Mitukümmend aastat või isegi kauem kestvad kosmoseülesanded vajavad uue põlvkonna toiteallikaid.
Elektrisüsteem on kosmoselaeva oluline komponent. Need süsteemid peavad olema äärmiselt töökindlad ja kavandatud vastu pidama karmides tingimustes.
Tänapäevased keerukamad seadmed vajavad üha rohkem energiat - mis on nende toiteallikate tulevik?
Keskmine kaasaegne nutitelefon suudab ühe laadimisega vaevalt ühe päeva vastu pidada. Ja 38 aastat tagasi käivitatud sond Voyager edastab Maale endiselt signaale pärast Päikesesüsteemist lahkumist.
Voyageri arvutid on võimelised tegema 81 tuhat operatsiooni sekundis - nutitelefoni protsessor on aga seitse tuhat korda kiirem.
Telefoni kavandamisel eeldatakse muidugi, et seda laaditakse regulaarselt ja see pole tõenäoliselt lähimast müügikohast mitu miljonit kilomeetrit.
Kosmoseaparaadi aku laadimiseks, mis peaks plaani kohaselt asuma praegusest allikast sada miljonit kilomeetrit, see ei tööta, see ei tööta - see peab olema võimeline kas pardal kandma piisava mahutavusega akusid aastakümneteks töötamiseks või ise elektrit tootma.
Selgub, et sellist kujundusprobleemi on üsna keeruline lahendada.
Reklaamvideo:
Mõned rongisisesed seadmed vajavad aeg-ajalt ainult elektrit, teised aga pidevalt.
Vastuvõtjad ja saatjad peavad olema alati sisse lülitatud ning mehitatud lennul või mehitatud kosmosejaamas peavad olema sisse lülitatud ka pääste- ja valgustussüsteemid.
Dr Rao Surampudi juhib energiatehnoloogia programmi USA California Tehnoloogiainstituudi reaktiivmootorite laboratooriumis. Juba üle 30 aasta on ta arendanud erinevate NASA sõidukite toitesüsteeme.
Tema sõnul moodustab energiasüsteem tavaliselt umbes 30% kosmoselaeva kogumassist. See lahendab kolm peamist ülesannet:
- elektrienergia tootmine
- elektrienergia salvestamine
- elektrijaotus
Kõik need süsteemi osad on aparatuuri tööks üliolulised. Need peavad olema kerged, vastupidavad ja kõrge "energiatihedusega" - see tähendab, et nad tekitavad palju energiat üsna väikese mahuga.
Lisaks peavad need olema usaldusväärsed, kuna inimese saatmine kosmosesse rikkeid fikseerima on väga ebapraktiline.
Süsteem ei pea mitte ainult tootma piisavalt energiat kõigi vajaduste jaoks, vaid tegema seda ka kogu lennu vältel - ja see võib kesta aastakümneid ja tulevikus ehk sajandeid.
"Kujunduse eluiga peaks olema pikk - kui midagi puruneb, pole kedagi remontida," ütleb Surampudi. "Lend Jupiterisse võtab viis kuni seitse aastat, Pluutosse rohkem kui 10 aastat ja päikesesüsteemi lahkumiseks kulub 20 kuni 30 aastat."
Kosmoselaeva toitesüsteemid on väga spetsiifilistes tingimustes - need peavad gravitatsiooni puudumisel, vaakumis, väga intensiivse kiirguse (mis blokeeriks enamiku tavapäraste elektrooniliste seadmete) ja ekstreemsete temperatuuride mõjul töötama.
“Kui maanduda Veenusele, on 460 kraadi üle parda,” ütleb spetsialist. "Ja Jupiterile maandudes on temperatuur miinus 150".
Päikesesüsteemi keskpunkti suunas liikuvatel kosmoselaevadel pole päikesepaneelide poolt kogutud energiat.
Need paneelid näevad välja pisut erinevad kui elamute katustele paigaldatavad päikesepaneelid, kuid samal ajal töötavad need palju suurema tõhususega.
Päikese lähedal on väga kuum ja PV-paneelid võivad üle kuumeneda. Selle vältimiseks pööratakse paneelid Päikesest eemale.
Planeedi orbiidil on fotogalvaanilised paneelid vähem efektiivsed: nad toodavad vähem energiat, kuna aeg-ajalt on need planeedi enda poolt Päikesest eraldatud. Sellistes olukordades on vaja usaldusväärset energiasalvestussüsteemi.
Aatomlahendus
Sellise süsteemi saab üles ehitada nikkel-vesinikpatareide baasil, mis peavad vastu rohkem kui 50 tuhandele laadimistsüklile ja kestavad rohkem kui 15 aastat.
Erinevalt tavalistest akudest, mis kosmoses ei tööta, on need patareid suletud ja saavad normaalselt töötada vaakumis.
Päikesest kaugenedes väheneb päikesekiirguse tase loomulikult: Maa jaoks on see 1374 vatti ruutmeetri kohta, Jupiteri jaoks - 50 ja Pluuto jaoks ainult üks vatt ruutmeetri kohta.
Seega, kui kosmoselaev lahkub Jupiteri orbiidilt, siis kasutab see aatomi jõusüsteeme.
Nendest levinum on radioisotoopse termoelektrigeneraatori (RTG), mida kasutatakse sondidel Voyager ja Cassini ning Curiosity ruuteril.
