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Vor einem halben Jahrhundert bildete der sowjetische Wissenschaftler Nikolai Kardaschew eine Skala, in der der Entwicklungsstand der Zivilisation durch den Energieverbrauch bestimmt wurde. Der Ansatz ist sehr logisch - als die Menschheit die Energie von Pferden, Kohle, Öl und nuklearem Verfall beherrschte - jedes Mal, wenn sie ein neues Maß an Macht erreichte. Die Erforschung des Weltraums hängt nicht nur von der Fähigkeit ab, einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, sondern auch von Technologien, die ihn funktionsfähig machen. Die Energieversorgung von Raumfahrzeugen ist eine der wichtigsten Facetten der Astronautik. Welche Methoden haben sich die Leute ausgedacht?

Künstler James Vaughan

Formulierung des Problems

Beim Problem der Stromversorgung eines Raumfahrzeugs können zwei Kriterien unterschieden werden, die es ermöglichen, verschiedene Ansätze visuell zu verteilen. Es ist Kraft und Dauer. In der Tat ist es logisch, dass einige technische Lösungen für die Aufgabe „viele, aber nicht lange“ und andere für „jahrzehntelang, wenn auch nur wenig“ verwendet werden. Wenn Sie diese Kriterien als Achse des Diagramms verwenden, erhalten Sie das folgende Bild:

Spacecraft Power Systems , David W. Miller, John Keesee

Der erste Satellit flog mit geladenen Silber-Zink-Batterien, die 21 Tage lang einen „Beep-Beep“ -Sender lieferten. Die Lösung war logisch: Die experimentellen Solarmodule warteten in der D-Anlage, die zu Sputnik-3 wurde (Start am 15. Mai 1958), in der Schlange. Silber-Zink-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und hohen Entladeströme häufig in der Astronautik eingesetzt. Ihr Nachteil ist, dass die geringe Anzahl von Ladezyklen bei einmaliger Verwendung der Batterie unwichtig ist. Eine interessante Metamorphose trat mit dem Sojus-Schiff auf - die ersten Schiffe flogen mit Sonnenkollektoren, auf der 7K-T-Modifikation (Sojus-10 - Sojus-40, außer -13, -16, -19, -22) wurden sie entfernt, Es blieben nur Batterien mit einer Gangreserve für zwei Tage, und mit der nächsten Modifikation von „-TM“ wurden die Solarmodule wieder und bereits dauerhaft zurückgegeben.Bisher sind Batterien eine rationale Lösung für Geräte, die nicht länger als einige Tage halten und keine großen Mengen an Strom benötigen. Manchmal werden sogar nicht wiederaufladbare Elemente auf die Geräte aufgebracht, zum Beispiel die MASCOT-Sprungsonde, die von der interplanetaren Station Hayabusa-2 auf den Ryugu-Asteroiden abgeworfen wurde und 16 Stunden lang Lithium-Thionylchlorid-Elemente verwendete. Wiederaufladbare Elemente sind jedoch häufiger anzutreffen. Es ist bequemer, mit ihnen zu arbeiten, da sie bei Bedarf vor dem Start wieder aufgeladen werden können, ohne das Gerät zu zerlegen. Aufgrund ihrer hohen Eigenschaften werden Lithium-Ionen-Zellen heute nicht nur in Haushaltsgeräten, sondern auch in Raumfahrzeugen sehr häufig eingesetzt.Das funktioniert nicht länger als ein paar Tage und erfordert keine großen Mengen an Strom. Manchmal werden sogar nicht wiederaufladbare Elemente auf die Geräte aufgebracht, zum Beispiel die MASCOT-Sprungsonde, die von der interplanetaren Station Hayabusa-2 auf den Ryugu-Asteroiden abgeworfen wurde und 16 Stunden lang Lithium-Thionylchlorid-Elemente verwendete. Wiederaufladbare Elemente sind jedoch häufiger anzutreffen. Es ist bequemer, mit ihnen zu arbeiten, da sie bei Bedarf vor dem Start wieder aufgeladen werden können, ohne das Gerät zu zerlegen. Aufgrund ihrer hohen Eigenschaften werden Lithium-Ionen-Zellen heute nicht nur in Haushaltsgeräten, sondern auch in Raumfahrzeugen sehr häufig eingesetzt.Das funktioniert nicht länger als ein paar Tage und erfordert keine großen Mengen an Strom. Manchmal werden sogar nicht wiederaufladbare Elemente auf die Geräte aufgebracht, zum Beispiel die MASCOT-Sprungsonde, die von der interplanetaren Station Hayabusa-2 auf den Ryugu-Asteroiden abgeworfen wurde und 16 Stunden lang Lithium-Thionylchlorid-Elemente verwendete. Wiederaufladbare Elemente sind jedoch häufiger anzutreffen. Es ist bequemer, mit ihnen zu arbeiten, da sie bei Bedarf vor dem Start wieder aufgeladen werden können, ohne das Gerät zu zerlegen. Aufgrund ihrer hohen Eigenschaften werden Lithium-Ionen-Zellen heute nicht nur in Haushaltsgeräten, sondern auch in Raumfahrzeugen sehr häufig eingesetzt.verwendeten Lithiumthionylchlorid-Elemente, die 16 Stunden dauerten. Wiederaufladbare Elemente sind jedoch häufiger anzutreffen. Es ist bequemer, mit ihnen zu arbeiten, da sie bei Bedarf vor dem Start wieder aufgeladen werden können, ohne das Gerät zu zerlegen. Aufgrund ihrer hohen Eigenschaften werden Lithium-Ionen-Zellen heute nicht nur in Haushaltsgeräten, sondern auch in Raumfahrzeugen sehr häufig eingesetzt.verwendeten Lithiumthionylchlorid-Elemente, die 16 Stunden dauerten. Wiederaufladbare Elemente sind jedoch häufiger anzutreffen. Es ist bequemer, mit ihnen zu arbeiten, da sie bei Bedarf vor dem Start wieder aufgeladen werden können, ohne das Gerät zu zerlegen. Aufgrund ihrer hohen Eigenschaften werden Lithium-Ionen-Zellen heute nicht nur in Haushaltsgeräten, sondern auch in Raumfahrzeugen sehr häufig eingesetzt.

