Солнечные батареи зачастую бывают довольно больших размеров, поэтому сложно подобрать такие объекты недвижимости, на которых их можно было бы разместить. Одна швейцарская компания разработала новый подход и нашла свои пути решения этой проблемы. Компания запускает плавающий остров, покрытый солнечными батареями на озеро Невшатель. Каждый из трех запланированных островов диаметром 25 метров сможет разместить на себе 100 фотоэлектрических панелей, которые будут работать на протяжении следующих 25 лет. Острова так же будут использованы в научно-исследовательских целях.
В последнее время, судоходные компании все чаще и чаще прибегают к использованию интенсивной солнечной энергетики, размещая на борту панели солнечных батарей. Впервые солнечные батареи на корабле были размещены в Шанхае в 2010 году. Корабль был оснащен огромной солнечной батареей, сделанной в виде паруса. По такому же принципу сделана яхта Turanor PlanetSolar, которая совсем недавно завершила кругосветное плавание, используя солнечную энергетику.
Солнечные батареи в небе
2013 года стал рекордным годом по использованию солнечных батарей в качестве источника энергии для самолетов. Компания Solar Impulse разработала самолет, совершивший самый продолжительный полет с использованием солнечной энергии. Самолет пролетел через всю Америку этим летом.
Разумеется, летать на солнечной энергии, пока что могут только небольшие, беспилотные самолеты. Солнечные батареи значительно облегчают конструкцию дронов, и увеличивают время их возможного пребывания в воздухе.
Одним из примеров использования солнечных батарей в воздухе является подъемник, размещенный высоко в горах, который способен подымать людей на вершину горы с помощью солнечной энергии.
Солнечные батареи в космосе
Исследователи Университета Карнеги-Меллона создали прототип разведочного ровера, который в будущем, планируется отправить на Луну, на ракете SpaceX. Устройство, называемое Polaris, полностью работает на солнечной энергии. Polaris будет использован для изучения полярных лунных широт. Ровер оснащен специальным программным обеспечением, которое поможет ему работать в более темных областях спутника.
Вы так же наверняка слышали о большом количестве космического мусора на орбите. Было бы неплохо восстановить эти спутники и вернуть их на землю для ремонта и дальнейшего возвращения на орбиту. Эта идея легла в основу новой концепции Solara, устройства работающего на солнечных батареях и не требующего постоянного ремонта. Атмосферный спутник разработан компанией Titan Aerospace. Solara способен работать в высочайших слоях атмосферы на протяжении пяти лет подряд.
Последней и самой амбициозной надеждой является проект японской фирмы, которая планирует построить массив солнечных батарей вокруг экватора Луны, а затем запустить луч энергии обратно на Землю. На создание «Кольца Луны » уйдет около 30 лет. По предположениям специалистов компании лунное кольцо будет генерировать до 13000 ТВт (тераватт) постоянной энергии.
На днях в Колорадо прошла конференция «Новое поколение суборбитальных исследователей» , на которой обсуждались, в частности, проекты строительства космических солнечных станций. И если раньше подобные идеи никто всерьез не воспринимал, то сейчас они действительно близки к реализации.
Так, Конгресс США готовит план постепенного перехода Америки от ископаемого топлива на космическую энергетику. За внедрение проекта будет отвечать специально созданный департамент космоса, активную роль в его работе будут играть NASA, министерство энергетики и другие организации.
До октября нынешнего года министерство юстиции должно представить Конгрессу все необходимые изменения и дополнения к действующему федеральному законодательству, чтобы начать строительство космических солнечных электростанций. В рамках программы на начальном этапе планируется разработать системы ядерных космических двигателей, чтобы применять корабли многоразового использования для космической логистики и строительства гелиоустановок на орбите.
В активной разработке также технологии, позволяющие преобразовать солнечный свет в электричество и телепортировать его на Землю.
