💆 🐢 🎽 قوة فضائية 👨🏿‍🤝‍👨🏼 💂 🎪

قبل نصف قرن ، شكل العالم السوفييتي نيكولاي كارداشيف مقياسًا تم تحديد مستوى تطور الحضارة فيه من خلال كمية الطاقة المستخدمة. هذا النهج منطقي للغاية - عندما أتقنت البشرية طاقة الخيول والفحم والنفط والانحلال النووي - في كل مرة ترتفع فيها إلى مستوى جديد من القوة. لا يعتمد استكشاف الفضاء فقط على القدرة على وضع القمر الصناعي في المدار ، ولكن أيضًا على التقنيات التي تمكنه من العمل. ويمثل تزويد المركبات الفضائية بالطاقة أحد أهم جوانب علم الفضاء. ما هي الأساليب التي توصل إليها الناس؟

الفنان جيمس فوغان

صياغة المشكلة

في مشكلة إمدادات الطاقة للمركبة الفضائية ، يمكن تمييز معيارين ، مما يجعل من الممكن توزيع مختلف الأساليب بشكل مرئي. إنها القوة والمدة. في الواقع ، من المنطقي أن يتم استخدام بعض الحلول التقنية لمهمة "كثيرة ، ولكن ليس لفترة طويلة" ، والبعض الآخر "لعقود ، حتى لو كانت قليلة فقط". إذا أخذت هذه المعايير كمحور للرسم البياني ، فستحصل على الصورة التالية:

Spacecraft Power Systems ، David W. Miller، John Keesee

ذهب أول قمر صناعي في رحلة مع بطاريات الزنك الفضية المشحونة ، والتي وفرت جهاز إرسال "صوت تنبيه" لمدة 21 يومًا. كان الحل منطقيًا - كانت الألواح الشمسية التجريبية تنتظر في الطابور في منشأة D ، التي أصبحت Sputnik-3 (تم إطلاقها في 15 مايو 1958). تستخدم بطاريات الفضة والزنك على نطاق واسع في علم الفضاء بسبب كثافتها العالية من الطاقة وتيارات التفريغ العالية ، وعيوبها هي أن العدد الصغير من دورات إعادة الشحن غير مهم عند استخدام البطارية مرة واحدة. حدث تحول مثير للاهتمام مع سفينة Soyuz - طارت أولى السفن بألواح شمسية ، على تعديل 7K-T (Soyuz-10 - Soyuz-40 ، باستثناء -13 ، -16 ، -19 ، -22) تم إزالتها ، ترك البطاريات فقط مع احتياطي الطاقة لمدة يومين ، ومع التعديل التالي لـ "-TM" ، تم إرجاع الألواح الشمسية مرة أخرى وبشكل دائم بالفعل.حتى الآن ، تظل البطاريات حلاً منطقيًا للأجهزة التي لن تستمر لأكثر من بضعة أيام ولا تتطلب كميات كبيرة من الكهرباء. في بعض الأحيان يتم وضع عناصر غير قابلة لإعادة الشحن على الأجهزة ، على سبيل المثال ، مسبار القفز MASCOT ، الذي تم إسقاطه من محطة الكواكب Hayabusa-2 إلى كويكب Ryugu ، استخدم عناصر كلوريد الليثيوم-ثيونيل ، والتي استمرت لمدة 16 ساعة. لكن العناصر القابلة لإعادة الشحن أكثر شيوعًا ، فهي أكثر ملاءمة للعمل معها ، لأنه ، إذا لزم الأمر ، يمكن إعادة شحنها قبل البدء دون تفكيك الجهاز. نظرًا لخصائصه العالية ، فإن خلايا أيونات الليثيوم تستخدم الآن على نطاق واسع جدًا ليس فقط في الأجهزة المنزلية ، ولكن أيضًا في المركبات الفضائية.والتي لن تعمل أكثر من بضعة أيام ولا تتطلب كميات كبيرة من الكهرباء. في بعض الأحيان يتم وضع عناصر غير قابلة لإعادة الشحن على الأجهزة ، على سبيل المثال ، مسبار القفز MASCOT ، الذي تم إسقاطه من محطة الكواكب Hayabusa-2 إلى كويكب Ryugu ، استخدم عناصر كلوريد الليثيوم-ثيونيل ، والتي استمرت لمدة 16 ساعة. لكن العناصر القابلة لإعادة الشحن أكثر شيوعًا ، فهي أكثر ملاءمة للعمل معها ، لأنه ، إذا لزم الأمر ، يمكن إعادة شحنها قبل البدء دون تفكيك الجهاز. نظرًا لخصائصه العالية ، فإن خلايا أيونات الليثيوم تستخدم الآن على نطاق واسع جدًا ليس فقط في الأجهزة المنزلية ، ولكن أيضًا في المركبات الفضائية.والتي لن تعمل أكثر من بضعة أيام ولا تتطلب كميات كبيرة من الكهرباء. في بعض الأحيان يتم وضع عناصر غير قابلة لإعادة الشحن على الأجهزة ، على سبيل المثال ، مسبار القفز MASCOT ، الذي تم إسقاطه من محطة الكواكب Hayabusa-2 إلى كويكب Ryugu ، استخدم عناصر كلوريد الليثيوم-ثيونيل ، والتي استمرت لمدة 16 ساعة. لكن العناصر القابلة لإعادة الشحن أكثر شيوعًا ، فهي أكثر ملاءمة للعمل معها ، لأنه ، إذا لزم الأمر ، يمكن إعادة شحنها قبل البدء دون تفكيك الجهاز. نظرًا لخصائصه العالية ، فإن خلايا أيونات الليثيوم تستخدم الآن على نطاق واسع جدًا ليس فقط في الأجهزة المنزلية ، ولكن أيضًا في المركبات الفضائية.تستخدم عناصر كلوريد الليثيوم ثيونيل ، والتي استمرت لمدة 16 ساعة. لكن العناصر القابلة لإعادة الشحن أكثر شيوعًا ، فهي أكثر ملاءمة للعمل معها ، لأنه ، إذا لزم الأمر ، يمكن إعادة شحنها قبل البدء دون تفكيك الجهاز. نظرًا لخصائصه العالية ، فإن خلايا أيونات الليثيوم تستخدم الآن على نطاق واسع جدًا ليس فقط في الأجهزة المنزلية ، ولكن أيضًا في المركبات الفضائية.تستخدم عناصر كلوريد الليثيوم ثيونيل ، والتي استمرت لمدة 16 ساعة. لكن العناصر القابلة لإعادة الشحن أكثر شيوعًا ، فهي أكثر ملاءمة للعمل معها ، لأنه ، إذا لزم الأمر ، يمكن إعادة شحنها قبل البدء دون تفكيك الجهاز. نظرًا لخصائصه العالية ، فإن خلايا أيونات الليثيوم تستخدم الآن على نطاق واسع جدًا ليس فقط في الأجهزة المنزلية ، ولكن أيضًا في المركبات الفضائية.

MASCOT Hayabusa-2

إذا كانت الطاقة مطلوبة كثيرًا ، ولكن لفترة قصيرة ، فمن المنطقي استخدام المصادر الكيميائية. على سبيل المثال ، في مكوك الفضاء كانت تسمى APUs. على الرغم من الاسم المتطابق تمامًا لمحطة الطاقة المساعدة على الطائرات ، فقد كانت هذه أجهزة محددة. في غرفة الاحتراق ، تم حرق الوقود الكيميائي (الوقود القائم على الهيدرازين ورباعي أكسيد النيتروجين) ، وتم توفير الغاز الساخن للتوربين ، وخلق دورانه ضغطًا في النظام الهيدروليكي للمكوك دون تحويل متوسط للطاقة إلى كهرباء. حولت المكونات الهيدروليكية أسطح التحكم في المدار في مراحل الإطلاق إلى المدار والهبوط. من الغريب أن كثافة طاقة بطاريات أيونات الليثيوم وصلت الآن إلى القيم التي ظهرت بها مركبة الإطلاق الإلكترونية ،حيث تم استبدال وحدة المضخات التوربينية (جهاز لتزويد الوقود للمحرك) بأداء وظيفة مماثلة بمضخة كهربائية مع حزمة بطارية. تم تعويض الخسائر في كتلة أكبر من البطاريات من بساطة التطور.