MASCOT Hayabusa-2

Wenn viel Energie benötigt wird, aber nur für kurze Zeit, ist es sinnvoll, chemische Quellen zu verwenden. Auf den Space Shuttles befanden sich beispielsweise die sogenannten APUs. Trotz des völlig identischen Namens mit dem Hilfskraftwerk in Flugzeugen handelte es sich um spezifische Geräte. In der Brennkammer wurde chemischer Kraftstoff verbrannt (Kraftstoff auf Hydrazinbasis und Stickstofftetroxid), der Turbine wurde heißes Gas zugeführt, und durch seine Drehung wurde Druck im Hydrauliksystem des Shuttles erzeugt, ohne dass Energie zwischenzeitlich in Elektrizität umgewandelt wurde. Die Hydraulik drehte die Steuerflächen des Orbiters in den Phasen des Starts in die Umlaufbahn und die Landung. Es ist merkwürdig, dass die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien jetzt solche Werte erreicht hat, dass die Trägerrakete Electron aufgetaucht ist.bei dem eine Turbopumpeneinheit (eine Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff zum Motor), die eine ähnliche Funktion ausführt, durch eine elektrische Pumpe mit einem Batteriepack ersetzt wurde. Verluste bei einer größeren Batteriemasse wurden durch die einfache Entwicklung ausgeglichen.