В частности, специалисты Калифорнийского технологического института предлагают освещать планету с помощью орбитальных «ковров-самолетов». Это системы из 2 500 панелей толщиной 25 мм и длиной в 2/3 футбольного поля. Элементы такой станции будут доставлять на орбиту ракеты вроде Space Launch System — американской сверхтяжелой ракеты-носителя, разрабатываемой NASA. Космическая электростанция создается в рамках SSPI (Space Solar Power Initiative) — партнерского проекта Калифорнийского технологического университета и компании Northrup Grumman. Последняя инвестировала $17,5 млн, чтобы в течение предстоящих трех лет разработать основные компоненты системы. Инициативу также поддержали исследователи в лаборатории Jet Propulsion в NASA.
По словам профессора Калифорнийского технологического университета Гарри Этуотера , возглавившего Space Solar Power Initiative, «ковры-самолеты» преобразуют солнечную энергию в радиоволны и отправляют их на землю. Энергия будет передаваться по принципу фазированной решетки, которая используется в радарных системах. Это позволит создавать поток, движущийся в любом направлении.
Солнечные панели состоят из плиток, размером 10х10 см и весом около 0,8 г, что обеспечит сравнительно невысокую стоимость запуска конструкции. Каждая плитка станет передавать преобразованную энергию автономно и если одна из них выйдет из строя, остальные будут продолжать работать. Потеря нескольких элементов из-за солнечных вспышек или мелких метеоритов не нанесет вреда электростанции. По расчетам ученых, при массовом производстве стоимость электричества от такого источника будет меньше, чем при использовании угля или природного газа.
Процент наземных солнечных установок в общем балансе энергообеспечения многих стран мира становится все выше. Но возможности таких электростанций ограничены: по ночам и при сильной облачности солнечные батареи утрачивают способность вырабатывать электричество. Поэтому идеальный вариант — разместить гелиоэлектростанции на орбите, где день не сменяется ночью, а облака не создают преград между Солнцем и панелями. Главным преимуществом постройки электростанции в космосе является ее потенциальная эффективность. Солнечные батареи, расположенные в космосе, могут генерировать энергии в десять раз больше батарей, размещенных на поверхности Земли.
Идея орбитальных электростанций разрабатывалась давно, ученые из NASA и Пентагона занимаются подобными исследованиями еще с 60-х годов. Ранее воплощение подобных проектов тормозила высокая стоимость транспортировки, но с развитием технологий космические электростанции могут в обозримом будущем стать реальностью.
Уже есть несколько интересных проектов по строительству солнечных установок на орбите. Кроме Space Solar Power Initiative, американцы разрабатывают орбитальную солнечную панель, которая будет поглощать солнечное излучение и передавать электронные пучки с помощью радиоволн на земной ресивер. Авторами разработки стали специалисты из научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Они построили компактный солнечный модуль, на одной стороне которого оборудована фотовольтаическая панель. Внутри панели установлена электроника, преобразующая прямой ток в радиочастоту для передачи сигнала, другая сторона поддерживает антенну для передачи электронных пучков на Землю.
По словам ведущего автора разработки Поля Джаффе, чем ниже частота электронного пучка, несущего энергию, тем более надежной будет ее передача в плохую погоду. А при частоте 2.45 ГГц, можно получать энергию даже в сезон дождей. Солнечный ресивер обеспечит энергией все военные операции, о дизельных генераторах можно будет навсегда забыть.
США не единственная страна, которая планирует получать электроэнергию из космоса. Жесткая борьба за традиционные энергетические ресурсы заставила многие государства искать альтернативные источники энергии.
Японское агентство по освоению космоса JAXA разработало для установки на орбите Земли фотоэлектрическую платформу. Собранная с помощью установки солнечная энергия станет поступать на приемные станции Земли и преобразовываясь в электричество. Сбор солнечной энергии будет вестись на высоте 36 тыс. км.
Такая система, состоящая из серии наземных и орбитальных станций, должна начать работать уже в 2030 г., ее общая мощность составит 1 ГВт, что сопоставимо со стандартной атомной электростанцией. Для этого в Японии планируется построить искусственный остров длиной 3 км, на котором развернут сеть из 5 млрд антенн для преобразования в электричество радиоволн сверхвысоких частот. Возглавивший разработку научный сотрудник JAXA Сусуми Сасаки уверен, что размещение солнечных аккумуляторов в космосе приведет к революции в энергетике, позволив со временем полностью отказаться от традиционных источников энергии.
