🤘🏾 🤛🏽 🖐🏻 Poder espacial 🥒 🥘 🤞🏽

Hace medio siglo, el científico soviético Nikolai Kardashev formó una escala en la que el nivel de desarrollo de la civilización estaba determinado por la cantidad de energía utilizada. El enfoque es muy lógico, cuando la humanidad dominaba la energía de los caballos, el carbón, el petróleo y la descomposición nuclear, cada vez que alcanzaba un nuevo nivel de poder. La exploración espacial depende no solo de la capacidad de poner un satélite en órbita, sino también de tecnologías que le permitan funcionar. Y proporcionar energía a las naves espaciales es una de las facetas más importantes de la astronáutica. ¿Qué métodos idearon las personas?

Artista James Vaughan

Formulación del problema

En el problema del suministro de energía de una nave espacial, se pueden distinguir dos criterios que permiten distribuir visualmente varios enfoques. Es poder y duración. De hecho, es lógico que algunas soluciones técnicas se utilicen para la tarea "muchas, pero no por mucho tiempo", y otras para "durante décadas, aunque sea un poco". Si toma estos criterios como eje del gráfico, obtendrá la siguiente imagen:

Spacecraft Power Systems , David W. Miller, John Keesee

El primer satélite realizó un vuelo con baterías cargadas de plata y zinc, que proporcionaron un transmisor "bip-bip" durante 21 días. La solución era lógica: los paneles solares experimentales estaban haciendo cola en la instalación D, que se convirtió en Sputnik-3 (lanzado el 15 de mayo de 1958). Las baterías de plata-zinc, debido a su alta densidad de energía y altas corrientes de descarga, se usan ampliamente en la astronáutica, y su inconveniente es que el pequeño número de ciclos de recarga no es importante cuando la batería se usa una vez. Una metamorfosis interesante ocurrió con la nave Soyuz: las primeras naves volaron con paneles solares, en la modificación 7K-T (Soyuz-10 - Soyuz-40, a excepción de -13, -16, -19, -22) fueron retirados, dejando solo baterías con una reserva de energía durante dos días, y con la próxima modificación de "-TM", los paneles solares fueron devueltos nuevamente y ya de forma permanente.Hasta ahora, las baterías siguen siendo una solución racional para dispositivos que no durarán más que unos pocos días y no requieren grandes cantidades de electricidad. A veces, incluso se colocan elementos no recargables en los dispositivos, por ejemplo, la sonda de salto MASCOT, que se dejó caer desde la estación interplanetaria Hayabusa-2 sobre el asteroide Ryugu, usó elementos de cloruro de litio-tionilo, que duraron 16 horas. Pero los elementos recargables son más comunes, es más conveniente trabajar con ellos, ya que, si es necesario, se pueden recargar antes de comenzar sin desmontar el dispositivo. Debido a sus altas características, las células de iones de litio ahora se usan ampliamente no solo en electrodomésticos, sino también en naves espaciales.que funcionará no más de unos pocos días y no requiere grandes cantidades de electricidad. A veces, incluso se colocan elementos no recargables en los dispositivos, por ejemplo, la sonda de salto MASCOT, que se dejó caer desde la estación interplanetaria Hayabusa-2 sobre el asteroide Ryugu, usó elementos de cloruro de litio-tionilo, que duraron 16 horas. Pero los elementos recargables son más comunes, es más conveniente trabajar con ellos, ya que, si es necesario, se pueden recargar antes de comenzar sin desmontar el dispositivo. Debido a sus altas características, las células de iones de litio ahora se usan ampliamente no solo en electrodomésticos, sino también en naves espaciales.que funcionará no más de unos pocos días y no requiere grandes cantidades de electricidad. A veces, incluso se colocan elementos no recargables en los dispositivos, por ejemplo, la sonda de salto MASCOT, que se dejó caer desde la estación interplanetaria Hayabusa-2 sobre el asteroide Ryugu, usó elementos de cloruro de litio-tionilo, que duraron 16 horas. Pero los elementos recargables son más comunes, es más conveniente trabajar con ellos, ya que, si es necesario, se pueden recargar antes de comenzar sin desmontar el dispositivo. Debido a sus altas características, las células de iones de litio ahora se usan ampliamente no solo en electrodomésticos, sino también en naves espaciales.utilizó elementos de cloruro de tionilo de litio, que duraron 16 horas. Pero los elementos recargables son más comunes, es más conveniente trabajar con ellos, ya que, si es necesario, se pueden recargar antes de comenzar sin desmontar el dispositivo. Debido a sus altas características, las células de iones de litio ahora se usan ampliamente no solo en electrodomésticos, sino también en naves espaciales.utilizó elementos de cloruro de tionilo de litio, que duraron 16 horas. Pero los elementos recargables son más comunes, es más conveniente trabajar con ellos, ya que, si es necesario, se pueden recargar antes de comenzar sin desmontar el dispositivo. Debido a sus altas características, las células de iones de litio ahora se usan ampliamente no solo en electrodomésticos, sino también en naves espaciales.

