Vesmírne misie trvajúce niekoľko desaťročí - alebo aj dlhšie - si budú vyžadovať novú generáciu napájacích zdrojov.
Energetický systém je dôležitou súčasťou kozmickej lode. Tieto systémy musia byť mimoriadne spoľahlivé a navrhnuté tak, aby odolali drsnému prostrediu.
Dnešné sofistikované zariadenia vyžadujú stále viac energie - aká je budúcnosť ich napájacích zdrojov?
Priemerný moderný smartphone môže sotva vydržať deň na jedno nabitie. A sonda Voyager, spustená pred 38 rokmi, stále vysiela signály na Zem aj po opustení slnečnej sústavy.
Počítače Voyager dokážu dosiahnuť 81 tisíc operácií za sekundu - ale procesor smartfónu je sedem tisíc krát rýchlejší.
Pri navrhovaní telefónu sa samozrejme predpokladá, že sa bude pravidelne nabíjať a je nepravdepodobné, že by bol vzdialený niekoľko miliónov kilometrov od najbližšej predajne.
Nebude fungovať na nabíjanie batérie kozmickej lode, ktorá by sa podľa plánu mala nachádzať sto miliónov kilometrov od súčasného zdroja, nebude fungovať - musí byť schopná mať na palube batérie s dostatočnou kapacitou na to, aby fungovala celé desaťročia, alebo vyrábať elektrinu samostatne.
Ukázalo sa, že je také ťažké vyriešiť taký problém s dizajnom.
Propagačné video:
Niektoré palubné zariadenia potrebujú elektrinu iba čas od času, iné však musia bežať nepretržite.
Prijímače a vysielače musia byť vždy zapnuté a musia byť zapnuté aj letové posádky alebo vesmírna stanica s posádkou, systémy na podporu života a osvetlenie.
Rao Surampudi vedie program energetických technológií v Jet Propulsion Laboratory v Kalifornskom technologickom inštitúte v Spojených štátoch. Už viac ako 30 rokov vyvíja energetické systémy pre rôzne vozidlá NASA.
Podľa neho predstavuje energetický systém zvyčajne asi 30% z celkovej hmotnosti kozmickej lode. Rieši tri hlavné úlohy:
- výroba elektrickej energie
- skladovanie elektrickej energie
- distribúcia elektriny
Všetky tieto časti systému sú životne dôležité pre fungovanie prístroja. Musia byť ľahké, odolné a musia mať vysokú „hustotu energie“- to znamená, vytvárať veľa energie s pomerne malým objemom.
Okrem toho musia byť spoľahliví, pretože odoslanie osoby do vesmíru na opravu porúch je veľmi nepraktické.
Systém musí nielen vytvárať dostatok energie pre všetky potreby, ale aj počas celého letu - a môže trvať celé desaťročia a v budúcnosti, možno aj celé storočia.
"Životnosť dizajnu by mala byť dlhá - ak sa niečo pokazí, nebude sa nikto opravovať," hovorí Surampudi. "Let do Jupitera trvá päť až sedem rokov, do Pluta viac ako 10 rokov a odchod zo slnečnej sústavy trvá 20 až 30 rokov."
Energetické systémy kozmickej lode sú vo veľmi špecifických podmienkach - musia zostať funkčné bez gravitácie, vo vákuu, pod vplyvom veľmi intenzívneho žiarenia (ktoré by vyradilo najbežnejšie elektronické zariadenia) a extrémnych teplôt.
„Ak pristaneš na Venuši, potom bude na palube 460 stupňov,“hovorí špecialista. "A keď pristane na Jupitere, teplota bude mínus 150".
Kozmické lode smerujúce do stredu slnečnej sústavy nemajú nedostatok energie zhromaždenej ich fotovoltaickými panelmi.
Tieto panely sa mierne odlišujú od solárnych panelov inštalovaných na strechách obytných budov, ale zároveň pracujú s oveľa vyššou účinnosťou.
V blízkosti Slnka je veľmi horúca a FV panely sa môžu prehriať. Aby sa tomu zabránilo, sú panely otočené smerom od Slnka.
Na planétovej planéte sú fotovoltaické panely menej efektívne: generujú menej energie, pretože sú časom oplotené samotnou planétou od Slnka. V takýchto situáciách je potrebný spoľahlivý systém uskladnenia energie.
Atómový roztok
Takýto systém môže byť postavený na báze niklovo-vodíkových batérií, ktoré vydržia viac ako 50 000 cyklov nabíjania a vydržia viac ako 15 rokov.
Na rozdiel od bežných batérií, ktoré nefungujú vo vesmíre, sú tieto batérie utesnené a môžu normálne fungovať vo vákuu.
So vzdialenosťou od Slnka sa úroveň slnečného žiarenia prirodzene znižuje: pre Zem je to 1374 wattov na meter štvorcový, pre Jupiter - 50 a pre Pluto iba jeden watt na meter štvorcový.
Preto, ak kozmická loď opustí obežnú dráhu Jupitera, použije atómové energetické systémy.
Najbežnejším z nich je rádioizotopový termoelektrický generátor (RTG) používaný na sondy Voyager a Cassini a na rover zvedavosti.