Аналогичные планы есть и у Китая, который построит на орбите Земли солнечную электростанцию размером больше, чем Международная космическая станция. Общая площадь солнечных панелей установки составит 5-6 тыс. кв. км. Согласно расчетам экспертов такая станция станет собирать солнечные лучи 99% времени, причем космические гелиопанели смогут генерировать в 10 раз больше электричества на единицу площади, чем наземные аналоги. Предполагается, что для передачи на наземный коллектор вырабатываемая электроэнергия будет преобразовываться в микроволны или лазерный луч. Начало строительства запланировано на 2030 г., стоимость проекта составит около $1 трлн.
Мировые инженеры оценивают возможности строительства солнечных космических электростанций не только на орбите, но и в областях, более близких к Солнцу, возле Меркурия. В этом случае солнечных батарей потребуется почти в 100 раз меньше. При этом приемные устройства можно вынести с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществить эффективную передачу энергии в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
Разрабатываются также проекты лунных солнечных электростанций.
К примеру, японская компания Shimizu предложила создать пояс из солнечных батарей, протянутый по всему экватору Луны на 11 тыс. км и шириной 400 км.
Его разместят на обратной стороне спутника Земли, чтобы система постоянно находилась под солнечными лучами. Связать панели можно будет при помощи обычных силовых кабелей или оптических систем. Генерируемое электричество планируется передавать при помощи больших антенн, а получать при помощи специальных ресиверов на Земле.
В теории проект выглядит прекрасно, остается придумать, как доставить сотни тысяч панелей на спутник Земли и там их установить, а так же как доставлять энергию с Луны на нашу планету, не потеряв по пути значительную ее часть: ведь придется преодолеть 364 тыс. км. Так что идеи создания лунных электростанций слишком далеки от реальности и если они и реализуются, то очень нескоро.
Татьяна Громова
Это фотоэлектрические преобразователи - полупроводниковые устройства, преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток. Проще говоря, это основные элементы устройства, которое мы называем «солнечными батареями». С помощью таких батарей на космических орбитах работают искусственные спутники Земли. Делают такие батареи у нас в Краснодаре - на заводе «Сатурн». Руководство завода пригласило автора этого блога посмотреть на производственный процесс и рассказать о нем у себя в дневнике.
1. Предприятие в Краснодаре входит в структуру Федерального космического агентства, но владеет «Сатурном» компания «Очаково», которая в буквальном смысле спасла это производство в 90-е годы. Владельцы «Очаково» выкупили контрольный пакет акций, который чуть было не ушел к американцам. «Очаково» вложила сюда большие средства, закупила современное оборудование, сумела удержать специалистов и теперь «Сатурн» - один из двух лидеров на российском рынке производства солнечных и аккумуляторных батарей для нужд космической отрасли - гражданской и военной. Вся прибыль, которую получает «Сатурн», остается здесь, в Краснодаре, и идет на развитие производственной базы.
2. Итак, всё начинается здесь - на участке т.н. газофазной эпитаксии. В этом помещении стоит газовый реактор, в котором на подложке из германия в течение трех часов выращивается кристаллический слой, который будет служить основой для будущего фотоэлемента. Стоимость такой установки - около трех миллионов евро.
3. После этого подложке предстоит пройти еще долгий путь: на обе стороны фотоэлемента нанесут электрические контакты (причем, на рабочей стороне контакт будет иметь «рисунок-гребенку», размеры которой тщательно рассчитываются, чтобы обеспечить максимальное прохождение солнечного света), на подложке появится просветляющее покрытие и т.д. - всего более двух десятков технологических операций на различных установках, прежде чем фотоэлемент станет основой солнечной батареи.
4. Вот, например, установка фотолитографии. Здесь на фотоэлементах формируются «рисунки» электрических контактов. Машина производит все операции автоматически, по заданной программе. Здесь и свет соответствующий, который не вредит светочувствительному слою фотоэлемента - как раньше, в эпоху аналоговой фотографии, мы пользовались «красными» лампами.
5. В вакууме установки напыления с помощью электронного луча наносятся электрические контакты и диэлектрики, а также наносятся просветляющие покрытия (они увеличивают ток, вырабатываемый фотоэлементом на 30%).