MASCOT Hayabusa-2

Si se requiere mucha energía, pero por un corto tiempo, tiene sentido usar fuentes químicas. Por ejemplo, en los transbordadores espaciales estaban las llamadas APU. A pesar del nombre completamente idéntico con la planta de energía auxiliar en los aviones, estos eran dispositivos específicos. En la cámara de combustión, se quemó combustible químico (combustible a base de hidrazina y tetróxido de nitrógeno), se suministró gas caliente a la turbina y su rotación creó presión en el sistema hidráulico del transbordador sin una conversión intermedia de energía en electricidad. La hidráulica convirtió las superficies de control del orbitador en las etapas de lanzamiento en órbita y aterrizaje. Es curioso que ahora la densidad de energía de las baterías de iones de litio haya alcanzado tales valores que ha aparecido el vehículo de lanzamiento Electron,en el que una unidad de turbobomba (un dispositivo para suministrar combustible al motor) que realizaba una función similar fue reemplazada por una bomba eléctrica con una batería. Las pérdidas en una mayor masa de baterías fueron compensadas por la simplicidad del desarrollo.

Celdas de combustible

Celda de combustible del transbordador espacial

Si la duración de un vuelo espacial no excede de dos a tres semanas, entonces, especialmente para las naves espaciales tripuladas, las llamadas celdas de combustible se vuelven muy atractivas. Como saben, el hidrógeno se quema en oxígeno con la liberación de una gran cantidad de calor, y los motores de cohetes que lo utilizan se encuentran entre los más eficientes. Y la capacidad de recibir electricidad directamente de una combinación de hidrógeno y oxígeno ha generado fuentes de electricidad, que, por cierto, se utilizan no solo en la astronáutica.

Una celda de combustible funciona de la siguiente manera: el hidrógeno ingresa al ánodo, se convierte en un ion cargado positivamente y emite un electrón. En el cátodo, los iones de hidrógeno reciben electrones, se combinan con moléculas de oxígeno y forman agua.

Al conectar varias celdas y suministrar más componentes, es fácil obtener una celda de combustible de alta potencia. Y el agua liberada como resultado del trabajo puede utilizarse para las necesidades de la tripulación. La combinación de propiedades determinó la elección de las celdas de combustible para las naves Apollo (y, por cierto, para las versiones lunares de las Uniones, ellas también fueron elegidas originalmente), los transbordadores y Buran.

Vale la pena señalar que las pilas de combustible pueden ser teóricamente reversibles, disociando el agua para hidrógeno y oxígeno, almacenando electricidad y funcionando, de hecho, como una batería, pero en la práctica aún no se necesitan tales soluciones en astronáutica.

Sol llamado

La vida en la Tierra es imposible sin la energía solar: las plantas crecen en la luz y la energía va más allá de la cadena alimentaria. Y para la astronáutica, el Sol se convirtió inmediatamente en una fuente accesible y gratuita. Los primeros satélites con paneles solares, Vanguard-1 (EE. UU.) Y "Sputnik-3" (URSS), se embarcaron en un vuelo ya en 1958.

La belleza de los paneles solares es la conversión directa de la luz en electricidad: los fotones que caen sobre los semiconductores provocan directamente el movimiento de los electrones. Al conectar las celdas en serie y en paralelo, se pueden obtener los valores de voltaje y corriente requeridos.

