100 stupňů Celsia. Studuje se možnost vytvoření pokročilých lithium-iontových baterií s dvojnásobkem uložené energie. Mohli by dovolit astronautům utratit dvakrát tak dlouho na Měsíci, než dojde baterie.
Vyvíjejí se nové solární panely, které budou schopny pracovat v podmínkách snížené intenzity světla a teplot, to znamená, že kosmická loď bude schopna pracovat na sluneční energii dále od Slunce.
Jednoho dne se NASA konečně rozhodne postavit trvalou základnu na Marsu s lidmi a možná na jiné planetě. Agentura bude potřebovat systémy výroby energie, které jsou mnohem silnější než ty stávající.
Měsíc je bohatý na helium-3, vzácný prvek na Zemi, který by mohl být ideálním palivem pro jadernou fúzi. Dosud však taková syntéza není považována za dostatečně stabilní nebo spolehlivou k tomu, aby vytvořila základ pro dodávku energie kosmické lodi. Kromě toho je typický fúzní reaktor, jako je tokamak, přibližně o velikosti domu a nezapadá do kosmické lodi.
A co jaderné reaktory, které by byly ideální pro kosmické lodě s elektrickým pohonem a plánované mise, aby přistály na Měsíci a na Marsu? Namísto toho, aby do kolonie byl přiveden samostatný napájecí systém, mohl být použit jaderný generátor kosmické lodi.
Kosmická loď s jaderně-elektrickým typem motoru je v budoucnu považována za dlouhodobou misi. "Mise přesměrování asteroidů bude vyžadovat silné solární panely, které poskytnou dostatek elektrického pohonu pro kosmickou loď k manévrování kolem asteroidu," říká Surampudi. "V určitém okamžiku jsme ji chtěli spustit na sluneční energii, ale s jadernou energií bude všechno mnohem levnější."
Vesmírnou loď s jaderným pohonem však mnoho let neuvidíme. "Technologie ještě nedospěla," říká Surampudi. "Musíme se ujistit, že jsou po startu bezpečné." Budou muset podstoupit přísné zkoušky, aby prokázali, zda je bezpečné vystavit taková jaderná zařízení náročným zkouškám vesmíru. ““
Nové systémy dodávek energie umožní kosmické lodi pracovat déle a cestovat dále, ale stále jsou pouze na začátku svého vývoje. Při testování se stanou důležitými součástmi misí s posádkou na Marsu a dále.