Nendes toiteallikates pole liikuvaid osi. Nad genereerivad energiat radioaktiivsete isotoopide, näiteks plutooniumi lagunemisel. Nende kasutusiga ületab 30 aastat.
Kui RTG-d on võimatu kasutada (näiteks kui meeskonna kaitsmiseks kiirguse eest on vaja lennu jaoks liiga massiivset ekraani) ja fotogalvaanilised paneelid ei sobi Päikesest liiga suure vahemaa tõttu, siis võib kasutada kütuseelemente.
Vesiniku-hapniku kütuseelemente kasutati Ameerika kosmoseprogrammides Gemini ja Apollo. Neid rakke ei saa uuesti laadida, kuid need vabastavad palju energiat ja selle protsessi kõrvalsaadus on vesi, mida meeskond saab seejärel juua.
NASA ja reaktiivmootorite laboratoorium töötavad suurema võimsusega, võimsamate, energiamahukamate ja kompaktsemate süsteemide loomiseks.
Kuid uued kosmoseaparaadid vajavad üha enam energiat: nende pardal olevad süsteemid muutuvad pidevalt keerukateks ja tarbivad palju elektrit.
See kehtib eriti laevade kohta, mis kasutavad elektriajami - näiteks ioonjõuseade, mida kasutati esimest korda Deep Space 1 sondil 1998. aastal ja on sellest ajast alates laialt levinud.
Elektrimootorid töötavad tavaliselt kütuse väljutamisel suure kiirusega elektriliselt, kuid on ka neid, mis kiirendavad seadet elektrodünaamilise koostoime kaudu planeetide magnetväljadega.
Enamik Maa energiasüsteeme ei ole võimelised kosmoses töötama. Seetõttu läbib iga uus skeem enne kosmoselaevale paigaldamist tõsiste testide seeria.
NASA laboratooriumid taasloovad karmid tingimused, milles uus seade peab töötama: seda kiiritatakse kiirgusega ja seda mõjutavad äärmuslikud temperatuurimuutused.
Uute piiride poole
Võimalik, et tulevastel lendudel kasutatakse täiustatud Stirlingi radioisotoopide generaatoreid. Nad töötavad põhimõttel, mis sarnaneb RTG-ga, kuid palju tõhusamalt.
Lisaks saab neid teha väga väikesteks - kuigi disain on veelgi keerulisem.
Samuti ehitatakse uusi patareisid NASA kavandatud lennuks Euroopasse, mis on üks Jupiteri kuudest. Nad on võimelised töötama temperatuuridel vahemikus -80 kuni -100 kraadi.
Ja uutel liitium-ioonakutel, millega disainerid praegu töötavad, on kahekordne mahutavus kui praegustel. Nende abiga saavad astronaudid näiteks veeta kaks korda pikema kuu pinna kui enne laevale naasmist.
Samuti kavandatakse uusi päikesepaneele, mis suudaksid energiat tõhusalt koguda hämaras ja madalal temperatuuril - see võimaldab fotogalvaaniliste paneelide seadmetel Päikesest eemale lennata.
Mingil etapil kavatseb NASA luua alalise baasi Marsil - ja võib-olla ka kaugematel planeetidel.
Selliste asulate energiasüsteemid peaksid olema palju võimsamad kui tänapäeval kosmoses kasutatavad ja kavandatud palju pikemaks tööks.
Kuul on palju heelium-3 - seda isotoopi leidub Maal harva ja see on ideaalne tuum termotuumaelektrijaamadele. Selle energiaallika kasutamiseks kosmoselaevades ei ole aga veel õnnestunud saavutada termotuumasünteesi piisavat stabiilsust.
Lisaks hõivavad praegu olemasolevad tuumareaktorid lennukite angaari ala ja sellisel kujul on neid võimatu kasutada kosmoselendude jaoks.
Kas on võimalik kasutada tavapäraseid tuumareaktoreid - eriti elektrilise tõukejõuga sõidukites ning kavandatud missioonidel Kuule ja Marsile?
Sel juhul ei pea koloonia töötama eraldi elektrienergia allikaga - oma rolli saab mängida laevareaktor.
Pikaajaliste lendude korral on võimalik, et kasutatakse aatomielektrilisi propellereid.
"Asteroidi läbipaindemissioon nõuab suuri päikesepaneele, et neil oleks piisavalt asteroidi ümber manööverdamiseks vajalikku elektrienergiat," räägib Surampudi. "Praegu kaalume päikeseenergia abil töötava tõukejõu kasutamist, kuid aatomielektriline oleks odavam."
Kuid tõenäoliselt ei näe me lähitulevikus tuumaenergiaga töötavaid kosmoselaevu.
„See tehnoloogia pole veel piisavalt arenenud. Enne sellise seadme kosmosesse laskmist peame olema täiesti kindlad selle ohutuses,”selgitab spetsialist.
Täiendav range testimine on vajalik selleks, et veenduda reaktori suutlikkuses taluda kosmoselennu ohtusid.
Kõik need paljutõotavad energiasüsteemid võimaldavad kosmoselaevadel kauem kesta ja lennata pikki vahemaid - kuid seni on need alles arengujärgus.
Kui testid on edukalt läbitud, muutuvad sellised süsteemid lendudeks Marsile - ja kaugemalegi.
