Космическая энергетика это кратко

Обновлено: 02.07.2024

Советский ученый Николай Кардашев полвека назад сформировал шкалу, в которой уровень развития цивилизации определялся количеством используемой энергии. Подход очень логичный — когда человечество осваивало энергию лошади, угля, нефти и атомного распада — каждый раз оно поднималось на новый уровень могущества. Освоение космоса зависит не только от возможностей вывести спутник на орбиту, но и от технологий, позволяющих ему функционировать. И обеспечение энергией космических аппаратов является одной из важнейших граней космонавтики. Какие способы успели придумать люди?

Художник James Vaughan

Постановка задачи

В задаче энергоснабжения космического аппарата можно выделить два критерия, позволяющие наглядно распределить различные подходы. Это мощность и длительность. Действительно, логично, что одни технические решения используются для задачи “много, но недолго” и другие — для “десятилетиями, пусть и немного”. Если взять эти критерии как оси графика, то получится следующая картина:

Spacecraft Power Systems, David W. Miller, John Keesee

Первый спутник отправился в полет с заряженными серебряно-цинковыми аккумуляторами, которые обеспечивали “бип-бип” передатчика 21 день. Решение было логичным — экспериментальные солнечные панели ждали своей очереди на объекте “Д”, который стал “Спутником-3” (запущен 15 мая 1958). Серебряно-цинковые батареи, благодаря высокой плотности энергии и большим токам разряда, нашли широкое применение в космонавтике, а их недостаток — небольшое количество циклов перезарядки неважен в случае, когда батарея используется один раз. Любопытная метаморфоза произошла с кораблем “Союз” — первые корабли летали с солнечными панелями, на модификации 7К-Т (“Союз-10” — “Союз-40”, кроме -13, -16, -19, -22) их убрали, оставив только аккумуляторы с запасом электроэнергии на двое суток, а со следующей модификации “-ТМ” солнечные панели снова вернули и уже насовсем. До сих пор аккумуляторы остаются рациональным решением для аппаратов, которые будут работать не дольше нескольких суток и не требуют больших объемов электричества. Иногда на аппараты ставят даже неперезаряжаемые элементы, например, прыгающий зонд MASCOT, сброшенный с межпланетной станции Hayabusa-2 на астероид Рюгу, использовал литий-тионилхлоридные элементы, которых хватило на 16 часов. Но перезаряжаемые элементы встречаются чаще, с ними удобнее работать, потому что, при необходимости, их можно подзарядить перед запуском без разборки аппарата. Литий-ионные элементы, благодаря своим высоким характеристикам, сейчас получают очень широкое распространение не только в бытовых приборах, но и на космических аппаратах.

Зонд MASCOT станции Hayabusa-2

Если энергии требуется очень много, но на короткое время, имеет смысл применять химические источники. Например, на спейс шаттлах были так называемые APU. Несмотря на полностью совпадающее название с вспомогательной силовой установкой на самолетах, это были специфические устройства. В камере сгорания сжигалось химическое топливо (горючее на основе гидразина и азотный тетраоксид), горячий газ подавался на турбину, а ее вращение создавало давление в гидросистеме шаттла без промежуточного превращения энергии в электричество. Гидравлика поворачивала управляющие поверхности орбитера на этапах выведения на орбиту и посадки. Любопытно, что сейчас плотность энергии литий-ионных батарей достигла таких значений, что появилась ракета-носитель Electron, в которой выполняющий похожую функцию турбонасосный агрегат (устройство для подачи топлива в двигатель) заменили на электрический насос с блоком аккумуляторов. Потери на большей массе батарей компенсировались простотой разработки.

Топливные элементы

Топливный элемент спейс шаттла

Если длительность космического полета не превышает две-три недели, то, в особенности для пилотируемых кораблей, очень привлекательными становятся так называемые топливные элементы. Как известно, водород горит в кислороде с выделением огромного количества тепла, и ракетные двигатели, использующие это, являются одними из наиболее эффективных. А возможность напрямую получать электричество из соединения водорода с кислородом породила источники электроэнергии, применяющиеся, кстати, не только в космонавтике.

Топливный элемент работает следующим образом: водород попадает на анод, становится положительно заряженным ионом и отдает электрон. На катоде ионы водорода получают электроны, соединяются с молекулами кислорода и образуют воду.