6. Ну вот, фотоэлемент готов и можно приступать к сборке солнечной батареи. К поверхности фотоэлемента припаиваются шины, чтобы потом соединить их друг с другом, а на них наклеивается защитное стекло, без которого в космосе, в условиях радиации, фотоэлемент может не выдержать нагрузок. И, хотя толщина стекла всего 0,12 мм, батарея с такими фотоэлементами будет долго работать на орбите (на высоких орбитах больше пятнадцати лет).
6a
6b
7. Электрическое соединение фотоэлементов между собой осуществляется серебряными контактами (их называют шинками) толщиной всего 0,02 мм.
8. Чтобы получить нужное напряжение в сети, вырабатываемое солнечной батареей, фотоэлементы соединяются последовательно. Вот так выглядит секция последовательно соединенных фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей - так правильно).
9. Наконец, солнечная батарея собрана. Здесь показана только часть батареи – панель в формате макета. Таких панелей на спутнике может быть до восьми, в зависимости от того, какая нужна мощность. На современных спутниках связи она достигает 10 кВт. Такие панели будут смонтированы на спутнике, в космосе они раскроются, как крылья и с их помощью мы будем смотреть спутниковое телевидение, пользоваться спутниковым интернетом, навигационными системами (спутники «Глонасс» используют краснодарские солнечные батареи).
9a
10. Когда космический аппарат освещается Солнцем, вырабатываемая солнечной батареей электроэнергия питает системы аппарата, а избыток энергии запасается в аккумуляторной батарее. Когда космический аппарат находится в тени от Земли, аппаратом используется электроэнергия, запасенная в аккумуляторной батарее. Никель-водородная батарея, обладая высокой энергоемкостью (60 Вт ч/кг) и практически неисчерпаемым ресурсом, широко используется на космических аппаратах. Производство таких батарей - еще одна часть работы завода «Сатурн».
На этом снимке сборку никель-водородной аккумуляторной батареи производит кавалер медали ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени Анатолий Дмитриевич Панин.
10a
11. Участок сборки никель-водородных аккумуляторов. Начинка аккумулятора подготавливается к размещению в корпусе. Начинка - это положительные и отрицательные электроды, разделённые сепараторной бумагой - в них и происходит преобразование и накопление энергии.
12. Установка для электронно-лучевой сварки в вакууме с помощью которой изготавливается корпус аккумулятора из тонкого металла.
13. Участок цеха, где корпуса и детали аккумуляторов испытываются на воздействие повышенного давления.
В связи с тем, что накопление энергии в аккумуляторе сопровождается образованием водорода, и давление внутри аккумулятора повышается, испытания на герметичность - неотъемлемая часть процесса изготовления аккумуляторов.
14. Корпус никель-водородного аккумулятора - очень важная деталь всего устройства, работающего в космосе. Корпус рассчитан на давление 60 кг·с/см 2 , при испытаниях разрыв произошел при давлении 148 кг·с/см 2 .
15. Проверенные на прочность аккумуляторы заправляют электролитом и водородом, после чего они готовы к работе.
16. Корпус никель-водородной аккумуляторной батареи изготавливается из специального сплава металлов и должен быть механически прочным, легким и обладать высокой теплопроводностью. Аккумуляторы устанавливаются в ячейки и между собой не соприкасаются.
17. Аккумуляторы и собранные из них батареи подвергаются электрическим испытаниям на установках собственного производства. В космосе уже невозможно будет ничего поправить и заменить, поэтому здесь тщательно испытывают каждое изделие.
17a
17b
18. Вся космическая техника подвергается испытаниям на механические воздействия с помощью вибрационных стендов, которые имитируют нагрузки при выведении космического аппарата на орбиту.
18a
19. В целом завод «Сатурн» произвел самое благоприятное впечатление. Производство хорошо организовано, цеха чистые и светлые, народ работает квалифицированный, общаться с такими специалистами - одно удовольствие и очень интересно человеку, хоть в какой-то степени интересующемуся нашим космосом. Уезжал с «Сатурна» в отличном настроении - всегда приятно посмотреть у нас на место, где не занимаются пустой болтовней и не перекладывают бумажки, а делают настоящее, серьезное дело, успешно конкурируют с такими же производителями в других странах. Побольше бы в России такого.