Brennstoffzellen

Space-Shuttle-Brennstoffzelle

Wenn die Dauer eines Raumfluges zwei bis drei Wochen nicht überschreitet, werden die sogenannten Brennstoffzellen insbesondere für bemannte Raumfahrzeuge sehr attraktiv. Wie Sie wissen, verbrennt Wasserstoff unter Freisetzung einer großen Wärmemenge in Sauerstoff, und Raketentriebwerke, die diese verwenden, gehören zu den effizientesten. Und die Fähigkeit, Elektrizität direkt aus einer Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu erhalten, führte zu Elektrizitätsquellen, die übrigens nicht nur im Weltraum genutzt werden.

Eine Brennstoffzelle funktioniert wie folgt: Wasserstoff tritt in die Anode ein, wird zu einem positiv geladenen Ion und gibt ein Elektron ab. An der Kathode empfangen Wasserstoffionen Elektronen, verbinden sich mit Sauerstoffmolekülen und bilden Wasser.

Durch den Anschluss mehrerer Zellen und die Lieferung weiterer Komponenten ist es einfach, eine Hochleistungsbrennstoffzelle zu erhalten. Und das durch die Arbeit freigesetzte Wasser kann für die Bedürfnisse der Besatzung verwendet werden. Die Kombination der Eigenschaften bestimmte die Wahl der Brennstoffzellen für die Apollo-Schiffe (und übrigens auch für die Mondversionen der Gewerkschaften, die ursprünglich ausgewählt wurden), Shuttles und Buran.

Es ist erwähnenswert, dass Brennstoffzellen theoretisch reversibel sein können, Wasser für Wasserstoff und Sauerstoff dissoziieren, Elektrizität speichern und tatsächlich wie eine Batterie arbeiten, aber in der Praxis sind solche Lösungen in der Astronautik noch nicht gefragt.

Benannte Sonne

Leben auf der Erde ist ohne Sonnenenergie nicht möglich - Pflanzen wachsen im Licht und Energie geht weiter entlang der Nahrungskette. Und für die Astronautik wurde die Sonne sofort als zugängliche und freie Quelle angesehen. Die ersten Satelliten mit Sonnenkollektoren, Vanguard-1 (USA) und „Sputnik-3“ (UdSSR), flogen bereits 1958.

Das Schöne an Sonnenkollektoren ist die direkte Umwandlung von Licht in Elektrizität - Photonen, die auf Halbleiter fallen, verursachen direkt die Bewegung von Elektronen. Durch Reihen- und Parallelschaltung der Zellen können die erforderlichen Spannungs- und Stromwerte erhalten werden.

Unter Raumbedingungen ist die Kompaktheit von Sonnenkollektoren sehr wichtig, zum Beispiel bestehen die riesigen „Flügel“ der ISS aus sehr dünnen Platten, die in der Transportposition mit einem Akkordeon gefaltet wurden.

Video-Offenlegung von ISS-Panels

Bisher sind Solarmodule die beste Option, wenn Raumfahrzeuge jahrelang mit Energie versorgt werden müssen. Aber natürlich haben sie wie jede andere Lösung ihre Nachteile.

Erstens wird der Satellit in einer erdnahen Umlaufbahn ständig in den Schatten der Erde gehen, und es ist notwendig, die Panels mit Batterien zu ergänzen, damit die Stromversorgung kontinuierlich ist. Batterien und die zusätzliche Fläche von Sonnenkollektoren zum Laden auf der Sonnenseite der Umlaufbahn erhöhen die Masse des elektrischen Systems des Satelliten erheblich.

Darüber hinaus folgt die Kraft der Sonnenstrahlung dem Gesetz der inversen Quadrate: Jupiter ist fünfmal weiter als die Erde, aber in seiner Umlaufbahn erhält ein Raumschiff mit denselben Sonnenkollektoren 25 Mal weniger Strom.

Sonnenkollektoren verschlechtern sich unter kosmischen Strahlungsbedingungen allmählich, daher sollte ihre Fläche mit einem Spielraum für lange Missionen berechnet werden.

