Kokios technologijos bus išvystytos ateities erdvėlaiviuose?

Energijos tiekimo sistemos yra kritiškai svarbi erdvėlaivių dalis. Jos privalo gebėti veikti ekstremalioje aplinkoje ir būti itin patikimos. Poreikis sudėtingesniems erdvėlaiviams vis auga, tad ateityje prireiks ir patikimesnių energijos tiekimo sistemų. BBC apžvelgia, kokias technologijas tikėtina išvysti ateities erdvėlaiviuose.

Naujausi išmanūs telefonai be įkrovimo ištempia vos dieną, o erdvėlaivis „Voyager“, kuris buvo paleistas prieš 38 metus, mums vis dar siunčia informaciją iš Saulės sistemos pakraščių. „Voyager“ zondai gali kiekvieną sekundę apdoroti 81 tūkst. instrukcijų, tačiau vidutinis išmanusis telefonas yra maždaug 7 tūkst. kartų spartesnis.

Naujausi išmanūs telefonai be įkrovimo ištempia vos dieną, o erdvėlaivis „Voyager“, kuris buvo paleistas prieš 38 metus, mums vis dar siunčia informaciją iš Saulės sistemos pakraščių.

Mūsų išmanūs telefonai sukurti reguliariam įkrovimui ir greičiausiai niekuomet nuo mūsų nenutols per kelis šimtus milijonų kilometrų. Iš naujo įkrauti erdvėlaivį, kai jis nuo mūsų nutolęs per pusantro šimto milijonų kilometrų, yra nepraktiška, todėl erdvėlaiviai turi gebėti arba kaupti, arba generuoti pakankamai energijos, kuri leistų kosmose išbūti šimtmečius.

Tačiau tokį tikslą pasiekti sunku. Kai kurioms skrydžio metu veikiančioms sistemoms energijos reikia tik retsykiais, kitoms – visuomet. Atsakikliai (transponderiai) ir gavikliai skrydžių metu turi būti aktyvūs visą laiką, kaip ir apšvietimas ar gyvybę palaikantys įrenginiai.

Reaktyvinių variklių laboratorijos (Jet Propulsion Labaratory – JPL) programos vadovas dr. Rao Surampudis daugiu nei 30 m. kūrė energijos tiekimo sistemas įvairiems NASA erdvėlaiviams.

NASA/JPL-Caltech iliustr. / Zondas „Voyager 1“ Šios sistemos yra labai svarbios erdvėlaivio veikimui. Jos privalo nedaug sverti, gebėti tarnauti ilgą laiką ir pasižymėti dideliu energijos tankiu. Tai reiškia, kad šios sistemos privalo generuoti didelį kiekį energijos iš mažo tūrio. Taip pat jos turi būti patikimos – siųsti žmones jų taisyti į kosmosą, mažų mažiausiai, būtų nepraktiška.Pasak R.Surampudžio, energijos tiekimo sistemos sudaro maždaug 30 proc. visos jo masės ir gali būti išskaidytos į tris smulkesnes kategorijas: energijos tiekimo, energijos talpinimo, energijos valdymo ir paskirstymo.

Sistemos turi tiekti energiją skrydžio metu reikalingoms funkcijoms per visą misijos laiką – dešimtmečius ar net šimtmečius. Vien iki Plutono kelionė trunka daugiau nei dešimtmetį, o norint išskristi iš Saulės sistemos reikia 20-30 metų.

Dėl unikalios aplinkos erdvėlaivių energijos tiekimo sistemos turi gebėti veikti nesvarumo būsenoje ir vakuume, taip pat atlaikyti itin didelius radiacijos kiekius (paprastai tokiomis sąlygomis elektronikos sistemos neveikia) ir karštį.

„Leidžiantis Veneroje temperatūra galėtų siekti 460 laipsnių Celsijaus, bet jei leistumėmės Jupiteryje, ji siektų -150 laipsnių Celsijaus“, – sakė R.Surampudis.

Saulės sistemos centre judantys erdvėlaiviai turės pakankamai Saulės energijos iš fotovoltaninių Saulės elementų. Erdvėlaivio saulės kolektoriai iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti niekuo nesiskiriantys nuo esančių ant namų stogų, tačiau jų efektyvumas yra kur kas didesnis.

Leidžiantis Veneroje temperatūra galėtų siekti 460 laipsnių Celsijaus, bet jei leistumėmės Jupiteryje, ji siektų -150 laipsnių Celsijaus.

Esant itin didelei temperatūrai, priartėjus prie Saulės, kolektoriai gali perkaisti. Perkaitimo išvengiama kolektorius nusukant nuo Saulės ir sumažinant intensyvių spindulių poveikį.

Kai erdvėlaivis pasiekia planetos orbitą, Saulės spinduliai tampa mažiau efektyvūs: jie nebegali generuoti tiek energijos dėl elipsės, kuria juda, ir dėl to, kad planetos šešėlis užstoja Saulę. Tad reikalingos patikimos energijos talpinimo sistemos.

Atominis atsakymas

Vienas efektyvus energijos talpinimo būdas yra nikelio-vandenilio baterijos, kurios gali būti įkrautos iki 50 tūkst. kartų ir kurių gyvavimo laikas yra didesnis nei 15 metų. Skirtingai nei komercinės baterijos, kurios neveikia kosmose, šios baterijos yra sandarios ir gali veikti vakuume.