خلايا الوقود

خلية وقود مكوك الفضاء

إذا كانت مدة الرحلة الفضائية لا تتجاوز أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع ، فعندئذ ، وخاصة بالنسبة للمركبات الفضائية المأهولة ، تصبح ما يسمى بخلايا الوقود جذابة للغاية. كما تعلمون ، يحرق الهيدروجين في الأكسجين مع إطلاق كمية كبيرة من الحرارة ، ومحركات الصواريخ التي تستخدم هذا من بين الأكثر كفاءة. والقدرة على تلقي الكهرباء مباشرة من مزيج من الهيدروجين والأكسجين ولدت مصادر للكهرباء ، والتي ، بالمناسبة ، لا تستخدم فقط في رواد الفضاء.

تعمل خلية الوقود على النحو التالي: يدخل الهيدروجين الأنود ، ويصبح أيونًا موجب الشحنة ويصدر إلكترونًا. في الكاثود ، تتلقى أيونات الهيدروجين إلكترونات ، تتحد مع جزيئات الأكسجين وتشكل الماء.

من خلال ربط عدة خلايا وتزويد المزيد من المكونات ، من السهل الحصول على خلية وقود عالية الطاقة. ويمكن استخدام المياه الناتجة عن العمل لاحتياجات الطاقم. حدد مزيج الخصائص اختيار خلايا الوقود لسفن أبولو (وبالمناسبة ، بالنسبة للإصدارات القمرية من الاتحادات ، فقد تم اختيارها أيضًا في الأصل) ، والمكوكات وبوران.

تجدر الإشارة إلى أن خلايا الوقود يمكن أن تكون نظريًا قابلة للعكس ، فتفصل الماء عن الهيدروجين والأكسجين ، وتخزين الكهرباء والعمل ، في الواقع ، مثل البطارية ، ولكن من الناحية العملية لم يتم طلب مثل هذه الحلول في رواد الفضاء بعد.

الشمس المسماة

الحياة على الأرض مستحيلة بدون الطاقة الشمسية - تنمو النباتات في الضوء ، وتذهب الطاقة إلى أبعد من ذلك على طول السلسلة الغذائية. وبالنسبة لعلماء الفضاء ، أصبحت الشمس على الفور مصدرًا مجانيًا وسهل الوصول إليه. الأقمار الصناعية الأولى مع الألواح الشمسية ، Vanguard-1 (الولايات المتحدة الأمريكية) و "Sputnik-3" (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) ، كانت في رحلة بالفعل في عام 1958.

إن جمال الألواح الشمسية هو التحويل المباشر للضوء إلى كهرباء - الفوتونات التي تسقط على أشباه الموصلات تسبب حركة الإلكترونات بشكل مباشر. من خلال ربط الخلايا على التوالي وبالتوازي ، يمكن الحصول على قيم الجهد والتيار المطلوبة.

في ظروف الفضاء ، يعد ضغط الألواح الشمسية أمرًا مهمًا للغاية ، على سبيل المثال ، تتكون "الأجنحة" الضخمة لمحطة الفضاء الدولية من ألواح رقيقة جدًا ، والتي تم طيها في موضع النقل مع الأكورديون.

الكشف عن الفيديو لألواح ISS

حتى الآن ، تبقى الألواح الشمسية الخيار الأفضل إذا كان من الضروري تزويد المركبة الفضائية بالطاقة لسنوات. ولكن ، بالطبع ، لديهم ، مثل أي حل آخر ، عيوبهم.

بادئ ذي بدء ، في مدار الأرض المنخفض ، سيذهب القمر الصناعي باستمرار إلى ظل الأرض ، ومن الضروري استكمال الألواح بالبطاريات بحيث يكون مصدر الطاقة مستمرًا. تعمل البطاريات والمساحة الإضافية للألواح الشمسية لشحنها على الجانب المشمس من المدار على زيادة كتلة النظام الكهربائي للقمر الصناعي بشكل كبير.

علاوة على ذلك ، تخضع قوة الإشعاع الشمسي لقانون التربيع العكسي: المشتري أبعد 5 مرات من الأرض ، ولكن في مداره ستحصل مركبة فضائية مع نفس الألواح الشمسية على كهرباء أقل 25 مرة.

