Человечество пока чисто технически не готово к сверхдальним полетам
Недостаточно запустить спутник в космос. Необходимо, чтобы он работал на орбите, и для этого нужно снабжать его аппаратуру электроэнергией. За шесть десятков лет система энергоснабжения космических аппаратов претерпела значительные изменения.
От Солнца
Первый искусственный спутник Земли, доставленный на орбиту 4 октября 1957 года ракетой-носителем Р-7, передавал в земной эфир «бипанье» на двух частотах – 20 и 40 мегагерц. Для чего использовались два передатчика, каждый из которых потреблял мощность семь ватт, выдавая в эфир одноваттный сигнал. Также нужно было запитывать вентилятор, который необходим для охлаждения ламповых приемников при превышении рабочего температурного порога. Пиковое потребление мощности составляло порядка 40 ватт.
Питание «космической радиостанции» на протяжении трех месяцев обеспечивали две батареи из серебряно-цинковых аккумуляторов. Анодная батарея с напряжением 130 вольт имела емкость 30 ампер/час, накальная с напряжением 7,5 вольта – 140 ампер/час. Так вот на долю батарей приходилась большая часть массы спутника – 50 килограммов из 83,6 килограмма. У американцев соотношение масс в первом спутнике было иным за счет того, что, во-первых, использовался транзисторный передатчик с низким энергопотреблением, а во-вторых, уровень выходного сигнала был меньше, чем у советского, в 30 раз.
Первый спутник был по сути демонстрационным. Столь расточительное расходование объема и массы полезной нагрузки, выводимой в космос, не допускало продолжительное использование космического аппарата для решения каких-либо исследовательских целей. Аккумуляторы были уместны и во втором спутнике с собакой Лайкой, который не предполагал длительного функционирования его систем.
“ В настоящий момент идет работа создания ядерного реактора, который работал бы 10 лет. Но для сверхдальних полетов это не так уж и много ”
В третьем спутнике, запущенном 15 мая 1958 года, основным источником энергии, обеспечивавшим работу 12 приборов и связь с Землей, были опять использованы аккумуляторы. И они прослужили лишь три недели. Однако в качестве экспериментальных были установлены панели солнечных батарей.
Именно это направление в дальнейшем стало основным для того, чтобы снабжать энергией большую часть околоземных космических аппаратов, работа которых не требует повышенных энергозатрат. Правда, в дальнем космосе все гораздо сложнее.
Солнце – это неисчерпаемый источник энергии, которая выделяется в виде беспрерывного потока фотонов. Чем ближе к Солнцу, тем этот поток плотнее. На расстоянии до Земли (до входа в атмосферу) на один квадратный метр приходится энергия 1360 ватт. У поверхности Земли за счет атмосферного поглощения и ряда оптических явлений интенсивность потока даже при ясной погоде снижается примерно до 1000 ватт на квадратный метр.
В солнечной батарее происходит преобразование солнечной (световой) энергии в электрическую за счет открытого еще в позапрошлом веке фотоэлектрического эффекта. Его суть состоит в том, что фотоны, бомбардируя материал солнечной батареи, вышибают из него электроны, которые и создают электрический ток.
Классическим материалом для преобразователя считается кристаллический кремний. Используя его, удается достичь КПД порядка 8–13 процентов. То есть с квадратного метра батареи получат от 110 до 180 ватт. Именно такие батареи и применялись при реализации первых космических программ.
Построенные на базе кремния преобразователи состоят из двух слоев, один из которых – чистый, беспримесный, а второй – легированный. Таким образом получают p-n-переход. То есть как и в диоде.
Впоследствии стали использоваться более сложные подложки – двухслойные с применением других химических элементов. А затем и трехслойные, значительный выигрыш эффективности в которых получается от использования ныне модного арсенида галлия. И теперь КПД возрос до 20–25 процентов. То есть с квадратного метра удается снимать 340 ватт. Ну а в исследовательских лабораториях уже штурмуют 40-процентный рубеж.
Солнечные батареи обладают целым рядом достоинств. Об одном мы уже сказали – использование для преобразования практически вечного источника световой энергии. Помимо этого, они способны работать несколько лет, чуть ли не до десяти, без технического обслуживания. А также на их работу существенного влияния не оказывают дестабилизирующие факторы.
