Toitesüsteemid (toiteallikas, kui see on lihtsam, sest isegi masinad peavad midagi sööma) on kosmoselaeva oluline osa. Nad peavad töötama ekstreemsetes tingimustes ja olema äärmiselt usaldusväärsed. Kuid keerukate kosmoselaevade üha kasvavate energiavajaduste tõttu vajame tulevikus uusi tehnoloogiaid. Lähetused, mis kestavad aastakümneid, vajavad uue põlvkonna toiteallikaid. Millised võimalused?
Uusimad mobiiltelefonid suudavad päevaga vaevalt ellu jääda, ilma et peaksid olema vooluvõrku ühendatud. Kuid 38 aastat tagasi käivitatud sond Voyager saadab meile endiselt teavet väljaspool Päikesesüsteemi. Voyageri sondid on võimelised igal sekundil efektiivselt töötlema 81 000 juhist, kuid nutitelefonid on keskmiselt 7000 korda kiiremad.
Muidugi on teie mobiiltelefonid sündinud regulaarseks laadimiseks ja tõenäoliselt ei lähe need lähimast müügikohast mitu miljonit kilomeetrit. Kosmosesõidukit, mis asub lähimast jaamast 100 miljoni kilomeetri kaugusel, pole otstarbekas laadida. Selle asemel peab kosmoselaev suutma aastakümnete jooksul kosmoses navigeerimiseks piisavalt energiat salvestada või toota. Ja seda, nagu selgus, on keeruline korraldada.
Kui mõned rongisisesed süsteemid vajavad ainult aeg-ajalt energiat, peavad teised pidevalt töötama. Transponderid ja vastuvõtjad peavad olema kogu aeg aktiivsed ning mehitatud lennu- või kosmosejaama puhul peavad töötama ka elutoe- ja valgustussüsteemid.
Dr Rao Surampudi on California tehnoloogiainstituudi jet-tõukejõu laboratooriumi energiatehnoloogia programmijuht. Juba üle 30 aasta on ta arendanud erinevate NASA kosmoselaevade toitesüsteeme.
Surampudi sõnul moodustavad kosmoselaevade energiasüsteemid umbes 30% transpordimassist ja need võib jagada kolmeks oluliseks alarühmaks:
elektritootmine;
Reklaamvideo:
energia salvestamine;
energiahaldus ja jaotus
Need süsteemid on kosmoselaeva toimimise jaoks kriitilise tähtsusega. Neil peab olema väike mass, elada kaua ja olla "energeetiliselt tihe", st toota suhteliselt väikestest kogustest palju energiat. Need peavad olema ka üsna usaldusväärsed, kuna mõnda kosmoses olevat asja on peaaegu ebareaalne või ebapraktiline parandada.
Need süsteemid peavad mitte ainult suutma pakkuda toidet kõigile rongisisestele vajadustele, vaid ka suutma seda teha kogu missiooni vältel - mõned neist võivad kesta kümneid või sadu aastaid.
"Oodatav eluiga peab olema pikk, sest kui midagi läheb valesti, ei saa te seda parandada," ütleb Surampudi. "Jupiterini jõudmiseks kulub viis kuni seitse aastat, Pluutoni rohkem kui kümme aastat, kuid Päikesesüsteemist lahkumine on 20-30 aastat."
Tänu unikaalsele keskkonnale, milles nad töötavad, peavad kosmoselaeva toitesüsteemid suutma töötada nullgravitatsioonis ja vaakumis, samuti vastu pidama kolossaalsele kiirgusele (tavaliselt ei tööta elektroonika sellistes tingimustes). "Kui maanduda Veenusele, võib temperatuur ulatuda 460 kraadini, kuid Jupiteril võib see langeda -150 kraadini."
Kosmosesõiduk, mis liigub meie päikesesüsteemi keskpunkti poole, saab fotogalvaaniliste paneelide jaoks palju päikeseenergiat. Kosmoselaevade päikesepaneelid võivad meie kodudes tunduda tavaliste päikesepaneelidena, kuid need on loodud töötama tõhusamalt kui kodus.
Temperatuuri järsk tõus päikese lähedusest võib põhjustada ka päikesepaneelide ülekuumenemise. Seda leevendab päikesepaneelide pööramine Päikesest eemale, mis piirab kokkupuudet intensiivsete kiirtega.
Kosmoselaeva sisenemisel planeedi orbiidile muutuvad päikesepatareid vähem efektiivseks; nad ei saa nii palju varju tekitada tänu varjutustele ja planeedi varju läbimisele. Vaja on usaldusväärset energiasalvestussüsteemi.
Aatomid vastavad
Üks selline energiasalvestussüsteem on nikkel-vesinikuakud, mida saab laadida enam kui 50 000 korda ja mille eluiga on üle 15 aasta. Erinevalt kommertspatareidest, mis ei tööta kosmoses, on need akud hermeetiliselt suletud süsteemid, mis võivad töötada vaakumis.
Päikesest eemale lennates väheneb päikesekiirgus järk-järgult 1,374 W / m2 kohta Maa ümber 50 W / m2-ni Jupiteri lähedal, samas kui Pluuto ulatub juba umbes 1 W / m2-ni. Seetõttu pöörduvad teadlased, kui Jupiteri orbiidilt välja lendab kosmoselaev, kosmosesõidukile energia saamiseks aatomisüsteemide poole.
