Vesmírné mise trvající několik desetiletí - nebo i déle - budou vyžadovat novou generaci napájecích zdrojů.
Energetický systém je životně důležitou součástí kosmické lodi. Tyto systémy musí být extrémně spolehlivé a navrženy tak, aby vydržely drsné prostředí.
Dnešní sofistikovaná zařízení vyžadují stále více energie - jaká je budoucnost jejich napájecích zdrojů?
Průměrný moderní smartphone může sotva vydržet den na jedno nabití. A sonda Voyager, spuštěná před 38 lety, stále přenáší signály na Zemi i po opuštění sluneční soustavy.
Počítače Voyager jsou schopné 81 tisíc operací za sekundu - ale procesor smartphonu je sedm tisíckrát rychlejší.
Při navrhování telefonu se samozřejmě předpokládá, že bude pravidelně dobíjen a není pravděpodobné, že by byl několik milionů kilometrů od nejbližší zásuvky.
Nebude fungovat pro nabíjení baterie kosmické lodi, která by podle plánu měla být umístěna sto milionů kilometrů od současného zdroje, nebude fungovat - musí být schopna nosit na palubě baterie s dostatečnou kapacitou, aby fungovala po celá desetiletí, nebo vyráběla elektřinu sama.
Ukázalo se, že je docela obtížné vyřešit takový problém s designem.
Propagační video:
Některá palubní zařízení potřebují pouze čas od času elektřinu, ale jiná musí běžet nepřetržitě.
Přijímače a vysílače musí být vždy zapnuté a v letu s posádkou nebo na vesmírné stanici s posádkou musí být zapnuty také systémy podpory života a osvětlení.
Rao Surampudi vede program energetických technologií v Jet Propulsion Laboratory na Kalifornském technologickém institutu ve Spojených státech. Více než 30 let vyvíjí energetické systémy pro různá vozidla NASA.
Podle něj energetický systém obvykle představuje asi 30% z celkové hmotnosti kosmické lodi. Řeší tři hlavní úkoly:
- výroba elektřiny
- skladování elektřiny
- distribuce elektřiny
Všechny tyto části systému jsou životně důležité pro provoz přístroje. Musí být lehké, odolné a musí mít vysokou „hustotu energie“- to znamená, že vytvářejí hodně energie s poměrně malým objemem.
Kromě toho musí být spolehliví, protože odeslání osoby do vesmíru na opravu poruch je velmi nepraktické.
Systém musí nejen vyrábět dostatek energie pro všechny potřeby, ale také během celého letu - který může trvat celá desetiletí a v budoucnu, možná i po staletí.
"Životnost designu by měla být dlouhá - pokud se něco pokazí, nebude nikdo opravovat," říká Surampudi. "Let do Jupiteru trvá pět až sedm let, do Pluta více než 10 let a opuštění sluneční soustavy trvá 20 až 30 let."
Energetické systémy kosmické lodi jsou ve velmi specifických podmínkách - musí zůstat funkční bez gravitace, ve vakuu, pod vlivem velmi intenzivního záření (které by zneškodnilo většinu konvenčních elektronických zařízení) a extrémních teplot.
"Pokud přistaneš na Venuši, pak bude 460 stupňů přes palubu," říká specialista. "A při přistání na Jupiteru bude teplota minus 150".
Kosmická loď směřující do středu sluneční soustavy nemá dostatek energie shromážděné jejich fotovoltaickými panely.
Tyto panely vypadají trochu jinak než solární panely instalované na střechách bytových domů, ale zároveň pracují s mnohem vyšší účinností.
V blízkosti slunce je velmi horká a FV panely se mohou přehřát. Aby se tomu zabránilo, panely jsou odvráceny od Slunce.
Na planetární oběžné dráze jsou fotovoltaické panely méně účinné: vytvářejí méně energie, protože čas od času jsou oploceny od Slunce samotnou planetou. V takovýchto situacích je zapotřebí spolehlivý systém skladování energie.
Atomové řešení
Takový systém může být postaven na bázi nikl-vodíkových baterií, které vydrží více než 50 000 nabíjecích cyklů a vydrží déle než 15 let.
Na rozdíl od konvenčních baterií, které nepracují ve vesmíru, jsou tyto baterie utěsněny a mohou normálně fungovat ve vakuu.
Se vzdáleností od Slunce přirozeně klesá úroveň slunečního záření: pro Zemi je to 1374 wattů na metr čtvereční, pro Jupiter - 50 a pro Pluto - pouze jeden watt na metr čtvereční.
Pokud tedy kosmická loď opustí orbitu Jupiteru, použije atomové energetické systémy.
Nejběžnější z nich je radioizotopový termoelektrický generátor (RTG) používaný na sondy Voyager a Cassini a na roveru zvědavosti.
