Systémy napájania (napájanie, ak je to jednoduchšie, pretože aj stroje musia niečo jesť) sú dôležitou súčasťou kozmickej lode. Musia pracovať v extrémnych podmienkach a musia byť mimoriadne spoľahliví. Vzhľadom na neustále rastúce energetické požiadavky zložitých kozmických lodí však budeme v budúcnosti potrebovať nové technológie. Misie, ktoré budú trvať desaťročia, budú vyžadovať novú generáciu napájacích zdrojov. Aké možnosti?
Najnovšie mobilné telefóny môžu sotva prežiť deň bez toho, aby boli zapojené do elektrickej zásuvky. Ale sonda Voyager, ktorá bola uvedená na trh pred 38 rokmi, nám stále posiela informácie z oblasti mimo slnečnej sústavy. Sondy Voyager sú schopné efektívne spracovávať 81 000 pokynov každú sekundu, ale v priemere sú smartfóny 7 000 krát rýchlejšie.
Vaše mobilné telefóny sa, samozrejme, rodia, aby sa nabíjali pravidelne, a je nepravdepodobné, že by sa dostali niekoľko miliónov kilometrov od najbližšej predajne. Nie je praktické nabíjať kozmickú loď vzdialenú 100 miliónov kilometrov od najbližšej stanice. Namiesto toho musí byť kozmická loď schopná ukladať alebo generovať dostatok energie na navigáciu vesmírom po celé desaťročia. A ako sa ukázalo, je ťažké to zariadiť.
Zatiaľ čo niektoré palubné systémy potrebujú energiu iba občas, iné musia byť neustále v prevádzke. Transpondéry a prijímače musia byť vždy aktívne a v prípade letu alebo vesmírnej stanice s posádkou musia tiež fungovať systémy na podporu života a osvetlenie.
Rao Surampudi je programový manažér pre energetické technológie v Jet Propulsion Laboratory v Kalifornskom technologickom inštitúte. Už viac ako 30 rokov vyvíja napájacie systémy pre rôzne kozmické lode NASA.
Podľa Surampudiho predstavujú energetické systémy kozmických lodí približne 30% dopravnej hmoty a možno ich rozdeliť do troch dôležitých podskupín:
vytváranie energie;
Propagačné video:
skladovanie energie;
správa a distribúcia energie
Tieto systémy sú rozhodujúce pre fungovanie kozmickej lode. Musia mať nízku hmotnosť, musia žiť dlho a musia byť „energeticky husté“, tj vyrábať veľa energie z relatívne malých objemov. Musia byť tiež celkom spoľahlivé, pretože niektoré veci vo vesmíre by bolo takmer nereálne alebo nepraktické opraviť.
Tieto systémy musia byť nielen schopné poskytovať energiu všetkým potrebám na palube, ale aj počas celej misie - niektoré z nich môžu trvať desiatky alebo stovky rokov.
"Priemerná dĺžka života musí byť dlhá, pretože ak sa niečo pokazí, nemôžete to napraviť," hovorí Surampudi. „Dostať sa do Jupitera bude päť až sedem rokov, viac ako desať rokov do Pluta, ale opustenie slnečnej sústavy bude 20-30 rokov.“
Vzhľadom na jedinečné prostredie, v ktorom pracujú, musia byť napájacie systémy kozmickej lode schopné fungovať pri nulovej gravitácii a vo vákuu, ako aj odolať kolosálnemu žiareniu (zvyčajne v takýchto podmienkach nefunguje elektronika). „Ak pristaneš na Venuši, teploty môžu dosiahnuť 460 stupňov Celzia, ale na Jupitere môžu klesnúť na -150 stupňov.“
Kozmická loď, ktorá smeruje do stredu našej slnečnej sústavy, dostane do svojich fotovoltaických panelov veľa slnečnej energie. Solárne panely kozmických lodí môžu vyzerať ako bežné solárne panely pre naše domácnosti, ale sú navrhnuté tak, aby pracovali efektívnejšie ako doma.
Náhly nárast teploty v tesnej blízkosti Slnka môže tiež spôsobiť prehriatie solárnych panelov. Toto je zmiernené otáčaním solárnych panelov smerom od Slnka, čo obmedzuje vystavenie intenzívnym lúčom.
Keď kozmická loď vstúpi na obežnú dráhu planéty, solárne články sa stanú menej účinnými; nemôžu spôsobiť veľa energie kvôli zatmeniam a prechodu tieňom planéty. Je potrebný spoľahlivý systém uskladnenia energie.
Atómy reagujú
Jedným takým typom systému skladovania energie sú niklovodíkové batérie, ktoré sa môžu nabíjať viac ako 50 000-krát a ich životnosť je viac ako 15 rokov. Na rozdiel od komerčných batérií, ktoré nepracujú vo vesmíre, sú tieto batérie hermeticky uzavreté systémy, ktoré môžu pracovať vo vákuu.
Keď odletíte od Slnka, slnečné žiarenie postupne klesá z 1,374 W / m2 okolo Zeme na 50 W / m2 pri Jupitere, zatiaľ čo Pluto už dosahuje približne 1 W / m2. Preto, keď kozmická loď letí z obežnej dráhy Jupitera, vedci sa obracajú na atómové systémy, aby poskytli kozmickej lodi energiu.