Eine lineare Zunahme der Masse von Solarmodulen mit einer Zunahme der erforderlichen Leistung an einem bestimmten Punkt macht sie im Vergleich zu anderen Systemen zu schwer.

Alternative zu Batterien

Wenn Sie Nurbey Gulias wundervolles Buch "Auf der Suche nach einer Energiekapsel" lesen, werden Sie sich vielleicht daran erinnern, dass er sich nach langer Suche nach der idealen Batterie für die Schwungräder entschieden hat, die für eine sichere Zerstörung modifiziert wurden. Mit den Erfolgen von Lithium-Ionen-Batterien ist dieses Thema weniger interessant, aber es wurden auch Experimente zur Speicherung von Energie in einem ungedrehten Schwungrad im Weltraum durchgeführt. Im frühen 21. Jahrhundert führte Honeywell Experimente mit einem Schwungradspeicher durch. Theoretisch kann diese Richtung auch interessant sein, da im Orientierungssystem des Satelliten Schwungräder verwendet werden und es möglich ist, Modi zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Position im Raum und zur Speicherung von Energie zu kombinieren.

Konzentriere es

Bereits in der Phase der Entwicklung des Konzepts war klar, dass die Freedom-Station (nach zahlreichen Änderungen, die als ISS implementiert wurden) viel Strom benötigen würde. Und die Berechnungen von 1989 haben gezeigt, dass der Solarkollektor im Vergleich zur Stromversorgung nur mit Solarmodulen 3 bis 4 Milliarden Dollar (6 bis 8 Milliarden in den heutigen Preisen) einsparen kann. Was sind diese Designs?

Eines der frühesten Designs von Freedom. Sechseckkonstruktionen an

den Rändern sind Solarkonzentratoren. Spiegel bilden ein Paraboloid, das Sonnenlicht auf einem Empfänger im Fokus sammelt. Darin kocht das Kühlmittel, das Gas dreht die Turbine, die Strom erzeugt. Die Platte daneben ist ein Wärmestrahler, in dem das Kühlmittel wieder in die Flüssigkeit kondensiert.

Leider wurde das Design, wie viele Ideen für die Freedom Station, Opfer von Budgetkürzungen, und die ISS verwendet nur Sonnenkollektoren, sodass wir in der Praxis nicht herausfinden können, ob die Kosteneinsparungen erreicht wurden. Es ist erwähnenswert, dass Solarkollektoren auch auf der Erde verwendet werden, aber sie werden in der einfachsten Form ohne Konzentration von Spiegeln verteilt - ihre Antriebe erhöhen die Kosten erheblich.

Wärme und Strom

Wenn die Sonne hell über uns scheint, kann man nicht an kosmische Kälte glauben. Tatsächlich steigt die Temperatur auf der beleuchteten Seite des Mondes über 100 ° C. In einer Mondnacht kühlt sich die Oberfläche jedoch unter -100 ° C ab. Auf dem Mars liegt die Durchschnittstemperatur bei -60 ° C. Und in der Umlaufbahn des Jupiter gibt die Sonne, wie wir bereits gesagt haben, nur 1/25 von dem, was zur Erde geht. Und zum Glück für Planetenrover und interplanetare Stationen gibt es eine Option, bei der die Heizung und Stromversorgung des Raumfahrzeugs bequem bereitgestellt werden.

Wie Sie wissen, kann dieselbe Substanz viele Isotope haben - Atome, die sich nur in der Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. Und es gibt sowohl stabile als auch Isotope, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zerfallen. Nachdem Sie ein Element mit einer geeigneten Halbwertszeit aufgenommen haben, können Sie es als Energiequelle verwenden.

Eines der beliebtesten Isotope ist ²³⁸ Pu (Plutonium-238). Ein Gramm reines Plutonium-238 erzeugt ungefähr 0,5 Watt Wärme, und eine Halbwertszeit von 87,7 Jahren bedeutet, dass für lange Zeit genug Energie vorhanden sein wird.