Фотографии: © drugoi
P.S. Блог вице-президента по маркетингу компании «Очаково»
Более шестидесяти лет назад началась эра практической солнечной электроэнергетики. В 1954 году три американских ученых представили миру первые солнечные батареи, полученные на базе кремния. Перспективу получения бесплатной электроэнергии осознали очень быстро, и ведущие научные центры всего мира начали работать над созданием солнечных электроэнергетических установок. Первым «потребителем» солнечных батарей стала космическая отрасль. Именно здесь, как нигде более, нуждались в возобновляемых источниках энергии, так как бортовые батареи на спутниках довольно быстро исчерпывали свой ресурс.
И всего через четыре года солнечные батареи в космосе заступили на бессрочную трудовую вахту. В марте 1958 года США запустили спутник с солнечными батареями на борту. Менее чем через два месяца, 15 мая 1958 года, в Советском Союзе был выведен на эллиптическую орбиту вокруг Земли Спутник-3 с солнечными батареями на борту.
Первая отечественная солнечная электростанция в космосе
Кремниевые панели солнечных батарей были установлены на днище и в носовой части Спутника-3. Такое расположение позволило получать дополнительную электроэнергию практически непрерывно, независимо от положения спутника на орбите относительно солнца.
Третий искусственный спутник. Отчетливо видна солнечная батарея
Бортовые аккумуляторные батареи исчерпали свой ресурс за 20 дней, и 3 июня 1958 года большинство приборов, установленных на спутнике, были обесточены. Однако продолжали работать прибор для изучения излучения Солнца, радиопередатчик, отправляющий на землю получаемую информацию, радиомаяк. После истощения бортовых батарей эти устройства полностью перешли на питание от солнечных батарей. Радиомаяк работал практически тех пор, пока в 1960 году спутник не сгорел в атмосфере Земли.
Развитие отечественной космической фотоэнергетики
Об энергоснабжении космических аппаратов конструкторы задумывались еще на стадии проектирования самых первых ракет-носителей. Ведь в космосе батареи не заменить, значит, срок активной службы космического аппарата обусловлен только емкостью бортовых батарей. Первый и второй искусственные спутники земли были оснащены только бортовыми батареями, которые истощились через несколько недель работы. Начиная с третьего спутника, все последующие космические аппараты были оборудованы солнечными батареями.
Главным разработчиком и изготовителем космических солнечных электростанций было научно-производственное предприятие «Квант». Солнечные панели «Кванта» установлены практически на всех отечественных космических аппаратах. Вначале это были кремниевые солнечные батареи. Их мощность была ограничена как заданными размерами, так и весом. Но затем учеными «Кванта» были разработаны и изготовлены первые в мире солнечные батареи на основе совершенно нового полупроводника – арсенида галлия (GaAs).
Кроме того, были запущены в производство абсолютно новые гелиевые панели, которые не имели аналогов в мире. Этой новинкой стали высокоэффективные гелиевые панели на подложке, имеющей сетчатую или струнную структуру.
Гелиевые панели с сетчатой и струнной подложкой
Специально для установки на космических аппаратах с низкими орбитами были спроектированы и изготовлены кремниевые гелиевые панели с двусторонней чувствительностью. Например, для российского сегмента международной космической станции (космического аппарата «Звезда») были изготовлены панели на кремниевой основе с двусторонней чувствительностью, причем площадь одной панели составляла 72 м².
Солнечная батарея космического аппарата «Звезда»
Были также разработаны на базе аморфного кремния и запущены в производство гибкие солнечные батареи, имеющие прекрасные удельные весовые характеристики: при весе всего 400 г/м² эти батареи вырабатывали электроэнергию с показателем 220 Вт/кг.
Гибкая гелиевая батарея на базе аморфного кремния
Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, в большом объеме проводились наземные исследования и испытания, которые выявляли отрицательные воздействия Большого Космоса на гелиевые панели. Это позволило перейти к изготовлению солнечных батарей для космических аппаратов различных типов со сроком активной работы до 15 лет.