تتدهور الألواح الشمسية تدريجيًا في ظل ظروف الإشعاع الكوني ، لذلك يجب حساب مساحتها بهامش للمهام الطويلة.

زيادة خطية في كتلة الألواح الشمسية مع زيادة الطاقة المطلوبة في مرحلة ما تجعلها ثقيلة جدًا مقارنة بالنظم الأخرى.

بديل للبطاريات

إذا قرأت كتاب Nurbey Gulia الرائع "In Search of a Energy Capsule" ، يمكنك أن تتذكر أنه بعد بحث طويل عن البطارية المثالية ، استقر على الحذافات المعدلة للتدمير الآمن. الآن مع نجاحات بطاريات الليثيوم أيون ، هذا الموضوع أقل إثارة للاهتمام ، لكن التجارب على تخزين الطاقة في حذافة غير مبردة تم إجراؤها أيضًا في الفضاء. في أوائل القرن الحادي والعشرين ، أجرى هانيويل تجارب مع الحذافات والمراكم. من الناحية النظرية ، يمكن أن يكون هذا الاتجاه مثيرًا للاهتمام أيضًا لأنه يتم استخدام الحذافات في نظام توجيه القمر الصناعي ، ومن الممكن الجمع بين أوضاع الحفاظ على الموضع المطلوب في الفضاء وتخزين الطاقة.

ركزيها

حتى في مرحلة تطوير المفهوم ، كان من الواضح أن محطة Freedom (بعد التغييرات العديدة التي تم تنفيذها مثل ISS) ستحتاج إلى الكثير من الكهرباء. وأظهرت حسابات عام 1989 أن المجمع الشمسي سيكون قادرًا على التوفير من 3 إلى 4 مليارات دولار (6-8 مليار دولار بأسعار اليوم) مقارنة بمصدر الطاقة فقط من الألواح الشمسية. ما هي هذه التصاميم؟

واحدة من أقدم تصميمات Freedom.إن

الإنشاءات السداسية حول الحواف هي المكثفات الشمسية. تشكل المرايا القطع المكافئ الذي يجمع ضوء الشمس على جهاز الاستقبال الموجود في التركيز. في ذلك ، يغلي المبرد ، ويحول الغاز التوربين ، الذي يولد الكهرباء. اللوحة المجاورة له هي مشع حراري حيث يتكثف المبرد مرة أخرى في السائل.

لسوء الحظ ، وقع التصميم ، مثل العديد من الأفكار لمحطة Freedom ، ضحية لخفض الميزانية ، ولا تستخدم ISS الألواح الشمسية فقط ، لذلك لا يمكننا عمليًا معرفة ما إذا تم تحقيق وفورات التكلفة. من الجدير بالذكر أن مجمعات الطاقة الشمسية تستخدم أيضًا على الأرض ، ولكن يتم توزيعها في أبسط شكل دون تركيز المرايا - تزيد محركاتها من التكلفة بشكل كبير.

الحرارة والكهرباء

عندما تشرق الشمس فوقها ، لا يمكن للمرء أن يؤمن بالبرد الكوني. في الواقع ، على الجانب المضاء من القمر ، ترتفع درجة الحرارة فوق 100 درجة مئوية. ولكن في ليلة مقمرة ، يبرد السطح إلى أقل من -100 درجة مئوية. على كوكب المريخ ، يبلغ متوسط درجة الحرارة حوالي -60 درجة مئوية. وفي مدار المشتري ، كما قلنا من قبل ، تعطي الشمس فقط 1/25 مما يذهب للأرض. ولحسن الحظ ، لمحبي الكوكب والمحطات بين الكواكب ، هناك خيار يتم فيه توفير التدفئة وإمدادات الطاقة الخاصة بالمركبة الفضائية بشكل ملائم.

كما تعلم ، يمكن أن تحتوي نفس المادة على العديد من النظائر - ذرات ، تختلف فقط في عدد النيوترونات في النواة. وهناك كلا من النظائر المستقرة والمتحللة بسرعات مختلفة. بعد أن التقطت عنصرًا بنصف عمر مناسب ، يمكنك استخدامه كمصدر للطاقة.