V těchto napájecích zdrojích nejsou žádné pohyblivé součásti. Vytvářejí energii rozkladem radioaktivních izotopů, jako je plutonium. Jejich životnost přesahuje 30 let.
Pokud není možné použít RTG (například pokud je pro ochranu posádky před zářením potřeba příliš velká obrazovka, a fotovoltaické panely nejsou vhodné kvůli příliš velké vzdálenosti od Slunce, lze použít palivové články.
Palivové články s vodíkovým kyslíkem byly použity v amerických vesmírných programech Gemini a Apollo. Tyto buňky nelze dobít, ale uvolňují hodně energie a vedlejším produktem tohoto procesu je voda, kterou může posádka pít.
NASA a Jet Propulsion Laboratory pracují na vytvoření výkonnějších, energeticky náročnějších a kompaktnějších systémů s vysokou životností.
Ale nová kosmická loď potřebuje stále více energie: jejich palubní systémy se neustále stávají složitými a spotřebovávají hodně elektřiny.
To platí zejména pro lodě, které používají elektrický pohon - například iontové pohonné zařízení, které bylo poprvé použito na sondě Deep Space 1 v roce 1998 a od té doby se rozšířilo.
Elektromotory obvykle pracují elektrickým vypouštěním paliva vysokou rychlostí, ale existují i takové, které urychlují přístroj prostřednictvím elektrodynamické interakce s magnetickými poli planet.
Většina energetických systémů Země není schopna provozu ve vesmíru. Proto každé nové schéma prochází řadou vážných testů před instalací do kosmické lodi.
Laboratoře NASA znovu vytvářejí drsné podmínky, za kterých bude nové zařízení fungovat: je ozářeno zářením a vystaveno extrémním změnám teploty.
Směrem k novým hranicím
Je možné, že v budoucích letech budou použity vylepšené Stirlingovy radioizotopové generátory. Pracují na principu podobném RTG, ale mnohem efektivnější.
Kromě toho mohou být vyrobeny velmi malé - ačkoli design je dále komplikovaný.
Nové baterie se staví pro plánovaný let NASA do Evropy, jeden z Jupiterových měsíců. Budou schopni pracovat při teplotách od -80 do -100 stupňů.
A nové lithium-iontové baterie, na kterých designéři v současné době pracují, budou mít dvojnásobnou kapacitu než ty současné. S jejich pomocí mohou astronauti například strávit na měsíčním povrchu dvakrát tak dlouho, než se vrátí na loď, aby se dobili.
Navrhují se také nové solární panely, které by mohly účinně shromažďovat energii při nízkém osvětlení a nízkých teplotách - to umožní zařízením na fotovoltaických panelech odletět od Slunce.
V určité fázi má NASA v úmyslu zřídit trvalou základnu na Marsu - a možná i na vzdálenějších planetách.
Energetické systémy takových sídel by měly být mnohem silnější než ty, které se dnes používají ve vesmíru, a měly by být navrženy pro mnohem delší provoz.
Na Měsíci je spousta helia-3 - tento izotop se na Zemi vyskytuje jen zřídka a je ideálním palivem pro termonukleární elektrárny. Dosud však nebylo možné dosáhnout dostatečné stability termonukleární fúze za účelem využití tohoto zdroje energie v kosmické lodi.
Kromě toho současné termonukleární reaktory zabírají oblast hangáru letadla a v této podobě je nelze použít pro kosmické lety.
Je možné použít konvenční jaderné reaktory - zejména ve vozidlech s elektrickým pohonem a při plánovaných misích na Měsíc a Mars?
V tomto případě kolonie nemusí provozovat samostatný zdroj elektřiny - její roli může hrát lodní reaktor.
Pro dlouhodobé lety je možné, že budou použity atomově-elektrické vrtule.
"Asteroidová vychylovací mise vyžaduje, aby velké solární panely měly dostatek elektrické energie k manévrování kolem asteroidu," říká Surampudi. "V současné době uvažujeme o možnosti využití solárního elektrického pohonu, ale atomová elektřina by byla levnější."
Je však nepravděpodobné, že bychom v blízké budoucnosti spatřili jadernou kosmickou loď.
„Tato technologie není dosud dostatečně vyvinuta. Před vypuštěním takového zařízení do vesmíru si musíme být zcela jisti jeho bezpečností, “vysvětluje specialista.
Vyžaduje se další přísné testování, aby se zajistilo, že reaktor je schopen odolat přísným podmínkám kosmického letu.
Všechny tyto slibné energetické systémy umožní kosmickým lodím vydržet déle a létat na velké vzdálenosti - zatím jsou však v raných fázích vývoje.
Po úspěšném dokončení zkoušek se tyto systémy stanou povinnou součástí letů na Mars - a dále.