Соединив несколько ячеек и подавая больше компонентов, можно легко получить топливный элемент большой мощности. А выделяющуюся в результате работы воду можно использовать для нужд экипажа. Сочетание свойств обусловило выбор топливных элементов для кораблей “Аполлон” (и, кстати, для лунных версий “Союзов“ первоначально выбрали тоже их), шаттлов и “Бурана”.

Стоит отметить, что топливные элементы теоретически могут быть обратимыми, диссоциируя воду на водород и кислород, запасая электроэнергию и работая, фактически, как аккумулятор, но на практике такие решения в космонавтике пока не востребованы.

По имени Солнце

Жизнь на Земле невозможна без солнечной энергии — на свету растут растения, и энергия уходит дальше по пищевой цепочке. И для космонавтики Солнце сразу же стало рассматриваться как доступный и бесплатный источник. Первые спутники с солнечными панелями, Vanguard-1 (США) и “Спутник-3” (СССР), отправились в полет уже в 1958 году.

Прелесть солнечных панелей заключается в непосредственном превращении света в электричество — фотоны, падая на полупроводники, напрямую вызывают движение электронов. Соединяя ячейки последовательно и параллельно, можно получить требуемые значения напряжения и тока.

В космических условиях очень важным является компактность солнечных панелей, например, огромные “крылья” МКС сделаны из очень тонких панелей, которые в транспортировочном положении были сложены гармошкой.

Видео раскрытия панелей МКС

До сих пор солнечные панели остаются наилучшим вариантом, если необходимо снабжать космический аппарат энергией годами. Но, конечно, они, как и любое другое решение, имеют и свои недостатки.

Прежде всего, на низкой околоземной орбите спутник постоянно будет уходить в тень Земли, и необходимо дополнить панели аккумуляторами, чтобы электропитание было непрерывным. Аккумуляторы и дополнительная площадь солнечных панелей для их зарядки на солнечной стороне орбиты заметно увеличивают массу электросистемы спутника.

Далее, мощность солнечного излучения подчиняется закону обратных квадратов: Юпитер в 5 раз дальше Земли, но на его орбите космический аппарат с такими же солнечными панелями будет получать в 25 раз меньше электроэнергии.

Солнечные панели постепенно деградируют в условиях космического излучения, так что на длительные миссии их площадь необходимо рассчитывать с запасом.

Линейное увеличение массы солнечных панелей с ростом требуемой мощности в какой-то момент делает их слишком тяжелыми по сравнению с другими системами.

Альтернатива аккумуляторам

Если вы читали замечательную книгу Нурбея Гулиа “В поисках энергетической капсулы”, то можете помнить, что после долгих поисков идеального аккумулятора он остановился на модифицированных для безопасного разрушения маховиках. Сейчас с успехами литий-ионных батарей эта тема менее интересна, но эксперименты по хранению энергии в раскрученном маховике проводились и в космонавтике. В начале 21 века компания Honeywell проводила эксперименты с маховиками-аккумуляторами. Теоретически это направление может быть интересно еще и тем, что маховики используются в системе ориентации спутника, и можно совместить режимы поддержания требуемого положения в пространстве и хранения энергии.

Сконцентрируй это

Еще на стадии проработки концепта было очевидно, что станция Freedom (после многочисленных изменений реализованная как МКС) будет нуждаться в большом количестве электроэнергии. И расчеты 1989 года показали, что солнечный коллектор сможет сэкономить от 3 до 4 миллиардов долларов (6-8 миллиардов в сегодняшних ценах) по сравнению с электропитанием только от солнечных панелей. Что это за конструкции?

Один из ранних проектов Freedom

Конструкции из шестиугольников по краям — солнечные концентраторы. Зеркала образуют параболоид, собирающий солнечный свет на приемник, расположенный в фокусе. В нем теплоноситель закипает, газ крутит турбину, которая вырабатывает электричество. Панель рядом — радиатор тепла, в котором теплоноситель конденсируется обратно в жидкость.

К сожалению, конструкция, как и многие идеи для станции Freedom, пала жертвой урезания бюджета, и МКС использует только солнечные панели, так что мы не можем на практике узнать, оправдались бы ожидания экономии средств. Стоит отметить, что солнечные коллекторы используются и на Земле, но распространены они в наиболее простой форме без концентрирующих зеркал — их приводы сильно повышают стоимость.