واحدة من النظائر الأكثر شعبية هي ²³⁸ Pu (البلوتونيوم 238). يولد غرام واحد من البلوتونيوم 238 النقي حوالي 0.5 واط من الحرارة ، ونصف عمر 87.7 سنة يعني أنه ستكون هناك طاقة كافية لفترة طويلة.

حقيقة أن التسوس النووي يطلق الحرارة يعني أنه يجب تحويلها إلى حد ما إلى كهرباء. لهذا ، يتم استخدام مزدوج حراري في الغالب - معدنان مختلفان مدمجان معًا يولدان الكهرباء عندما يكون التسخين غير متساوي. إن الجمع بين مصدر طاقة على شكل نظائر مشعة متحللة ومحولات كهروحرارية أعطى اسم "مولد كهروحراري للنظائر المشعة" أو RTG.

مخطط RTG

تُستخدم RTGs على نطاق واسع في علم الفضاء: لقد قاموا بتوليد الكهرباء لوحدات من المعدات العلمية التي تركها رواد الفضاء أبولو على سطح القمر ، وتم تسخين Lunokhods السوفياتي بواسطة اضمحلال النظائر ، وعملت محطات Martian Viking على الكهرباء من RTGs وسافرت على طول المريخ الفضول. تعد RTGs مصدرًا منتظمًا للكهرباء للأجهزة التي تسافر إلى النظام الشمسي الخارجي - "الرواد" و "Voyagers" و "New Horizons" وغيرهم.

تعتبر RTGs مريحة للغاية من حيث أنها لا تتطلب أي تحكم ، وليس لديها أجزاء متحركة وقادرة على العمل لعقود - ظلت Voyagers تعمل لأكثر من أربعين عامًا ، على الرغم من الحاجة إلى إيقاف تشغيل جزء من المعدات بسبب انخفاض توليد الكهرباء. لسوء الحظ ، لديهم أيضًا عيب - كثافة طاقة منخفضة (RTG قوية سوف تزن الكثير) وارتفاع سعر الوقود. أثر إغلاق إنتاج البلوتونيوم 238 في الولايات المتحدة وارتفاع الأسعار على حقيقة أن محطة "جونو" بين الكواكب ذهبت إلى المشتري بألواح شمسية ضخمة.

ومن المؤكد أن تثير التقنيات النووية قضايا السلامة ، وقد وضعت RTGs تقنيات لدعمها منذ فترة طويلة. بعد عام 1964 ، عندما أدى حادث صاروخ حامل أمريكي بقمر صناعي يعمل بواسطة RTG إلى زيادة ملحوظة في الخلفية الإشعاعية في جميع أنحاء الكوكب ، تم تعبئة RTGs في كبسولات يمكن أن تتحمل سقوطًا في الغلاف الجوي ، ولم تترك الحوادث اللاحقة أي علامات ملحوظة.

تعقيد التحولات

ليس المولد الكهروحراري هو الخيار الوحيد لتحويل الحرارة إلى كهرباء. في المحولات الحرارية يتم تسخين كاثود المصباح الفراغي. الإلكترونات "تقفز" إلى الأنود ، تخلق تيارًا كهربائيًا. تقوم المحولات الكهروحرارية بتحويل الحرارة إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء ، ثم يتم تحويلها إلى كهرباء مماثلة للوحة شمسية. يستخدم المحول الكهربي الحراري القائم على الفلزات القلوية إلكتروليت مصنوع من أملاح الصوديوم والكبريت. يحول محرك Stirling فرق درجة الحرارة إلى حركة ، ثم يتم تحويله إلى كهرباء بواسطة مولد.

المفاعلات الهوائية

من بين جميع مصادر الطاقة الخاضعة للرقابة المعروفة للبشرية ، فإن الوقود النووي لديه أعلى كثافة - غرام واحد من اليورانيوم قادر على إنتاج ما يصل إلى طنين من النفط أو ثلاثة أطنان من الفحم. لذلك ، ليس من المستغرب أن تكون المفاعلات النووية خيارًا واعدًا عندما يكون من الضروري توفير كمية كبيرة من الطاقة للمركبة الفضائية لفترة طويلة.

