Sustavi napajanja (napajanje, ako je jednostavnije, jer čak i strojevi trebaju nešto pojesti) važan su dio svemirske letjelice. Moraju raditi u ekstremnim uvjetima i biti izuzetno pouzdani. Međutim, uz sve veće energetske potrebe složenih svemirskih letjelica, u budućnosti će nam biti potrebne nove tehnologije. Misije koje će trajati desetljećima zahtijevat će novu generaciju napajanja. Koje mogućnosti?
Najnoviji mobilni telefoni jedva preživljavaju dan bez potrebe za uključivanjem u utičnicu. Ali sonda Voyager, lansirana prije 38 godina, i dalje nam šalje informacije izvan Sunčevog sustava. Sonde Voyager sposobne su učinkovito obraditi 81 000 uputa svake sekunde, ali u prosjeku su pametni telefoni 7000 puta brži.
Vaši se mobilni telefoni, naravno, redovito pune i malo je vjerojatno da će prijeći nekoliko milijuna kilometara od najbliže utičnice. Nije praktično napuniti svemirski brod koji je udaljen 100 milijuna kilometara od najbliže stanice. Umjesto toga, svemirska letjelica mora biti sposobna pohranjivati ili stvarati dovoljno energije za kretanje po prostoru desetljećima. A to je, kako se ispostavilo, teško dogovoriti.
Dok neki putnički sustavi povremeno zahtijevaju energiju, drugi se moraju stalno pokretati. Transponderi i prijemnici moraju biti aktivni u svakom trenutku, au slučaju letjelice ili svemirske stanice moraju funkcionirati i sustavi za održavanje i rasvjetu.
Dr. Rao Surampudi je voditelj programa za energetsku tehnologiju u Laboratoriji za mlazni pogon pri Kalifornijskom tehnološkom institutu. Preko 30 godina razvijao je sustave napajanja za razne NASA-ine svemirske letjelice.
Prema Surampudiju, energetski sustavi svemirskih letjelica čine oko 30% transportne mase i mogu se raščlaniti na tri važne podskupine:
proizvodnja energije;
Promotivni video:
Pohrana energije;
upravljanje i distribucija energije
Ti su sustavi kritični za rad svemirskog broda. Moraju imati malu masu, dugo živjeti i biti „energetski guste“, odnosno proizvoditi puno energije iz relativno malih količina. Oni također trebaju biti prilično pouzdani, jer bi neke stvari u svemiru bilo gotovo nerealno ili nepraktično popraviti.
Ovi sustavi moraju biti u stanju pružiti snagu svim brodovima, ali i činiti to tijekom cijele misije - od kojih bi neki mogli trajati desetine ili stotine godina.
"Očekivano trajanje života mora biti dugo, jer ako nešto pođe po zlu, ne možete to popraviti", kaže Surampudi. "Trebat će pet do sedam godina da stignemo do Jupitera, više od deset godina do Plutona, ali napuštanje Sunčevog sustava je 20-30 godina."
Zbog jedinstvenog okruženja u kojem djeluju, sustavi za napajanje svemirskog broda moraju biti u stanju raditi u nultoj gravitaciji i u vakuumu, kao i izdržati kolosalno zračenje (obično elektronika ne radi u takvim uvjetima). "Ako sletite na Veneru, temperature mogu doseći 460 Celzijevih stupnjeva, ali na Jupiteru mogu pasti i do -150 stupnjeva."
Svemirska letjelica koja se kreće prema središtu našeg Sunčevog sustava dobit će puno solarne energije za svoje fotonaponske ploče. Solarni paneli svemirskih letjelica mogu izgledati kao redoviti solarni paneli za naše domove, ali dizajnirani su tako da rade učinkovitije nego kod kuće.
Nagli porast temperature iz neposredne blizine sunca također može uzrokovati pregrijavanje solarnih panela. To se ublažava okretanjem solarnih panela od Sunca, što ograničava izlaganje jakim zrakama.
Kad svemirska letjelica uđe u orbitu planeta, solarne ćelije postaju manje učinkovite; ne mogu stvoriti puno energije zbog pomračenja i prolaska kroz sjenu planete. Potreban je pouzdan sustav skladištenja energije.
Atomi reagiraju
Jedna takva vrsta sustava za skladištenje energije su nikal-vodikove baterije, koje se mogu puniti više od 50 000 puta, a vijek trajanja im je preko 15 godina. Za razliku od komercijalnih baterija, koje ne rade u prostoru, ove su baterije hermetički zatvorene sustave koji mogu raditi u vakuumu.
Kad letite daleko od Sunca, sunčevo zračenje postupno opada s 1.374 W / m2 oko Zemlje na 50 W / m2 u blizini Jupitera, dok Pluton već iznosi nekih 1 W / m2. Stoga, kada svemirski brod leti iz Jupiterove orbite, znanstvenici se okreću atomskim sustavima kako bi svemirski brod mogao energiju.
Najčešći tip su radioizotopski termoelektrični generatori (kratki RTG-ovi), koji su korišteni na Voyageru, Cassiniju i roveru Curiosity. Oni su uređaji čvrstog stanja koji nemaju pokretne dijelove. Oni stvaraju toplinu tijekom radioaktivnog raspada elemenata poput plutonija i vijek im je preko 30 godina.
Kada upotreba RTG-a nije moguća - na primjer, ako težina oklopa koja je potrebna za zaštitu posade čini vozilo nepraktičnim - a udaljenost od Sunca onemogućuje upotrebu solarnih panela, tada se gorivne ćelije okreću.
Kroz vodonične kisikove gorivne ćelije korištene su za vrijeme svemirske misije Apollo i Blizanci. Iako se gorivne stanice sa kisikom vodika ne mogu napuniti, imaju visoku specifičnu energiju i ne ostavljaju ništa osim vode za piće astronauta.
Istraživanja koja su provela NASA i JPL omogućit će budućim elektroenergetskim sustavima proizvodnju i spremanje više energije koristeći manje prostora i duže vrijeme. Bez obzira na to, nove svemirske letjelice zahtijevaju sve više i više rezervi jer njihovi brodski sustavi postaju složeniji i gladniji energije.
Visoke energetske potrebe posebno su istinite kada svemirski brod koristi električni pogonski sustav poput ionskog motora, prvi put isporučen u Deep Space 1 1998. i još uvijek uspješno korišten na svemirskim brodovima. Električni pogonski sustavi obično izbacuju gorivo električnom energijom velikom brzinom, ali drugi koriste elektrodinamička užad koja djeluju na magnetska polja planeta za pomicanje svemirskog broda.
Većina energetskih sustava na Zemlji neće raditi u svemiru. Stoga se svaki novi sustav napajanja mora temeljito ispitati prije instaliranja u svemirsku letjelicu. NASA i JPL koriste svoje laboratorije za simulaciju teških uvjeta u kojima će raditi nova tehnologija, bombardirajući nove komponente i sustave zračenjem i izlažući ih ekstremnim temperaturama.
Dodatni život
Trenutno se pripremaju buduće misije sa stacionarnim radioizotopskim generatorima. Na temelju postojećih RTG-ova, ti su generatori mnogo učinkovitiji od termoelektričnih braće i sestara, a mogu biti i puno manji, iako sa složenijim rasporedom.
Nove vrste baterija razvijaju se i za NASA-ino planiranu misiju u Europu (jedno od Jupiterovih Mjeseca). Moraju djelovati u temperaturnom rasponu od -80 do -100 stupnjeva Celzija. Ispituje se mogućnost stvaranja naprednih litij-ionskih baterija s dvostruko uskladištenom energijom. Mogli bi dopustiti astronautima da provedu dvostruko duže vrijeme na mjesecu prije nego što se baterije istroše.
Razvijaju se novi solarni paneli koji će moći raditi u uvjetima smanjenog intenziteta svjetla i temperatura, odnosno svemirski brod će moći raditi na solarnu energiju dalje od Sunca.
Jednog dana NASA će konačno odlučiti sagraditi trajnu bazu na Marsu s ljudima, a možda i na nekom drugom planetu. Agenciji će trebati sustavi za proizvodnju električne energije koji su mnogo moćniji od postojećih.
Mjesec je bogat helijem-3, rijetkim elementom na Zemlji koji bi mogao biti idealno gorivo za nuklearnu fuziju. Međutim, dosad se takva sinteza ne smatra stabilnom ili dovoljno pouzdanom da čini osnovu za napajanje svemirskog broda. Osim toga, tipični fuzijski reaktor, poput tokamaka, otprilike je veličine kuće i neće se uklopiti u svemirski brod.
Što je s nuklearnim reaktorima koji bi bili savršeni za svemirske letjelice na električni pogon i planirane misije za slijetanje na Mjesec i Mars? Umjesto da se u koloniju dovedu zasebni sustavi napajanja, mogao bi se koristiti nuklearni generator svemirske letjelice.
Svemirski brodovi s nuklearno-električnim motorom smatraju se dugoročnim misijama u budućnosti. "Misija za preusmjeravanje asteroida zahtijevala bi snažne solarne ploče koje bi dale dovoljno električnog pogona svemirskom brodu da manevrira oko asteroida", kaže Surampudi. "U nekom trenutku trebali smo ga pokrenuti na solarnu energiju, ali s nuklearnom energijom, sve će biti puno jeftinije."
Međutim, svemirski brod s nuklearnim pogonom nećemo vidjeti mnogo godina. "Tehnologija još nije sazrela", kaže Surampudi. "Moramo biti sigurni da su sigurni nakon lansiranja." Morat će proći rigorozna ispitivanja kako bi pokazali je li sigurno izložiti takve nuklearne instalacije oštrim svemirskim ispitivanjima."
Novi sustavi za opskrbu energijom omogućit će svemirskim brodovima dulje djelovanje i dalje putovanje, ali još su tek na početku njihovog razvoja. Kada se testiraju, postat će kritične sastavnice za misije na Mars i šire.