Тепло и электричество

Когда над головой ярко светит Солнце, в космический холод не верится. Действительно, на освещенной стороне Луны температура поднимается выше 100°C. Но вот лунной ночью поверхность охлаждается ниже -100°C. На Марсе средняя температура в районе -60°C. А на орбите Юпитера, как мы уже говорили, Солнце дает только 1/25 того, что достается Земле. И, к счастью для планетоходов и межпланетных станций, есть вариант, при котором удобно обеспечиваются и подогрев и энергообеспечение космического аппарата.

Как известно, у одного и того же вещества может быть много изотопов — атомов, отличающихся только количеством нейтронов в ядре. И есть как стабильные, так и распадающиеся с разной скоростью изотопы. Подобрав элемент с удобным периодом полураспада можно использовать его в качестве источника энергии.

Одним из наиболее популярных изотопов является 238 Pu (плутоний-238). Один грамм чистого плутония-238 генерирует примерно 0,5 Ватта тепла, а период полураспада в 87,7 лет означает, что энергии хватит надолго.

То, что ядерный распад выделяет тепло, означает, что его надо каким-то образом превратить в электричество. Для этого чаще всего используют термопару — сплавленные вместе два различных металла генерируют электричество при неравномерном нагреве. Сочетание источника энергии в виде распадающихся радиоактивных изотопов и термоэлектрических преобразователей дало название “радиоизотопный термоэлектрический генератор” или РИТЭГ.

Схема РИТЭГа

РИТЭГи достаточно широко используются в космонавтике: они вырабатывали электричество для модулей научного оборудования, оставленных на Луне астронавтами “Аполлонов”, распадом изотопов обогревались советские “Луноходы”, на электричестве от РИТЭГа работали марсианские станции “Викинг” и ездит по Марсу “Кьюриосити”. РИТЭГи являются штатным источником электричества для аппаратов, отправляющихся во внешнюю солнечную систему — “Пионеров”, “Вояджеров”, “Новых горизонтов” и других.

РИТЭГи очень удобны тем, что не требуют никакого управления, не имеют движущихся частей и способны работать десятилетиями — “Вояджеры” остаются работоспособными уже более сорока лет, несмотря на необходимость отключения части оборудования из-за снижения выработки электричества. К сожалению, у них есть и недостаток — низкая плотность энергии (мощный РИТЭГ будет слишком много весить) и высокая цена топлива. Остановка производства плутония-238 в США и рост цен повлияли на то, что межпланетная станция “Юнона” отправилась к Юпитеру с огромными солнечными панелями.

Ядерные технологии обязательно поднимают вопросы безопасности, и у РИТЭГов уже давно есть сформировавшиеся технологии ее обеспечения. После 1964 года, когда авария американской ракеты-носителя со спутником, питавшимся от РИТЭГа, привела к заметному повышению радиационного фона по всей планете, РИТЭГи стали упаковывать в капсулы, выдерживающие падение в атмосфере, и последующие аварии заметных следов не оставили.

Сложности превращений

Термоэлектрический генератор является не единственным вариантом преобразования тепла в электричество. В термоэмиссионных преобразователях нагревается катод вакуумной лампы. Электроны “допрыгивают” до анода, создавая электрический ток. Термофотоэлектрические преобразователи превращают тепло в свет инфракрасного диапазона, который затем преобразуется в электричество аналогично солнечной панели. Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах использует электролит из солей натрия и серы. Двигатель Стирлинга преобразует разницу температур в движение, которое уже затем превращается в электричество генератором.

Реакторы над головой

Из всех известных человечеству управляемых источников энергии, ядерное топливо обладает наибольшей плотностью — один грамм урана способен дать столько же энергии, что 2 тонны нефти или три тонны угля. Поэтому нет ничего удивительного в том, что атомные реакторы выступают многообещающим вариантом, когда необходимо длительно снабжать космический аппарат большим количеством энергии.