Однако эти самые факторы медленно, но верно приводят к деградации фотослоя, к снижению КПД. К ним относятся столкновение с мельчайшими твердыми частицами, радиационное облучение, возрастающее при солнечных вспышках, резкое изменение температуры при переходе из теневого участка орбиты на освещенный и обратно. Конструкторы пытаются свести к минимуму результаты таких воздействий, но окончательно искоренить их невозможно.
Сплошная химия
Как правило, в системах электропитания, использующих солнечные батареи, применяются и аккумуляторы, которые поддерживают работу систем, когда спутник переходит в область тени. Решают они и еще одну задачу – оказывают демпфирующее влияние, когда в сети резко меняется нагрузка.
На заре космической эпохи применялись серебряно-цинковые аккумуляторы, которые имели прекрасные по тем временам энергомассовые характеристики – 110–120 Вт•ч на килограмм. Однако они по сути были практически одноразовыми, выдерживая лишь до сотни циклов заряда/разряда. При этом по мере эксплуатации их емкость снижалась, и реальная польза от таких аккумуляторов – до момента, когда они не перевалили за 70–80 циклов. Есть и еще два существенных недостатка – длительное время заряда, а также недопустимость перезарядки.
В середине 70-х годов в космосе начали работать никель-водородные аккумуляторы, в которых используется газообразный водород. Они работают до сих пор на целом ряде космических аппаратов. Например, на МКС, на ряде беспилотных станций, исследующих Марс, на знаменитом телескопе «Хаббл». Их удельная энергоемкость ниже, чем у серебряно-цинковых, – 70–80 Вт•ч/кг. Однако достоинства с лихвой перекрывают снижение этого параметра. Главное из них – возможность эксплуатации несколько лет. На «Хаббле» никель-водородные батареи до замены на новые прослужили 19 лет. Данный вторичный химический источник тока допускает 20 тысяч циклов заряда/разряда при 85 процентах эффективности. Никель-водородные аккумуляторы не боятся перезарядки и имеют широкий диапазон рабочих температур. К недостатку относится усиливающийся при высоких температурах саморазряд.
Переход на следующий тип химических источников энергии состоялся благодаря работам трех ученых, которые получили Нобелевскую премию. Вот их имена: англичанин Майкл Стэнли Уиттингем, американец Джон Гуденаф и японец Акира Есино. Их исследования привели к появлению литий-ионных аккумуляторов. Особенность такого аккумулятора в том, что переносчиками заряда в нем являются ионы лития, который в чистом виде не используется. Катод включает в себя химические соединения лития (например, оксид кобальта лития), которые в результате реакции с электролитом выделяют ионы, переносящие заряд между электродами.
Литий-ионные аккумуляторы обладают рекордной на настоящий момент энергоемкостью – 110–250 Вт•ч/кг и имеют большую разность потенциалов, превышающую четыре вольта. А также большие значения выходного тока. Саморазряд – 1,6 процента в месяц. И количество циклов заряда вполне подходящее – 600.
Однако есть существенный недостаток. Когда аккумуляторы, совершенно безопасные в бытовых приборах, собираются в мощные батареи, возникает реальная опасность их возгорания и взрыва. Но с этим в космосе научились справляться, используя электронные системы управления на основе микропроцессоров, отслеживающих протекание процессов в батарее и корректирующих их в случае необходимости.
Литий-ионные батареи для космоса у нас создаются в Краснодаре в компании «Сатурн» с середины нулевых годов. Спустя десять лет они начали устанавливаться как на российские космические аппараты, так и на спутники, построенные для иностранных заказчиков. Емкость полутора десятков сатурновских батарей находится в диапазоне от 11 до 128 ампер/час. Удельная энергоемкость достигает 162 Вт•ч/кг. Номиналы напряжений – от 40 до 83 вольт. Какие-то батареи уже установлены на геостационарных спутниках. Какие-то предназначены для аппаратов, рассчитанных для межпланетных полетов, если, конечно, ведомство Рогозина наконец-то дозреет до решения таких задач, которые вовсю решались в 60–70-е годы.
Существуют сведения о том, что в обозримом будущем должен появиться литий-серный аккумулятор, электрические характеристики которого предположительно будут лучше в два-три раза, чем литий-ионного. Но это чрезвычайно сложная задача, при решении которой используются наноматериалы. Правда, у американцев уже есть лабораторные образцы. Однако от них до серийной продукции расстояние, как от Земли до Луны.