Najbežnejším typom sú rádioizotopové termoelektrické generátory (RTGs v skratke), ktoré sa používali na Voyager, Cassini a Curiosity rover. Sú to polovodičové zariadenia bez pohyblivých častí. Vytvárajú teplo počas rádioaktívneho rozkladu prvkov, ako je plutónium, a ich životnosť je vyše 30 rokov.
Ak nie je možné použiť RTG - napríklad ak hmotnosť tienenia potrebného na ochranu posádky robí vozidlo nepraktickým - a vzdialenosť od Slnka vylučuje použitie solárnych panelov, palivové články sa otočia.
Počas vesmírnych misií Apollo a Gemini boli použité palivové články s vodíkovým kyslíkom. Aj keď palivové články s vodíkovým kyslíkom nie je možné nabíjať, majú vysokú špecifickú energiu a astronauti na pitie nenechávajú nič iné ako vodu.
Prebiehajúci výskum NASA a JPL umožní budúcim energetickým systémom vytvárať a ukladať viac energie s využitím menšieho priestoru a na dlhšiu dobu. Napriek tomu si nové kozmické lode vyžadujú stále viac rezerv, pretože ich palubné systémy sú zložitejšie a majú hlad po energii.
Vysoké energetické požiadavky sú obzvlášť pravdivé, keď kozmická loď používa elektrický pohonný systém, ako je iónový pohon, prvýkrát dodaný do Deep Space 1 v roku 1998 a stále úspešne používaný na kozmickej lodi. Elektrické pohonné systémy obvykle vyhadzujú palivo elektrinou pri vysokej rýchlosti, ale iné používajú elektrodynamické laná, ktoré interagujú s magnetickými poľami planéty, aby pohybovali kozmickou loďou.
Väčšina energetických systémov na Zemi nebude fungovať vo vesmíre. Preto každý nový systém napájania musí byť pred inštaláciou do kozmickej lode dôkladne testovaný. NASA a JPL používajú svoje laboratóriá na simuláciu drsných podmienok, v ktorých bude táto nová technológia fungovať, bombardujú nové komponenty a systémy žiarením a vystavujú ich extrémnym teplotám.
Extra život
Generátory rádioaktívnych izotopov Stirling sa v súčasnosti pripravujú na budúce misie. Na základe existujúcich RTG sú tieto generátory omnoho účinnejšie ako ich termoelektrickí súrodenci a môžu byť omnoho menšie, aj keď s komplexnejším usporiadaním.
Vyvíjajú sa aj nové typy batérií pre plánovanú misiu NASA v Európe (jedna z mesiacov Jupitera). Musia pracovať v teplotnom rozmedzí od -80 do -100 stupňov Celzia. Študuje sa možnosť výroby pokrokových lítium-iónových batérií s dvojnásobkom uloženej energie. Mohli by dovoliť astronautom utrácať dvakrát tak dlho na Mesiaci, než dôjde k vybitiu batérií.
Vyvíjajú sa nové solárne panely, ktoré budú schopné prevádzky v podmienkach zníženej intenzity svetla a teplôt, to znamená, že kozmická loď bude schopná fungovať na slnečnej energii ďalej od Slnka.
Jedného dňa sa NASA nakoniec rozhodne postaviť stálu základňu na Marse s ľuďmi a možno aj na inej planéte. Agentúra bude potrebovať systémy na výrobu energie, ktoré sú oveľa výkonnejšie ako tie existujúce.
Mesiac je bohatý na hélium-3, vzácny prvok na Zemi, ktorý by mohol byť ideálnym palivom pre jadrovú fúziu. Doteraz sa však takáto syntéza nepovažuje za dostatočne stabilnú alebo spoľahlivú na to, aby tvorila základ pre dodávku energie kozmickej lodi. Typický fúzny reaktor, ako napríklad tokamak, má navyše veľkosť domu a nezmestí sa do kozmickej lode.
A čo jadrové reaktory, ktoré by boli ideálne pre elektricky poháňané kozmické lode a plánované misie na pristátie na Mesiaci a Marse? Namiesto toho, aby sa do kolónie priviedol samostatný systém dodávky energie, mohol by sa použiť jadrový generátor kozmickej lode.
Kozmická loď s jadrovo-elektrickým typom motora sa v budúcnosti považuje za dlhodobú misiu. „Misia zameraná na presmerovanie asteroidov bude vyžadovať silné solárne panely, ktoré poskytnú kozmickej lodi dostatočný elektrický pohon na manévrovanie okolo asteroidu,“hovorí Surampudi. "V určitom okamihu sme ju chceli spustiť na solárnu energiu, ale s jadrovou energiou bude všetko oveľa lacnejšie."
Vesmírnu loď s jadrovým pohonom však mnoho rokov neuvidíme. "Táto technológia ešte nedozrela," hovorí Surampudi. „Musíme sa uistiť, že sú po spustení bezpečné.“Budú sa musieť podrobiť prísnym testom, aby preukázali, či je bezpečné vystaviť takéto jadrové zariadenia tvrdým testom vesmíru. ““
Nové systémy dodávok energie umožnia kozmickej lodi pracovať dlhšie a ďalej cestovať, ale stále sú len na začiatku svojho vývoja. Po otestovaní sa stanú rozhodujúcimi súčasťami misií s posádkou na Mars a ďalej.