Работы над космическими реакторами начали еще в 1960-х. Первым отправился в космос американский SNAP-10A, проработал на орбите 43 дня и был отключен из-за аварии, не относящейся к реактору системы. После этого эстафету принял СССР. Созданные для отслеживания перемещения американских авианосных ударных группировок спутники УС-А системы целеуказания “Легенда” несли на борту ядерный реактор “Бук” для обеспечения энергией активной радиолокационной системы, и их было запущено больше трех десятков. В конце 80-х два раза слетал в космос реактор “Топаз”, использующий меньшее количество ядерного топлива и имеющий большую эффективность — 150 КВт тепловой мощности “Топаза” производили 6 КВт электрической против 100 и 3 у “Бука”. Достигалось это в том числе и использованием другого преобразователя энергии — термоэмиссионного вместо термоэлектрического. Но после 1988 года спутники с атомными реакторами на борту больше не летали.

Возрождение интереса к ядерным реакторам произошло в 21 веке. На Западе это вызвано уменьшением запасов и ростом цены плутония-238 для РИТЭГов. В США разрабатывается реактор Kilopower, задачей которого будет стать аналогом РИТЭГа. Интересной особенностью является то, что реактор спроектирован самоуправляемым и после активации, как и РИТЭГ, не требует присмотра. В России разрабатывается проект ядерной установки мегаваттного класса. В сочетании с электрореактивными двигателями должна получиться конструкция с принципиально новыми возможностями, очень эффективный орбитальный буксир.

Безопасность реакторов построена на других принципах, нежели у РИТЭГов. До запуска реактор чист (уран ядовит, но его можно безопасно брать руками в перчатках), поэтому на случай аварии, наоборот, ставят газогенераторы, надежно разрушающие его в плотных слоях атмосферы. А вот после включения в реакторе начинают накапливаться опасные изотопы, и советские спутники УС-А в случае аварии уводили реактор на высокую орбиту захоронения. Заглушенные реакторы до сих пор летают над нашими головами, но, учитывая срок существования орбит, скорее до них доберутся космические мусорщики будущего и разберут на полезные ресурсы, нежели они сгорят в атмосфере.

Генератор из троса

Как известно, у Земли есть магнитное поле. Оно уже сейчас используется в системах ориентации космических аппаратов, но есть и другой вариант. Если размотать длинный трос, то можно либо получать электричество за счет торможения аппарата, либо разгоняться, пропуская ток через трос.

Силы, действующие на спутник, выпустивший проводящий трос

Пока что наибольшее развитие получила идея торможения аппаратов тросами для уменьшения количества космического мусора, но технически можно и обеспечить таким образом электропитание спутника, пусть и не очень длительное время.

Заключение

Сейчас отрасль систем электропитания космических аппаратов активно развивается. Солнечные панели и аккумуляторы становятся все более эффективными, а возобновление работ над космическими ядерными реакторами дает надежду на появление новых мощных источников электричества.

Космическая энергия – это один из самых загадочных, но в то же время необычайно увлекательных разделов об энергии в целом. Она считается универсальной, способной поставить человека на истинный путь и помочь ему раскрыться в этой жизни.

Космическая энергия появляется из космоса, то есть участков Вселенной за пределами ее небесных тел. Ей пропитано абсолютно все в этом мире: это и воздух, и солнечный свет, и вода, и земля. Также ее иногда трактуют как Божественную энергию. Ведь по представлениям многих религий, мир создан Творцом, Создателем.

Человек и космическая энергия всегда находятся вместе. Мы, сами того не осознавая, пользуемся этой энергией. Она идет на все, абсолютно все процессы: дыхание, сердцебиение, мышление, переваривание пищи, у женщин – на зачатие и рождение ребенка, на чувства и эмоции. Продолжать можно бесконечно. Но важно понять, что космическая энергия человека– это нечто глобальное, масштабное. Мы не видим ее, но живем только благодаря ей. Человек, преобразуя и перерабатывая энергию космоса, испытывает любовь, счастье и другие положительные эмоции.

Нарушения в организме, в его процессах, которые выражаются развитием заболеваний – это проблемы не только на уровне физиологии и анатомии. Большую роль здесь играет и дефицит космической энергии.

Космическая энергия – чудодейственная сила Вселенной

Космическая энергия: что такое и что она может дать человеку?