اليسار الأمريكي SNAP ، اليمين "بوك" السوفيتي

بدأ العمل في مفاعلات الفضاء في الستينيات. أول من دخل إلى الفضاء كان SNAP-10A الأمريكية ، وعمل في المدار لمدة 43 يومًا وتم إغلاقه بسبب حادث غير مرتبط بنظام المفاعل. بعد ذلك ، تولى الاتحاد السوفياتي زمام الأمور. الأقمار الصناعية الأمريكية-أ المصممة لتتبع حركة المجموعات الضاربة لحاملات الطائرات الأمريكية ، حملت أنظمة استهداف Legenda مفاعل Buk النووي على متن الطائرة لتوفير الطاقة لنظام الرادار النشط ، وتم إطلاق أكثر من ثلاثين منها. في أواخر الثمانينيات ، طار مفاعل توباز إلى الفضاء مرتين ، باستخدام وقود نووي أقل وكفاءة أكبر - أنتجت 150 كيلووات من الطاقة الحرارية "توباز" 6 كيلووات كهربائية مقابل 100 و 3 لـ Buk. وقد تم تحقيق ذلك بما في ذلك استخدام محول طاقة آخر - حراري بدلاً من حراري كهربائي.ولكن بعد عام 1988 ، لم تعد الأقمار الصناعية التي تحتوي على مفاعلات نووية على متنها تطير.

حدث إحياء الاهتمام بالمفاعلات النووية في القرن الحادي والعشرين. في الغرب ، يرجع ذلك إلى انخفاض المخزونات وزيادة في سعر البلوتونيوم -238 لـ RTGs. في الولايات المتحدة ، يتم تطوير مفاعل كيلو باور ، الذي ستصبح مهمته تناظرية لـ RTG. ميزة مثيرة للاهتمام هي أن المفاعل مصمم ذاتي التنظيم ، وبعد التنشيط ، مثل RTGs ، لا يتطلب الإشراف. في روسيا ، يجري تطوير مشروع تركيب نووي من فئة ميجاوات. بالاقتران مع محركات الدفع الكهربائية ، يجب الحصول على تصميم بقدرات جديدة بشكل أساسي ، وجرار مداري فعال للغاية.

تعتمد سلامة المفاعل على مبادئ أخرى غير RTGs. قبل البدء ، يكون المفاعل نظيفًا (اليورانيوم سام ، ولكن يمكن أخذه بأمان باستخدام القفازات) ، لذلك ، في حالة وقوع حادث ، على العكس ، يتم تثبيت مولدات الغاز التي تدمره بشكل موثوق في طبقات كثيفة من الغلاف الجوي. ولكن بعد تشغيله ، بدأت النظائر الخطرة تتراكم في المفاعل ، وأخذت الأقمار الصناعية السوفيتية الأمريكية- A في حالة وقوع المفاعل إلى مدار دفن مرتفع. لا تزال المفاعلات المكتومة تطير فوق رؤوسنا ، ولكن ، نظرًا لعمر المدارات ، سيصل إليها زبّال الفضاء في المستقبل قريبًا ويأخذونها إلى موارد مفيدة أكثر من حرقها في الغلاف الجوي.

مولد الكابلات

كما تعلم ، تحتوي الأرض على مجال مغناطيسي. يتم استخدامه بالفعل في أنظمة توجيه المركبات الفضائية ، ولكن هناك خيار آخر. إذا قمت بفك كابل طويل ، يمكنك الحصول على الكهرباء عن طريق كبح الجهاز ، أو التسريع بتمرير التيار عبر الكابل.

القوى التي تعمل على القمر الصناعي التي أطلقت الكابل الموصل

حتى الآن ، تلقت فكرة أجهزة الكبح بكابلات لتقليل كمية الحطام الفضائي معظم التطور ، ولكن من الممكن تقنيًا توفير الطاقة للقمر الصناعي بهذه الطريقة ، وإن لم يكن لفترة طويلة جدًا.

استنتاج

الآن صناعة طاقة المركبة الفضائية تتطور بنشاط. أصبحت الألواح الشمسية والبطاريات أكثر كفاءة ، ويعطي استئناف العمل في المفاعلات النووية الفضائية الأمل في ظهور مصادر قوية جديدة للكهرباء.

مادة معدة للبوابة "N + 1" .

قوة فضائية