Die Tatsache, dass der nukleare Zerfall Wärme freisetzt, bedeutet, dass sie irgendwie in Elektrizität umgewandelt werden muss. Hierzu wird am häufigsten ein Thermoelement verwendet - zwei verschiedene miteinander verschmolzene Metalle erzeugen bei ungleichmäßiger Erwärmung Strom. Die Kombination einer Energiequelle in Form von zerfallenden radioaktiven Isotopen und thermoelektrischen Wandlern ergab den Namen „thermoelektrischer Radioisotopgenerator“ oder RTG.

RTG-Schema

RTGs sind in der Astronautik weit verbreitet: Sie erzeugten Elektrizität für Module wissenschaftlicher Ausrüstung, die Apollo-Astronauten auf dem Mond hinterlassen hatten, sowjetische Lunokhods wurden durch den Zerfall von Isotopen erhitzt, Mars-Wikinger-Stationen arbeiteten mit Elektrizität aus RTGs und reisten entlang der Mars Curiosity. RTGs sind eine regelmäßige Stromquelle für Geräte, die zum externen Sonnensystem gelangen - „Pioniere“, „Reisende“, „Neue Horizonte“ und andere.

RTGs sind insofern sehr praktisch, als sie keine Steuerung erfordern, keine beweglichen Teile haben und jahrzehntelang arbeiten können - die Voyager sind seit mehr als vierzig Jahren in Betrieb, obwohl ein Teil der Ausrüstung aufgrund der verringerten Stromerzeugung abgeschaltet werden muss. Leider haben sie auch einen Nachteil - niedrige Energiedichte (ein leistungsstarkes RTG wiegt zu viel) und der hohe Kraftstoffpreis. Die Einstellung der Plutonium-238-Produktion in den USA und steigende Preise beeinflussten die Tatsache, dass die interplanetare Station „Juno“ mit riesigen Sonnenkollektoren an Jupiter ging.

Nukleartechnologien werden mit Sicherheit Sicherheitsprobleme aufwerfen, und RTGs haben seit langem Technologien für ihre Unterstützung etabliert. Nach 1964, als der Unfall einer amerikanischen Trägerrakete mit einem von einem RTG angetriebenen Satelliten zu einem spürbaren Anstieg des Strahlungshintergrunds auf dem gesamten Planeten führte, wurden die RTGs in Kapseln verpackt, die einem Sturz der Atmosphäre standhalten konnten, und nachfolgende Unfälle hinterließen keine merklichen Spuren.

Die Komplexität der Transformationen

Ein thermoelektrischer Generator ist nicht die einzige Möglichkeit, Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Bei thermionischen Wandlern wird die Kathode einer Vakuumlampe erwärmt. Elektronen „springen“ zur Anode und erzeugen elektrischen Strom. Thermoelektrische Wandler wandeln Wärme in Infrarotlicht um, das dann ähnlich wie ein Solarpanel in Elektrizität umgewandelt wird. Der thermoelektrische Wandler auf Alkalimetallen verwendet einen Elektrolyten aus Natrium- und Schwefelsalzen. Der Stirlingmotor wandelt die Temperaturdifferenz in Bewegung um, die dann von einem Generator in Elektrizität umgewandelt wird.

Überkopfreaktoren

Von allen kontrollierten Energiequellen, die der Menschheit bekannt sind, hat Kernbrennstoff die höchste Dichte - ein Gramm Uran kann so viel Energie produzieren wie 2 Tonnen Öl oder drei Tonnen Kohle. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Kernreaktoren eine vielversprechende Option sind, wenn ein Raumfahrzeug über einen langen Zeitraum mit einer großen Energiemenge versorgt werden muss.