Это реальная мощная сила жизни, которая, на самом деле, очень многое дает каждому из нас. Она направляет человека в нужном, истинном направлении, помогает ему найти свое призвание в этой жизни. Тот путь, который мы проходим, указан нам энергией космоса. Если же мы пытаемся противиться ему, то ни к чему хорошему это не приведет. В лучшем случае он все равно повернет на путь истинный, который предначертан ему.

Кроме того, космическая энергия позволяет человеку обрести душевную гармонию, с самим собой и окружающим миром. Она освобождает людей от недугов, проблем неудач. Эта энергия как бы подсказывает, является внутренним интеллектом, соединенным с интуицией. Она открывает возможности для человеческого мышления, подсознания, озарения. Главное – это уметь чувствовать ее.

Если рассмотреть с точки зрения религии, то космическая энергия – это частица бога в каждом из нас. А бог – это олицетворение любви, милосердия, спокойствия. Поэтому те, кто живет в ладах с космической энергией, являются очень счастливыми людьми. Некоторые последователи христианства трактуют эту энергию как Святой Дух.

А как зарядиться космической энергией?

Необходимо просто быть ближе к природе, ведь энергия космоса – это окружающая атмосфера. Одним из источников ее является Солнце. Его свет, его тепло дают нам бодрость и силы на весь день. Поэтому в пасмурный день все время хочется спать, падает настроение. Почаще принимайте солнечные ванны, гуляйте! Одновременно в этим Вы зарядитесь космической энергией и через воздух. Также неплохо будет заняться дыхательной гимнастикой, разучить техники правильного дыхания. Следующий источник – это вода, особенно в природных источниках.

Конечно, зарядиться энергией космоса можно в церкви, мечети. Это будет самым эффективным способом. Тот, кто верует в Бога, принимает его в себе, в своем сердце, в своей душе.

Постарайтесь также избавиться от негативных чувств, черт характера: зависти, ревности, гнева, агрессии, раздражительности. Иначе энергия космоса просто не сможет достучаться до глубины Вашей души, Вашего подсознания. Будьте добрее, терпимее к людям. Не осуждайте других. Но и к себе будьте помягче: прекратите корить себя из-за каждого пустяка, думать о себе плохо. И самое главное – любите. Ведь только любовь способна открыть все пути, потоки для проникновения космической энергии. Человек, который любит и любим, светится благодаря энергии космоса. Она заряжает его постоянно.

Как работает космическая энергетика?

Космическая солнечная энергия – это энергия солнца, которая собирается с устройств в космическом пространстве. Собранная энергия затем используется либо для питания того же устройства, космической станции, либо транспортируется обратно на Землю.

В настоящее время преобразование солнечной энергии в электричество происходит с помощью фотоэлектрических элементов на геостационарной орбите вокруг Земли. Затем мощность передается с помощью электромагнитных волн на частоте 2,45 ГГц на выделенные приемные станции на Земле, которые преобразуют энергию обратно в электричество, используемое в локальной сети.

Плюсы космической энергетики

Непрерывность. Одним из основных преимуществ глобальной электростанции является непрерывное производство электроэнергии. В отличие от дневного и ночного циклов солнечных батарей на Земле, космическая энергетика будет постоянно ориентироваться на солнце.
Вторым преимуществом является беспроводная передача энергии в любую точку планеты. Это устранит проблему глобализации электрической сети и позволит динамически распределять электроэнергию в те регионы, куда это требуется.
Развитие технологий. Отрасль космической энергетики стремительно развивается, в будущем усовершенствования будут только ускоряться. Инновации в квантовой физике и нанотехнологиях могут потенциально повысить эффективность солнечных панелей и удвоить электрическую мощность солнечных энергетических систем.
Возобновляемость. Космическая энергия – это возобновляемый источник получения энергии. Ее можно использовать во всех уголках мира. Мы не можем исчерпать вселенскую энергию, в отличие от некоторых других источников энергии. Космическая энергетика будет доступна до тех пор, пока у нас есть солнце.
Поскольку вы будете использовать в качестве электроэнергии ту, которую вырабатывает наше солнце, ваши счета за электроэнергию уменьшатся. Также есть возможность получать платежи за избыточную энергию, которую вы экспортируете обратно в сеть.