Tolstant nuo Saulės jos spinduliuotė mažėja nuo 1,374 vatų kvadratiniame metre šalia Žemės iki 50 vatų kvadratiniame metre šalia Jupiterio, o Plutone spinduliuotė siekia vos vatą kvadratiniame metre.

Taigi kai erdvėlaivis skrenda už Jupiterio orbitos, mokslininkai ima žvalgytis į atomines energijos tiekimo sistemas.

Dažniausiais jų tipas – radioizotopiniai termoelektriniai generatoriai (RTG), kuriuos naudoja „Voyager“, „Cassini“ erdvėlaiviai ir marsaeigis „Curiosity“. Tai yra kietųjų medžiagų įrenginiai, jie neturi judančių dalių. Jie šilumą generuoja iš radioaktyvių elementų, kaip plutonis, nykimo. Plutonis energiją gali tiekti bent trisdešimčiai metų.

Kai RTG naudoti negalima, pavyzdžiui, dėl įgulos apsaugai naudojamo skydo svorio, o saulės kolektoriai negeneruoja energijos dėl didelio atstumo nuo Saulės, galima naudoti degalų elementus.

Vandenilio-deguonies degalų elementai naudoti „Apollo“ ir „Gemini“ kosminėse misijose. Vandeilio-deguonies degalų elementai negali būti įkrauti, jie turi aukštą specifinę energiją ir vienintelė jų emisija yra vandens garai, kuriuos astronautai gali gerti.

NASA ir JPL vykdomi tyrimai ateities energijos sistemoms leis generuoti daugiau energijos, užims mažiau vietos ir veiks ilgiau. Tačiau naujiesiems erdvėlaiviams reikalingi didesni rezervai, nes skrydžio metu veikiančios sistemos tampa itin modernios ir naudoja daug energijos.

Aukštos energijos poreikis ypatingai reikalingas erdvėlaiviuose, kurie naudoja elektra varomas sistemas. Pirmą kartą jos išmėgintis erdvėlaivyje „Depp Space“ 1998-aisiais ir dabar naudojamos dažnai.

Daugelis Žemėje naudojamų energijos tiekimo sistemų kosmose neveiktų, todėl naujos energijos sistemos kruopščiai tikrinamos, kol jas leidžiama įdiegti erdvėlaiviuose. NASA ir JPL laboratorijose simuliuojamos ekstremalios aplinkos sąlygos bombarduodant naujus komponentus ir sistemas radiacija, taip pat paveikiant ekstremaliomis temperatūromis.

Papildoma gyvybė

Naujo tipo baterijos taip pat kuriamos NASA planuojamai misijai į Jupiterio palydovą Europą. Jos sukurtos taip, kad galėtų veikti -80 – -100 laipsnių Celsijaus temperatūroje.

Stirlingo radioizotopų generatoriai dabar ruošiami ateities misijoms. Paremti egzsituojančiomis RTG sistemomis, šie generatoriai yra kur kas efektyvesni nei jų termoelektriniai pusbroliai ir gali būti pagaminti kur kas mažesni, tačiau jų gamyba sudėtinga.

Naujo tipo baterijos taip pat kuriamos NASA planuojamai misijai į Jupiterio palydovą Europą. Jos sukurtos taip, kad galėtų veikti -80 – -100 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Dabar taip pat kuriamos ir pažangios ličio jonų baterijos, kurios leis padvigubinti talpinamos energijos kiekį.

Padidėjęs energijos tankis leis astronautams du kartus ilgiau išbūti, pavyzdžiui, Mėnulyje, iki tol, kol išseks baterijos.

Nauji saulės elementai dabar kuriami taip, kad veiktų tokiomis sąlygomis, kur šviesos intensyvumas ir temperatūra bus itin žemi, todėl erdvėlaiviai galės veikti kur kas toliau nuo Ateityje NASA Marse žada įkurti nuolatinę bazę, taip pat ir kitose planetose. Šios ateities energijos tiekimo sistemos turės būti kur kas didesnės nei dabartinės, kad galėtų generuoti pakankamai energijos ilgesnėms misijoms.

Mėnulyje yra gausu helio-3 – reto elememto Žemėje ir idealaus degalų šaltinio branduolinės sintezės energijai. Vis dėlto branduolinė sintezė kol kas nėra stabili ar pakankamai patikima, kad jos pagrindu kurtos technologijos galėtų aprūpinti erdvėlaivį.

Be to, tipinis branduolinės sintezės reaktorius, toks kaip „Tokamakas“, laikomas erdvėlaivių angaro dydžio pastate ir yra kur kas didesnis, nei reikia erdvėlaiviams.

O kaip dėl branduolinių reaktorių panaudojimo elektra varomiems erdvėlaiviams ir planuojamoms misijoms Mėnulyje ar Marse? Užuot gabenus atskirą energijos generavimo sistemą kolonijai, erdvėlaivio branduolinės energijos generatorius galėtų tapti ir kolonizatorių elektrine.

Branduolinės-elektra varomas erdvėlaivių sistemas svarstoma sukurti ilgesnėms ateities misijoms. Vis dėlto juos erdvėlaiviuose išvysime dar negreit. „Technologija dar nėra pakankamai brandi, – sako R.Surampudis. – Kai ją naudosime, turėsime būti tikri, kad ji patikima.“

Ateityje šios naujos energijos tiekimo sistemos leis erdvėlaiviams skristi ilgiau ir toliau, tačiau jos yra ankstyvose kūrimo stadijose. Kai jos bus paruoštos, taps pagrindiniais komponentais pilotuojamoms misijoms į Marsą ir tolimesnėms kelionėms.