En condiciones espaciales, la compacidad de los paneles solares es muy importante, por ejemplo, las enormes "alas" de la ISS están hechas de paneles muy delgados, que se doblaron en la posición de transporte con un acordeón.

Divulgación en video de los paneles ISS

Hasta ahora, los paneles solares siguen siendo la mejor opción si es necesario suministrar energía a las naves espaciales durante años. Pero, por supuesto, ellos, como cualquier otra solución, tienen sus inconvenientes.

En primer lugar, en órbita terrestre baja, el satélite irá constantemente a la sombra de la Tierra, y es necesario complementar los paneles con baterías para que la fuente de alimentación sea continua. Las baterías y el área adicional de paneles solares para cargarlas en el lado soleado de la órbita aumentan significativamente la masa del sistema eléctrico del satélite.

Además, el poder de la radiación solar obedece a la ley del cuadrado inverso: Júpiter está 5 veces más lejos que la Tierra, pero en su órbita una nave espacial con los mismos paneles solares recibirá 25 veces menos electricidad.

Los paneles solares se degradan gradualmente en condiciones de radiación cósmica, por lo que su área debe calcularse con un margen para misiones largas.

Un aumento lineal en la masa de los paneles solares con un aumento en la potencia requerida en algún momento los hace demasiado pesados en comparación con otros sistemas.

Alternativa a las baterías.

Si lees el maravilloso libro de Nurbey Gulia "En busca de una cápsula de energía", puedes recordar que después de una larga búsqueda de la batería ideal, se decidió por los volantes modificados para una destrucción segura. Ahora con los éxitos de las baterías de iones de litio, este tema es menos interesante, pero los experimentos sobre el almacenamiento de energía en un volante sin retorcer también se llevaron a cabo en el espacio. A principios del siglo XXI, Honeywell realizó experimentos con volantes, acumuladores. Teóricamente, esta dirección también puede ser interesante porque los volantes se utilizan en el sistema de orientación del satélite, y es posible combinar modos de mantener la posición requerida en el espacio y almacenar energía.

Concéntralo

Incluso en la etapa de desarrollo del concepto, era obvio que la estación Freedom (después de numerosos cambios implementados como ISS) necesitaría mucha electricidad. Y los cálculos de 1989 mostraron que el colector solar podrá ahorrar de 3 a 4 mil millones de dólares (6-8 mil millones en precios de hoy) en comparación con la fuente de alimentación solo de paneles solares. ¿Qué son estos diseños?

Uno de los primeros diseños de Freedom. Las

construcciones hexagonales alrededor de los bordes son concentradores solares. Los espejos forman un paraboloide que recoge la luz solar en un receptor ubicado en foco. En él, el refrigerante hierve, el gas hace girar la turbina, que genera electricidad. El panel al lado es un radiador de calor en el que el refrigerante se condensa de nuevo en el líquido.

Desafortunadamente, el diseño, como muchas ideas para la estación Freedom, fue víctima de recortes presupuestarios, y la ISS usa solo paneles solares, por lo que en la práctica no podemos averiguar si se lograron los ahorros de costos. Vale la pena señalar que los colectores solares también se usan en la Tierra, pero se distribuyen de la forma más simple sin espejos concentradores: sus unidades aumentan enormemente el costo.

Calor y electricidad

Cuando el sol brilla intensamente en lo alto, uno no puede creer en el frío cósmico. De hecho, en el lado iluminado de la luna, la temperatura se eleva por encima de los 100 ° C. Pero en una noche de luna llena, la superficie se enfría por debajo de -100 ° C. En Marte, la temperatura promedio es de alrededor de -60 ° C. Y en la órbita de Júpiter, como ya hemos dicho, el Sol da solo 1/25 de lo que va a la Tierra. Y, afortunadamente para los rovers planetarios y las estaciones interplanetarias, existe una opción en la que se proporciona convenientemente la calefacción y el suministro de energía de la nave espacial.

Como saben, la misma sustancia puede tener muchos isótopos: átomos, que difieren solo en la cantidad de neutrones en el núcleo. Y hay isótopos estables y en descomposición a diferentes velocidades. Después de haber recogido un elemento con una vida media conveniente, puede usarlo como fuente de energía.