Kõige tavalisem tüüp on radioisotoopseid termoelektrilisi generaatoreid (lühikesed RTG-d), mida kasutati Voyageril, Cassinis ja Curiosity roveril. Need on pooljuhtseadmed, millel pole liikuvaid osi. Need tekitavad soojust selliste elementide nagu plutoonium radioaktiivse lagunemise ajal ja nende eluiga on üle 30 aasta.
Kui RTG kasutamine pole võimalik - näiteks kui meeskonna kaitseks vajaliku varjestuse raskus muudab sõiduki ebapraktiliseks - ja kaugus Päikesest välistab päikesepaneelide kasutamise, siis kütuseelemendid pööratakse ümber.
Apollo ja Gemini kosmosemissioonidel kasutati vesiniku-hapniku kütuseelemente. Kuigi vesiniku-hapniku kütuseelemente ei saa laadida, on neil kõrge erienergia ja nad ei jäta astronautidele juua muud kui vett.
NASA ja JPL käimasolevad uuringud võimaldavad tulevastel energiasüsteemidel genereerida ja salvestada rohkem energiat, kasutades vähem ruumi ja pikemat aega. Sellegipoolest vajavad uued kosmoseaparaadid üha rohkem reserve, kuna nende pardal olevad süsteemid muutuvad keerukamaks ja nälga energia järele.
Kõrged energiavajadused kehtivad eriti siis, kui kosmoselaev kasutab sellist elektrilist tõukejõusüsteemi nagu ioonmootor, mis tarniti esmakordselt Deep Space 1 1998. aastal ja mida edukalt kasutatakse kosmoselaevadel. Elektrilised tõukejõusüsteemid väljutavad kütust tavaliselt suure kiirusega elektrienergiaga, kuid teised kasutavad kosmoselaeva liigutamiseks elektrodünaamilisi trosse, mis interakteeruvad planeedi magnetväljadega.
Enamik Maa energiasüsteeme kosmoses ei tööta. Seega tuleb enne kosmoselaevale paigaldamist iga uut toitesüsteemi põhjalikult katsetada. NASA ja JPL kasutavad oma laboreid, et simuleerida karmi keskkonda, milles see uus tehnoloogia töötab, pommitades uusi komponente ja süsteeme kiirgusega ning muutes neid äärmuslikeks temperatuurideks.
Lisaelu
Praegu valmistatakse ette tulevasteks missioonideks segavaid radioisotoopide generaatoreid. Olemasolevatele RTG-dele tuginedes on need generaatorid palju tõhusamad kui nende termoelektrilised õed-vennad ja võivad olla palju väiksemad, ehkki keerukama paigutusega.
NASA kavandatava missiooni jaoks Euroopasse (üks Jupiteri kuudest) töötatakse välja ka uut tüüpi akusid. Need peavad töötama temperatuurivahemikus -80 kuni -100 kraadi Celsiuse järgi. Uuritakse võimalust topelt salvestatud energiaga liitium-ioon akude loomiseks. Nad võiksid lubada astronautidel Kuu peal kaks korda kauem aega veeta, enne kui patareid otsa saavad.
Töötatakse välja uusi päikesepaneele, mis on võimelised töötama vähendatud valguse intensiivsuse ja temperatuuride tingimustes, see tähendab, et kosmoselaev saab töötada Päikesest kaugemal asuva päikeseenergiaga.
Ühel päeval otsustab NASA lõpuks ehitada koos inimestega Marsile ja võib-olla mõnele teisele planeedile püsiva baasi. Agentuur vajab energiatootmise süsteeme, mis on olemasolevatest palju võimsamad.
Kuul on rikas heelium-3, mis on Maa peal haruldane element, mis võiks olla ideaalne tuumasünteesi kütus. Kuid seni ei peeta sellist sünteesi piisavalt stabiilseks ega usaldusväärseks, et luua alus kosmoselaeva toiteallikale. Lisaks on tüüpiline termotuumareaktor, näiteks tokamak, umbes maja suurune ega sobi kosmoselaevale.
Mis saab tuumareaktoritest, mis sobivad ideaalselt elektrimootoriga kosmoselaevade jaoks ja kavandatud missioonide jaoks, et maanduda Kuule ja Marsile? Kolooniasse eraldi toitesüsteemi toomise asemel võiks kasutada kosmoselaeva tuumageneraatorit.
Tuumaelektrilise mootoriga kosmoselaevu kaalutakse tulevikus pikaajaliste missioonide jaoks. "Asteroidi ümbersuunamisülesanne nõuab võimsaid päikesepaneele, mis tagavad kosmoselaevale asteroidi ümber manööverdamiseks piisavalt elektrilist tõukejõudu," ütleb Surampudi. "Mingil hetkel kavatsesime selle päikeseenergia osas käivitada, kuid tuumaenergiaga on kõik palju odavam."
Tuumaenergiaga kosmoselaevu ei näe me aga palju aastaid. "Tehnoloogia pole veel küpsenud," ütleb Surampudi. "Peame veenduma, et need on pärast käivitamist ohutud." Nad peavad läbima ranged katsed, et näidata, kas selliste tuumarajatiste ohutu viibimine kosmose karmides katsetes on ohutu."
Uued energiavarustussüsteemid võimaldavad kosmoselaevadel kauem töötada ja kaugemale reisida, kuid on alles väljatöötamise alguses. Katsetamisel saavad need oluliseks komponendiks mehitatud missioonidel Marsile ja kaugemale.