Космические АЭС
Все вышесказанное относится как к орбитальным полетам, так и к исследованию планет, расположенных к Солнцу ближе, чем Земля. Если же лететь в противоположную сторону, то интенсивность светового потока уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца. И следовательно, солнечные батареи вскоре станут бесполезны. Как и аккумуляторы, которые будет нечем подзаряжать.
В данном случае используются источники либо электрохимической энергии (которые не столь эффективны), либо ядерной. Первые эксперименты с ядерным реактором для космоса начались в середине 60-х годов как в СССР, так и в США. И довольно скоро по обе стороны Атлантического океана пришли к единому мнению относительно конструктивно-физических особенностей реактора.
Была выбрана одноконтурная схема, что обеспечивало высокую температуру теплоносителя и облегчало конструкцию. Использовалась реакция с участием быстрых нейтронов. В качестве теплоносителя применялся солевой калий-натриевый расплав. Топливо – уран-235, обогащенный до 90 процентов. Никакой антирадиационной защиты не требовалось, поскольку реактор использовался в необитаемых аппаратах. Впоследствии популярность стали завоевывать жидкометаллические теплоносители, имеющие низкую температуру плавления. Запас топлива был невелик, в связи с чем длительность работы слегка превышала год, на первых же реакторах и того меньше.
В Советском Союзе впервые «для дела», а не для испытаний был использован реактор «Бук», созданный на НПО «Красная звезда» в начале 70-х годов. Он устанавливался на спутники радиолокационной разведки, входящие в систему глобальной морской космической разведки и целеуказания (МКРЦ) «Легенда». Три десятка спутников постоянно наблюдали за океаном, отслеживая перемещение натовских кораблей. Причем и днем, и ночью, то есть круглосуточно. И при переходе спутника в ночную зону, его РЛС запитывалась от реактора, поскольку аккумуляторы не могли дать необходимой мощности.
Однако следует учитывать, что вывод на околоземную орбиту работающих ядерных реакторов – дело небезопасное. И у нас, и у американцев были аварии, которые, к счастью, завершились легким испугом.
В январе 1978 года спутник «Космос-954», входящий в МКРЦ «Легенда», полностью вышел из строя и стал неуправляемым. Попытки вывести его на «орбиту захоронения» оказались безрезультатными. Началось неконтролируемое снижение спутника, на что немедленно среагировало Объединенное командование ПВО североамериканского континента NORAD. Известия о скором падении «русского спутника-убийцы с ядерным зарядом» начали распространять западные СМИ.
24 января спутник разрушился в атмосфере над территорией Канады и его обломки упали на малонаселенную часть провинции Альберта. Надо сказать, что улов, который собрали военные, был внушительным – более сотни фрагментов общей массой 65 килограммов. Радиоактивность некоторых деталей достигала 200 рентген/час. К счастью, никто из жителей не пострадал.
В заключение необходимо сказать, что проблема энергоснабжения сверхдальних пилотируемых полетов до сих пор не решена. В настоящий момент производятся попытки создания ядерного реактора, который работал бы 10 лет. Но для сверхдальних полетов это не так уж и много.
Правда, существуют источники, которые способны работать несколько десятилетий. Именно такой (точнее – три таких) установлен на аппарате «Вояджер-1», который был запущен в 1977 году. И сравнительно недавно он покинул пределы Солнечной системы.
На «Вояджере-1», как и на аналогичном аппарате «Вояджер-2», установлен радиоизотопный термоэлектрический генератор, в который на старте загрузили изотоп плутоний-238. Установка вырабатывает мощность, равную 470 ватт, что достаточно для обеспечения работы научной аппаратуры и связи с Землей.
Но со временем мощность генератора снижается. Арифметика тут такая. Полураспад этого изотопа – 88 лет. Следовательно, через 88 лет выходная мощность снизится до 235 ватт. Правда, зависимость чуть более сложная, она учитывает и технические особенности генератора, преобразующего тепловую энергию в электрическую. Поэтому к настоящему моменту «Вояджер-1» уже потерял половину своей мощности. Однако его приборы будут работать до 2025 года. После чего он, выключившись, будет бесконечно странствовать по Вселенной, неся золотой видеодиск с посланием к неземному разуму.
Владимир Тучков
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 23 (836) за 23 июня 2020 года