Linke amerikanische SNAP, rechte sowjetische "Buk"

Die Arbeiten an Weltraumreaktoren begannen bereits in den 1960er Jahren. Der erste, der ins All ging, war der amerikanische SNAP-10A, der 43 Tage im Orbit arbeitete und aufgrund eines Unfalls, der nicht mit dem Reaktorsystem zu tun hatte, abgeschaltet wurde. Danach übernahm die UdSSR. US-A-Satelliten zur Verfolgung der Bewegung von Streikgruppen amerikanischer Flugzeugträger, Legenda-Zielsysteme beförderten den Buk-Kernreaktor an Bord, um das aktive Radarsystem mit Energie zu versorgen, und mehr als drei Dutzend von ihnen wurden gestartet. In den späten 80er Jahren flog der Topaz-Reaktor zweimal mit weniger Kernbrennstoff und höherem Wirkungsgrad ins All - 150 kW Wärmeleistung „Topaz“ produzierte 6 kW Strom gegenüber 100 und 3 für Buk. Dies wurde erreicht, einschließlich der Verwendung eines anderen Energiewandlers - thermionisch anstelle von thermoelektrisch.Nach 1988 flogen jedoch keine Satelliten mit Kernreaktoren mehr an Bord.

Die Wiederbelebung des Interesses an Kernreaktoren erfolgte im 21. Jahrhundert. Im Westen ist dies auf einen Rückgang der Lagerbestände und einen Anstieg des Plutonium-238-Preises für RTGs zurückzuführen. In den USA wird der Kilopower-Reaktor entwickelt, dessen Aufgabe ein Analogon zur RTG wird. Ein interessantes Merkmal ist, dass der Reaktor selbstregulierend ausgelegt ist und nach der Aktivierung wie RTGs keine Überwachung erfordert. In Russland wird ein Kernkraftwerksprojekt der Megawattklasse entwickelt. In Kombination mit elektrischen Antriebsmotoren sollte ein Design mit grundlegend neuen Fähigkeiten, einem sehr effizienten Orbitalschlepper, erhalten werden.

Die Reaktorsicherheit basiert auf anderen Prinzipien als RTGs. Vor dem Start ist der Reaktor sauber (Uran ist giftig, kann aber sicher mit Handschuhen entnommen werden). Im Falle eines Unfalls werden dagegen Gasgeneratoren installiert, die ihn in dichten Schichten der Atmosphäre zuverlässig zerstören. Nach dem Einschalten sammeln sich jedoch gefährliche Isotope im Reaktor an, und sowjetische US-A-Satelliten brachten den Reaktor im Falle eines Unfalls in eine hohe Grabbahn. Die gedämpften Reaktoren fliegen immer noch über unsere Köpfe, aber angesichts der Lebensdauer der Umlaufbahnen werden die Weltraumfänger der Zukunft sie eher erreichen und zu nützlichen Ressourcen bringen, als sie in der Atmosphäre verbrennen.

Kabelgenerator

Wie Sie wissen, hat die Erde ein Magnetfeld. Es wird bereits in Orientierungssystemen für Raumfahrzeuge verwendet, es gibt jedoch eine andere Option. Wenn Sie ein langes Kabel abwickeln, können Sie entweder Strom durch Bremsen des Geräts erhalten oder beschleunigen, indem Sie Strom durch das Kabel leiten.

Die auf den Satelliten einwirkenden Kräfte, die das leitende Kabel freigesetzt haben

Bisher hat die Idee, Bremsvorrichtungen mit Kabeln zur Reduzierung der Menge an Weltraummüll zu bremsen, die größte Entwicklung erfahren, aber es ist technisch möglich, den Satelliten auf diese Weise mit Strom zu versorgen, wenn auch nicht für eine sehr lange Zeit.

Fazit

Jetzt entwickelt sich die Stromversorgungsindustrie für Raumfahrzeuge aktiv. Sonnenkollektoren und Batterien werden effizienter, und die Wiederaufnahme der Arbeiten an Weltraumreaktoren gibt Hoffnung auf die Entstehung neuer leistungsfähiger Stromquellen.

Material vorbereitet für das Portal "N + 1" .

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