V týchto napájacích zdrojoch nie sú žiadne pohyblivé časti. Generujú energiu rozkladom rádioaktívnych izotopov, ako je plutónium. Ich životnosť presahuje 30 rokov.
Ak nie je možné použiť RTG (napríklad ak je na ochranu posádky pred žiarením potrebná príliš veľká obrazovka, a fotovoltaické panely nie sú vhodné z dôvodu príliš veľkej vzdialenosti od Slnka, môžu sa použiť palivové články.
Vodíko-kyslíkové palivové články sa použili v amerických vesmírnych programoch Gemini a Apollo. Tieto bunky sa nedajú dobiť, ale uvoľňujú veľa energie a vedľajším produktom tohto procesu je voda, ktorú môže posádka piť.
NASA a Jet Propulsion Laboratory pracujú na vytvorení výkonnejších, energeticky náročnejších a kompaktnejších systémov s vysokou životnosťou.
Ale nová kozmická loď potrebuje stále viac energie: ich palubné systémy sa neustále stávajú zložitými a spotrebúvajú veľa elektriny.
Platí to najmä pre lode, ktoré používajú elektrický pohon - napríklad iónový pohonný prístroj, ktorý sa prvýkrát použil na sondu Deep Space 1 v roku 1998 a odvtedy sa široko prijíma.
Elektromotory zvyčajne pracujú tak, že palivo vyhodia elektricky vysokou rýchlosťou, ale existujú také, ktoré urýchľujú prístroj prostredníctvom elektrodynamickej interakcie s magnetickými poľami planét.
Väčšina energetických systémov Zeme nie je schopná fungovať vo vesmíre. Preto každá nová schéma prechádza radom závažných testov pred inštaláciou do kozmickej lode.
Laboratóriá NASA obnovujú tvrdé podmienky, za ktorých bude nové zariadenie fungovať: je ožarované žiarením a vystavené extrémnym zmenám teploty.
Smerom k novým hraniciam
Je možné, že v budúcich letoch sa budú používať vylepšené Stirlingove generátory rádioizotopov. Pracujú na princípe podobnom RTG, ale oveľa efektívnejšie.
Okrem toho môžu byť vyrobené veľmi malé - aj keď dizajn je ďalej komplikovaný.
Nové batérie sa vyrábajú pre plánovaný let NASA do Európy, jednej z Jupiterových mesiacov. Budú schopné pracovať pri teplotách od -80 do -100 stupňov.
A nové lítium-iónové batérie, na ktorých dizajnéri v súčasnosti pracujú, budú mať dvojnásobnú kapacitu ako súčasné batérie. S ich pomocou môžu napríklad astronauti stráviť na lunárnom povrchu dvakrát toľko času, než sa vrátia na loď, aby dobili.
Navrhujú sa aj nové solárne panely, ktoré by mohli efektívne zhromažďovať energiu pri nízkom osvetlení a nízkych teplotách - to umožní zariadeniam na fotovoltaických paneloch odletieť preč od Slnka.
V určitom štádiu má NASA v úmysle zriadiť stálu základňu na Marse - a možno aj na vzdialenejších planétach.
Energetické systémy takýchto sídiel by mali byť oveľa silnejšie ako tie, ktoré sa dnes používajú vo vesmíre, a mali by byť navrhnuté na oveľa dlhšiu prevádzku.
Na mesiaci je veľa hélia 3 - tento izotop sa na Zemi zriedka nachádza a je ideálnym palivom pre termonukleárne elektrárne. Zatiaľ však nebolo možné dosiahnuť dostatočnú stabilitu termonukleárnej fúzie, aby sa tento zdroj energie mohol použiť v kozmickej lodi.
Okrem toho súčasné termonukleárne reaktory zaberajú plochu hangáru lietadla a v tejto podobe nie je možné ich použiť na vesmírne lety.
Je možné použiť konvenčné jadrové reaktory - najmä vo vozidlách s elektrickým pohonom a pri plánovaných misiách na Mesiac a Mars?
V tomto prípade kolónia nemusí prevádzkovať samostatný zdroj elektriny - svoju úlohu môže zohrávať lodný reaktor.
Pri dlhodobých letoch je možné, že sa budú používať atómovo-elektrické vrtule.
"Asteroidová vychyľovacia misia vyžaduje, aby veľké solárne panely mali dostatok elektrickej energie na manévrovanie okolo asteroidu," hovorí Surampudi. „V súčasnosti uvažujeme o možnosti využitia solárneho elektrického pohonu, ale atómovo-elektrická by bola lacnejšia.“
Je však nepravdepodobné, že by sme v blízkej budúcnosti videli kozmickú loď s jadrovým pohonom.
„Táto technológia ešte nie je dostatočne vyvinutá. Pred uvedením takéhoto zariadenia do vesmíru si musíme byť úplne istí jeho bezpečnosťou, “vysvetľuje špecialista.
Vyžaduje sa ďalšie prísne testovanie, aby sa zabezpečilo, že reaktor je schopný odolať prísnym podmienkam vesmírneho letu.
Všetky tieto sľubné energetické systémy umožnia kozmickej lodi vydržať dlhšie a lietať na veľké vzdialenosti - zatiaľ sú však v počiatočných fázach vývoja.
Po úspešnom dokončení skúšok sa tieto systémy stanú povinnou súčasťou letov na Mars - a ďalej.