Космические аппараты миссии «Венера»
В ноябре 1965 года с интервалом в четыре дня к нашей ближайшей соседке – Венере – стартовали два космических аппарата – «Венера-2» и «Венера-3». Это были два абсолютно одинаковых космических зонда, основная задача которых состояла в посадке на Венеру. На обоих космических аппаратах были установлены солнечные батареи на основе арсенида галлия, которые хорошо зарекомендовали себя на предыдущих околоземных аппаратах. За время полета вся аппаратура обоих зондов работала бесперебойно. Со станцией «Венера-2» было проведено 26 сеансов связи, со станцией «Венера-3» ─ 63. Таким образом, была подтверждена высочайшая надежность солнечных батарей этого типа.
Из-за сбоев аппаратуры управления была потеряна связь с «Венерой-2», но станция «Венера-3» продолжала свой путь. В конце декабря 1965 по команде с Земли была произведена коррекция траектории, и 1 марта 1966 года станция достигла Венеры.
Данные, полученные в результате полета этих двух станций, были учтены при подготовке новой миссии, и в июне 1967 года к Венере была запущена новая автоматическая станция «Венера-4». Так же, как и две ее предшественницы, она была оборудована арсенид-галлиевыми солнечными батареями общей площадью 2.4 м². Эти батареи поддерживали работу практически всей аппаратуры.
Станция «Венера-4». Внизу – спускаемый аппарат
18 октября 1967 года после отделения спускаемого аппарата и входа его в атмосферу Венеры станция продолжала свою работу на орбите, выполняя в том числе и роль ретранслятора сигналов с радиопередатчика спускаемого аппарата на Землю.
Космические аппараты миссии «Луна»
Солнечными батареями на базе арсенида галлия были «Луноход-1» и «Луноход-2». Солнечные батареи обоих аппаратов были смонтированы на откидывающихся крышках и служили верой и правдой весь срок работы. Причем на «Луноходе-1», программа и ресурс которого были рассчитаны на месяц работы, батареи проработали три месяца, втрое больше запланированного срока.
«Луноход-2» проработал на поверхности Луны чуть более четырех месяцев, пройдя путь в 37 километров. Он мог бы работать еще, если бы не перегрев аппаратуры. Аппарат попал в свежий кратер с рыхлым грунтом. Долго буксовал, но в конце концов смог выбраться на задней передаче. Когда он выбирался из ямы, на крышку с солнечными панелями попало небольшое количество грунта. Для поддержания заданного теплового режима откинутые солнечные панели на ночь опускались на верхнее покрытие аппаратного отсека. После выхода из кратера при закрывании крышки грунт из нее попал на аппаратный отсек, став своеобразным теплоизолятором. Днем температура поднялась выше сотни градусов, аппаратура не выдержала и вышла из строя.
Современные солнечные панели, изготовленные с применением самых современных нанотехнологий, с применением новых полупроводниковых материалов позволили достичь эффективности до 35% при значительном снижении веса. И эти новые гелиевые панели верой и правдой служат на всех аппаратах, отправляемых как на околоземные орбиты, так и в дальний космос.
Любой космический аппарат, особенно предназначенный для длительной миссии, должен быть оснащен собственным источником энергии. В настоящее время широко используются солнечные батареи, фотовольтаические элементы и термоэлектрогенераторы. Однако им на смену уже скоро могут прийти наноспутники, оснащенные электродинамическими тросовыми системами.
Покорение глубокого космоса
Отправляясь в дальнее путешествие на машине, одним из важных аспектов будет постоянное слежение за наличием бензина. Конечно, необходимо тщательно просчитать маршрут, но базовая схема такова: как только его количество подходит к концу, нужно сделать остановку у ближайшей заправочной станции, запастись топливом и ехать дальше. До следующей заправки.
Ракеты и космические аппараты в этом ничем не отличаются от автомобилей – им тоже нужно топливо. Но есть одно «но» – заправок в космосе еще никто не построил. Что делать, если аппарат не просто нужно вывести на орбиту Земли, а совершить действительно длительное путешествие, за пределы Солнечной системы?
Сколько стоит отправить посылку в космос?
Если вы когда-нибудь зададитесь такой целью, вариантов решения проблемы на самом деле немного. Во-первых, можно пожертвовать всевозможным оборудованием на борту и отправить в космос действительно большой запас горючего. Скорее, это даже скорее просто будет гигантский летающий резервуар с топливом – настолько много его понадобится.