Минусы космической энергетики

Стоимость. Первоначальная стоимость покупки солнечной системы довольно высока. Сюда входит оплата солнечных батарей, инвертора, батарей, проводки и установка. Тем не менее, космическая энергетика постоянно развивается, поэтому можно с уверенностью предположить, что цены будут снижаться в будущем.
Зависимость от погоды. Для эффективного сбора солнечной энергии требуется достаточное количество солнечного цвета. База космической энергетики может функционировать и в дождливые, и в солнечные дни, но эффективность работы такой системы падает. Однако в настоящее время разрабатываются проекты, позволяющие мировой электростанции работать с одинаковой производительностью при любой погоде.
Требуется большое количество места. Чем больше электроэнергии вы хотите производить, тем больше солнечных батарей вам понадобится. Солнечные фотоэлектрические панели требуют много места, а некоторые крыши недостаточно велики, чтобы установить достаточное количество солнечных панелей.
Загрязнение окружающей среды. Хотя загрязнение, связанное с космической энергетикой, намного меньше по сравнению с другими источниками энергии, загрязнение возможно. Транспортировка и установка солнечных систем связаны с выбросом парниковых газов. Также некоторые токсичные материалы и опасные продукты, используемые в процессе производства солнечных фотоэлектрических систем, могут косвенно влиять на окружающую среду.
Космическое пространство создает много потенциальных опасностей для солнечных панелей: космический мусор, космическая пыль, астероиды и экстремальное солнечное излучение. Всё это может быть очень вредно для целостности системы.

Вывод

Космическая энергетика – это очень сложная интегрированная система, которая требует многочисленных значительных достижений в современных технологиях. Уже более 20 лет назад была разработана технологическая карта, определяющая потенциальные пути достижения популяризации космической энергетики.

Возможно, в ближайшее время люди смогут поместить какой-нибудь механизм в космическое пространство, чтобы непрерывно получать энергию и передавать ее на Землю. А получив энергию на Земле через ректенну, люди смогут распределить энергию с помощью стандартных методов. Ученые ищут пути оптимизации работы космической электростанции: строительства, отправки механизмов в космос, системы слежения за ними и своевременного ремонта.

По прогнозам ученых вселенские электростанции вряд ли заменят традиционные источники получения материала. Но в качестве альтернативного или запасного источника очень хорошо подходит. Космическую электростанцию можно будет сделать запасным пунктом использования энергии в жизненно важных заведениях. Разработка такого способа получения энергии значительно упростит жизнь всему обществу. Осталось только дождаться правильной реализации данной идеи.

Космическая энергетика представляет собой использование солнечного излучения из космоса в качестве источника энергии. Человечество не способно пока в полной мере овладеть данным видом энергетики. Между тем существуют причины, которые подталкивают специалистов как можно быстрее освоить данное направление. Например, одной из них является прогнозируемое истощение мировых газовых, угольных и нефтяных запасов.

На нашей планете уже довольно давно существуют электростанции, вырабатывающие электричество за счет энергии солнца, однако из-за таких природных факторов, как запыленность атмосферы, облачность, смена дня и ночи, их эффективность существенно снижается.

Первая идея создания солнечных космических электростанций (СКЭС) появились еще в 60-е года двадцатого века. В 1968 году американский ученый Питер Глейзер запатентовал проект космической энергодобывающей станции, однако никто в серьез к нему не отнесся.

Стоит отметить, что ни одни американцы взялись за реализацию проекта СКЭС. Помимо них, в 2009 году шестнадцать японских компаний подписали договор о совместной постройке солнечной космической электростанции к 2030 году. Мощность, вырабатываемая станцией, должна будет равняться 1 ГВт. Японцы в 2015 году собираются запустить так называемый пробник солнечной космической электростанции.

Главной задачей ученых является разработать недорогостоящий способ передачи электрической энергий от СКЭС на поверхность Земли. Большинство специалистов склоняется к беспроводному методу передачи электричества с помощью микроволн. Однако как реализовать на практике данный проект ученые пока что не знают.

Появление СКЭС лишит одни государства проблемы острой нехватки электричества, а другие подстрахует на случай аварийных ситуаций при добыче земных ресурсов или при выработке термоядерной энергии. Хочется надеяться, что отечественные специалисты не останутся на периферии мирового научного прогресса и со временем создадут свою собственную СКЭС.

Читайте также: