Systeme der Energieversorgung (Netzteil, wenn einfacher, denn auch Maschinen brauchen etwas zu Essen) — ein wichtiger Teil der Raumsonde. Sie müssen unter extremen Bedingungen funktionieren und extrem zuverlässig sein. Doch mit ständig steigenden energetischen Anforderungen komplexer Raumfahrzeugen in Zukunft brauchen wir neue Technologien. Mission, die Jahrzehnte dauern, brauchen in der neuen Generation von Netzteilen. Was sind die Optionen?
Die neuesten Handys können Leben kaum einen Tag ohne die Notwendigkeit, angeschlossen in die Steckdose. Aber die Sonde «Voyager», vor 38 Jahren ins Leben gerufen, bisher sendet uns die Informationen aus der Scherbenwelt Sonnensystems. Die Sonden «Voyager» in der Lage, effizient zu verarbeiten 81 000 Instruktionen pro Sekunde, aber im Durchschnitt Smartphones funktionieren 7000 mal schneller.
Ihre Handys, natürlich geboren für die regelmäßige Nachladung und kaum werden ein paar Millionen Kilometer von der nächsten Steckdose. Neuladen Raumschiff, das sich in 100 Millionen Kilometer von der nächsten Station, unpraktisch. Stattdessen das Raumschiff soll in der Lage sein, zu speichern oder zu produzieren genug Energie, um seit Jahrzehnten den Weltraum durchstreifen. Und es erwies sich als schwierig einzuordnen.
Während einige Bordsysteme sind nur gelegentlich benötigen Energie, andere müssen ständig arbeiten. Transponder und Empfänger müssen die ganze Zeit aktiv, und im Falle eines bemannten Fluges oder der Raumstation sollen ebenso funktionieren des Systems der Lebenserhaltung und der Beleuchtung.
Dr. Rao Сурампуди — Software Power Technology Manager im Jet Propulsion Laboratory am California Institute of Technology. Seit mehr als 30 Jahren entwickelt er das System der Energieversorgung für die verschiedenen Raumfahrzeuge der NASA.
Laut Сурампуди, Stromversorgungssysteme für Raumfahrzeuge jeweils etwa 30% des Gewichts des Transports und können weiter unterteilt werden, um drei wichtige Untergruppen:
- Energieerzeugung;
- Speicherung von Energie;
- Power-Management und Verteilung
Diese Systeme sind von entscheidender Bedeutung für die Funktionsweise des Raumschiffs. Sie sollten eine geringe Masse, lange zu Leben und sein «energetisch dicht», das heißt, die produzieren eine Menge Energie aus einer relativ kleinen Mengen. Sie sollte auch sehr zuverlässig, weil einige Dinge zu reparieren im Raum wird fast unmöglich oder unpraktisch.
Diese Systeme müssen nicht nur in der Lage sein, mit Energie versorgen alle Onboard-Bedürfnisse, aber tun Sie es im Laufe der Mission — von denen einige dauern können Dutzende oder Hunderte von Jahren.
«Das zu erwartende Lebensdauer sollte so lang sein, weil wenn etwas schief geht, Sie nicht in der Lage, Sie zu reparieren, sagt Сурампуди. — Jupiter zu erreichen, nehmen Sie fünf bis sieben Jahre, bis Pluto — mehr als zehn Jahre, sondern verlassen das Sonnensystem ist 20-30 Jahre».
Dank der einzigartigen Umgebung, in der Sie arbeiten, Systeme der Energieversorgung der Raumsonde müssen in der Lage sein, die Arbeit in der Schwerelosigkeit und im Vakuum, sowie widerstehen enorme Strahlung (in der Regel in solchen Bedingungen ist die Elektronik nicht funktioniert). «Wenn Sie высадитесь auf der Venus, der Temperatur können bis zu 460 Grad Celsius, aber auf dem Jupiter können Sie fallen bis zu -150 Grad».
Das Raumschiff, der begibt sich in die Mitte unseres Sonnensystems, wird immer eine Menge von Solarenergie für Ihre Photovoltaik-Module. Solarzellen der Raumsonde kann ähnlich wie bei herkömmlichen Sonnenkollektoren für unsere Häuser, aber gedacht, um effektiver zu arbeiten, als zu Hause.
Einem plötzlichen Anstieg der Temperatur von der Nähe zur Sonne kann auch dazu führen, eine überhitzung der Sonnenkollektoren. Dies mildert sich durch drehen der Sonnenkollektoren von der Sonne, die die Auswirkungen der intensiven Sonneneinstrahlung.
Wenn das Raumschiff verlässt die Umlaufbahn des Planeten, Sonnenkollektoren sind weniger wirksam; Sie können nicht produzieren eine Menge Energie, weil der Finsternisse und der Durchgang durch den Schatten des Planeten. Benötigen Sie ein zuverlässiges System der Speicherung von Energie.
Atome reagieren
Eine solche Art Energiespeichersysteme sind Nickel-Wasserstoff-Batterien, die wiederaufladbar über 50 000 mal und die Leben länger als 15 Jahre. Im Gegensatz zu handelsüblichen Batterien, die nicht funktionieren im Raum, diese Batterien sind auslaufsicher Systemen, die im Vakuum arbeiten können.
Wenn Sie Fliegen von der Sonne, Solar-Strahlung allmählich ab von 1,374 w/m2 um die Erde bis zu 50 w/m2 in der Nähe von Jupiter, und Pluto beträgt bereits einige 1 w/m2. Also, wenn das Raumschiff fliegt über die Umlaufbahn des Jupiter, Wissenschaftler wenden sich an atomaren Systemen für die Versorgung des Geräts mit Energie.
Die häufigste Art sind Radioisotop thermoelektrische Generatoren (РИТЭГ, wenn es kurz ist), die verwendet wurden, auf «Voyadzhere», «Cassini» und марсоходе «Curiosity». Das solid-State-Geräte, die keine beweglichen Teile. Sie erzeugen Wärme beim radioaktiven Zerfall von Elementen wie Plutonium, und haben eine Lebensdauer von über 30 Jahren.
Wenn die Nutzung РИТЭГ unmöglich — zum Beispiel, wenn das Gewicht der Abschirmung, die notwendig für den Schutz der Besatzung, macht das Gerät unpraktisch, — und der Abstand von der Sonne schließt die Möglichkeit der Verwendung von Solarzellen, dann wenden sich an eine Brennstoffzelle.
Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen verwendet während der Weltraum-Missionen «Apollo» und «Gemini». Obwohl die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle nicht aufgeladen werden, Sie haben eine hohe spezifische Energie und hinterlassen nichts als Wasser, können die Astronauten trinken.
Aktuelle Studien der NASA und JPL künftigen System der Energieversorgung zu generieren und zu speichern mehr Energie mit weniger Platz, und für eine lange Zeit. Dennoch sind die neuen Raumfahrzeuge erfordern immer größere Reserven, weil Ihre Onboard-Systeme werden immer komplexer und hungriger, bis Energie.
Die hohen energetischen Anforderungen insbesondere stattfinden, wenn das Raumschiff verwendet elektrische Bewegungsapparat aus, wie die Ionen-Motor, erstmals inszeniert von dem Deep Space 1 im Jahr 1998 gegründet und bis heute erfolgreich auf Raumfahrzeugen verwendet. Elektro-motorischen System in der Regel weggeworfen wird Kraftstoff mit Hilfe von Strom auf hoher Geschwindigkeit, aber andere werden mit elektrodynamischen Seile, die in Wechselwirkung mit den Magnetfeldern der Planeten für das bewegen des Raumschiffs.
Die meisten Energiesysteme auf der Erde arbeiten im Weltraum. So, ein neues System der Energieversorgung muss gründlich getestet werden, bevor Sie in einem Raumschiff installiert werden. NASA und JPL verwenden Ihre Labore für raue Umgebungen simulieren, in denen diese neue Technologie funktioniert, bombardieren neue Komponenten und Systeme der Strahlung auszusetzen und Sie keinen extremen Temperaturen aus.
Extra Leben
In der heutigen Zeit für zukünftige Missionen bereiten die radioaktiven Stirling-Generatoren. Basierend auf bestehenden РИТЭГ diese Generatoren sind viel effizienter als Ihre thermoelektrische Brüder, und kann viel weniger, wenn auch mit einem komplizierten Gerät.
Entwickelt werden auch neue Arten von Batterien für das geplante NASA-Mission auf Europa (einer der Jupitermonde). Sie arbeiten in einem Temperaturbereich von -80 bis -100 Grad Celsius. Untersucht die Möglichkeit der Schaffung von fortschrittlichen Lithium-Ionen-Batterien mit doppelt so hohen Volumen der gespeicherten Energie. Sie könnten die Astronauten verbringen doppelt so viel Zeit auf dem Mond, bevor die Batterie abläuft.
Entwicklung neuer Solarzellen, die in der Lage, arbeiten unter den Bedingungen der herabgesetzten Lichtintensität und der Temperatur, das heißt die Raumsonde in der Lage, arbeiten mit Solarenergie weiter von der Sonne.
Einmal die NASA endgültig entscheidet bauen eine dauerhafte Basis auf dem mars, sondern mit Menschen zusammen sein kann, und auf einem anderen Planeten. Die Agentur benötigt, die Anlagen zur Erzeugung von Energie, die leistungsfähiger ist als die bestehende.
Der Mond ist Reich an Helium-3, eine seltene Erde Element, das kann der ideale Brennstoff für die Kernfusion. Doch während solche Synthese nicht als stabil oder robust genug, um die Grundlage der Energieversorgung der Raumsonde. Außerdem, die typische Synthese-Reaktor, wie einem Tokamak, so groß wie ein Haus und nicht Fit in das Raumschiff.
Was ist mit den Atomreaktoren, die perfekt passen würde für die Arbeiter am Strom von Raumfahrzeugen und geplanten Missionen nach der Landung auf dem Mond und mars? Anstatt zu fahren in die Kolonie ein separates System der Energieversorgung würde man mit Core-generator Raumschiff.
Raumfahrzeuge mit nuklear-elektrischem Art von Motor gelten für langfristige Missionen in der Zukunft. «Die Mission, die die übertragung des Asteroiden erfordern leistungsstarke Solarzellen, die liefern genug elektrische Bewegung, um das Raumschiff konnte Manöver rund um den Asteroiden, sagt Сурампуди. — Irgendwann wollten wir laufen auf Solarenergie, sondern mit nuklearen alles viel billiger».
Allerdings werden wir nicht sehen von Raumfahrzeugen auf die Kernenergie noch für viele Jahre. «Die Technologie ist noch nicht reif genug, sagt Сурампуди. — Wir müssen sicherstellen, dass Sie sicher nach dem Start». Sie müssen strenge Tests, die zeigen, ob es sicher ist, solche nukleare aussetzen der Installation strengen Prüfungen des Kosmos».
Neue Systeme der Energieversorgung ermöglichen kosmischen Einheit, länger zu arbeiten und weiter Reisen, aber sind bisher nur in Ansätzen entwickelt. Wenn Sie erfahren, Sie werden die wichtigsten Komponenten für bemannte Missionen zum mars und darüber hinaus.