Сомневаемся, что вам такой способ придется по вкусу – каждый дополнительный килограмм веса при запуске ракеты обойдется вам очень и очень дорого. Если быть точнее, около десяти тысяч евро. Космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», относящиеся к так называемым «deep space probes» – космическим станциям, исследующим глубокий космос – бороздят Солнечную систему уже сорок лет. При всем желании отправить достаточно топлива для столь серьезных миссий у вас никак не получится по элементарным экономическим причинам. Да и о научной пользе от такого запуска говорить не придется, если от оборудования вроде камер, приемников и передатчиков информации придется по максимуму отказаться.
«Что значит, вы не были на Альфе Центавра?»
Технологии дозаправки в космосе действительно существуют, и в целом используются уже достаточно давно. Топливо доставляется на орбитальные космические станции и даже на отдельные спутники, хотя это сделать уже гораздо сложнее. В любом случае, речь идет именно об объектах, которые находятся на орбите Земли. Как только вы собираетесь преодолеть притяжение родной планеты и отправиться в глубокий космос, ни о какой дозаправке не может быть и речи. Космические заправочные станции – все еще удел научной фантастики, в реальности это и технологически и экономически сложно и крайне невыгодно. И клиентов будет немного.
Остается последний, третий вариант, в котором «каждый сам за себя»: вы каким-то образом вырабатываете энергию на борту своего космического аппарата самостоятельно.
Наследие Эйнштейна
На спутниках, находящихся на низких околоземных орбитах, имеющих высоту над поверхностью планеты в диапазоне от 160 км до 2000 км, или на геосинхронных орбитах, когда период обращения спутника вокруг Земли равен суткам, используются солнечные батареи. Их работа основана на фотовольтаическом (его еще называют фотогальваническим) эффекте, за счет которого при попадании света на некоторые вещества вырабатывается электрический ток.
Фотогальванические решетки имеют мощность от 100 ватт до 300 киловатт и являются относительно недорогим источником энергии с минимальными правилами безопасности при использовании.
Вездесущая радиация
Впервые фотовольтаическая энергия была использована 17 марта 1958 года, когда был запущен спутник «Авангард-1» с шестью солнечными панелями на борту. Они проработали более шести лет, вырабатывая 1 ватт мощности. При этом эффективность этих батарей, то есть отношение вырабатываемой энергии к тому количеству, которое в итоге реально может использоваться для питания приборов, была всего 10 %.
Фотогальванические ячейки необходимо устанавливать таким образом, чтобы покрыть максимальную возможную часть поверхности спутника. Требуется постоянно следить за их положением относительно Солнца – желательно всегда оставаться перпендикулярно падающему излучению, поскольку таким образом вырабатываемый ток будет наибольшим.
Также важно рассчитать, чтобы за время нахождения на Солнце спутник успел накопить достаточно энергии: 40-45% от всего времени путешествия по орбите аппарат находится в тени Земли и вырабатывать ток не может. В целом, на эффективность работы батарей влияет множество факторов, таких как зависимость от температуры, расстояние до светила, деградация электроники под действием постоянного излучения – их все необходимо не забывать принимать в рассмотрение при выборе конкретного типа фотовольтаических ячеек.
Тепло нашего Солнца
В космических аппаратах используются два типа приборов, преобразующих тепло в электроэнергию: статические и динамические. В основе статических термоэлектрогенераторов обычно лежит радиоактивный источник. В динамических термоэлектрогенераторах, активно внедряемых в спутниковых системах GPS, используют щелочные электрохимические ячейки.
В основе данного способа получения энергии лежит эффект Зеебека. Он проявляется, когда соединяются два различных материала, при этом еще и находящиеся при разных температурах. Из-за этих разностей возникает поток электронов из более горячего конца к менее горячему – мы получаем электрический ток. Само устройство для получения энергии называется термоэлементом или термопарой.
У эффекта Зеебека существует и обратное явление, эффект Пельтье, в котором при пропускании электрического тока через сплав двух проводников или полупроводников в одну сторону место соединения нагревается, а в другую – охлаждается. Эффект Пельтье используется в космосе для охлаждения электронного оборудования: из-за отсутствия конвекции в вакууме это оказывается довольно проблематичной задачей.
Для использования эффектов Зеебека и Пельтье, разумеется, необходим источник тепла. Для этого специалисты NASA разработали стандартизированный радиоизотопный термоэлектрический генератор, работающий на плутонии-238 с периодом полураспада 87.7 лет. На данный момент 41 подобный генератор используется на 23 космических аппаратах, мощностью от 2 до 300 ватт. Принципиальный минус использования радиоактивных изотопов – возможность загрязнения окружающей среды, если запуск миссии пройдет неудачно.
Когда не работает GPS – во всем виноват SAMTEC
Более эффективными должны стать динамические электрогенераторы. Их главное отличие от статических состоит в способе превращения механической энергии в электрическую. Если в термоэлектрических элементах тепло напрямую превращается в электричество, то в электрохимических концентрационных элементах для этих целей используется энергия расширения паров натрия.
В спутниках GPS нового поколения были внедрены термоэлектрические преобразователи типа Solar AMTEC (solar alkali metal thermal-to electric conversion – преобразователь тепловой энергии солнца в электрическую на основе щелочных металлов), или, сокращенно SAMTEC.
В генераторах SAMTEC приемник солнечной радиации нагревает резервуар с жидким натрием, который испаряется. Пары натрия пропускаются через специальную мембрану, отделяющую газ высокого давления (температурой 800-1000 о С) от газа низкого давления (температурой 200-300 о С). Из-за разницы давления положительно заряженные ионы натрия скапливаются с одной стороны фильтра, а отрицательно заряженные электроны – с другой. Создаваемая разность потенциалов может генерировать электрический ток в подключенной внешней цепи.
Эффективность ячеек SAMTEC составляет 15-40%, при этом срок действия – 10-12 лет без понижения производительности в условиях постоянного облучения в космосе. Вырабатываемая мощность может варьироваться от нескольких ватт до киловатт.
Космические нити
Космический трос – тонкий металлический канат, прикрепленный к орбитальному или суборбитальному космическому аппарату – ракете, спутнику или космической станции. Длина космических тросов варьируется от нескольких метров до десятков километров (мировой рекорд – чуть более 32 километров). Тросы изготавливаются из особо прочных материалов, выдерживающих гигантские нагрузки.
Космические тросовые системы делятся на две категории – механические и электродинамические. Тросы первой категории используются, в частности, для обмена скоростями и соединения различных космических аппаратов между собой для движения как одно целое.
Для электродинамических тросовых систем используются специальные материалы, не только прочные, но и проводящие электрический ток (обычно алюминий или медь). При движении таких тросов в магнитном поле Земли, на свободные заряды в металлах действует электродвижущая сила, создающая электрический ток. Также вклад в данные процесс дают области ионизованного газа с различными плотностями и свойствами, присутствующие в космосе и наличие ионосферы у самой Земли.
Численные симуляции, подтвержденные экспериментально, показали, что для большого спутника электродинамический трос длиной десять километров может вырабатывать среднюю мощность в 1 киловатт с эффективностью превращения энергии 70-80%. Трос такой длины из алюминия будет весить всего 8 килограмм, что ничтожно по сравнению с весом среднего орбитального аппарата.
Нанокорабль
Космические генераторы разрабатываются и изучаются уже многие десятилетия. Они хорошо описаны с теоретический точки зрения, и подвергаются самым экстремальным земным условиям – но при этом развитие «внеземных» источников энергии идет гораздо медленнее, чем их земных собратьев. Удивительным образом, покорение космоса, идущее в авангарде технологий, оказывается весьма и весьма консервативной областью, в которой внедрение новых разработок происходит редко из-за множества рисков и экономических причин.
Однако мы находимся на заре развития совершенно новой области – наноспутников, и даже спутников гораздо меньшего размера. Они могут служить базой для космических тросовых систем и, запуская в космос сразу множество таких устройств, у нас получится вырабатывать гораздо больше электроэнергии. Возможно, именно им предстоит произвести революцию в области генерации энергии в космосе, расширить технологические возможности космических аппаратов и увеличить время их работы.