Uno de los isótopos más populares es ²³⁸ Pu (plutonio-238). Un gramo de plutonio puro-238 genera aproximadamente 0.5 vatios de calor, y una vida media de 87.7 años significa que habrá suficiente energía durante mucho tiempo.

El hecho de que la desintegración nuclear libera calor significa que de alguna manera debe convertirse en electricidad. Para esto, se utiliza con mayor frecuencia un termopar: dos metales diferentes fusionados generan electricidad cuando el calentamiento es desigual. La combinación de una fuente de energía en forma de isótopos radiactivos en descomposición y convertidores termoeléctricos dio el nombre de "generador termoeléctrico de radioisótopos" o RTG.

Esquema RTG

Los RTG se usan ampliamente en la astronáutica: generan electricidad para módulos de equipos científicos que los astronautas del Apolo dejaron en la luna, los Lunokhods soviéticos fueron calentados por la descomposición de los isótopos, las estaciones de Viking marcianos trabajaron con electricidad de los RTG y viajaron a lo largo de la curiosidad de Marte. Los RTG son una fuente regular de electricidad para los dispositivos que viajan al sistema solar externo: "Pioneros", "Viajeros", "Nuevos Horizontes" y otros.

Los RTG son muy convenientes porque no requieren ningún control, no tienen piezas móviles y pueden funcionar durante décadas: los Voyagers han permanecido operativos durante más de cuarenta años, a pesar de la necesidad de apagar parte del equipo debido a la reducción de la generación de electricidad. Desafortunadamente, también tienen un inconveniente: baja densidad de energía (un poderoso RTG pesará demasiado) y el alto precio del combustible. El cierre de la producción de plutonio-238 en los EE. UU. Y el aumento de los precios influyeron en el hecho de que la estación interplanetaria "Juno" fue a Júpiter con enormes paneles solares.

Las tecnologías nucleares seguramente suscitarán problemas de seguridad, y los RTG han establecido tecnologías para su apoyo durante mucho tiempo. Después de 1964, cuando el accidente de un cohete portador estadounidense con un satélite impulsado por un RTG condujo a un aumento notable en el fondo de radiación en todo el planeta, los RTG se empaquetaron en cápsulas que podrían soportar una caída en la atmósfera, y los accidentes posteriores no dejaron ninguna marca notable.

La complejidad de las transformaciones.

Un generador termoeléctrico no es la única opción para convertir calor en electricidad. En los convertidores termoiónicos, el cátodo de una lámpara de vacío se calienta. Los electrones "saltan" al ánodo, creando una corriente eléctrica. Los convertidores termoeléctricos convierten el calor en luz infrarroja, que luego se convierte en electricidad de forma similar a un panel solar. Un convertidor termoeléctrico basado en metales alcalinos utiliza un electrolito hecho de sales de sodio y azufre. El motor Stirling convierte la diferencia de temperatura en movimiento, que luego se convierte en electricidad mediante un generador.

Reactores de arriba

De todas las fuentes de energía controlada conocidas por la humanidad, el combustible nuclear tiene la mayor densidad: un gramo de uranio es capaz de producir tanta energía como 2 toneladas de petróleo o tres toneladas de carbón. Por lo tanto, no es sorprendente que los reactores nucleares sean una opción prometedora cuando es necesario suministrar una gran cantidad de energía a una nave espacial durante mucho tiempo.

Izquierda SNAP estadounidense, derecha "Buk" soviético

El trabajo en reactores espaciales comenzó en la década de 1960. El primero en ir al espacio fue el estadounidense SNAP-10A, trabajó en órbita durante 43 días y se cerró debido a un accidente no relacionado con el sistema del reactor. Después de eso, la URSS se hizo cargo. Los satélites US-A diseñados para rastrear el movimiento de los grupos de ataque de portaaviones estadounidenses, los sistemas de objetivos Legenda llevaron el reactor nuclear Buk a bordo para proporcionar energía al sistema de radar activo, y se lanzaron más de tres docenas de ellos. A finales de los años 80, el reactor Topaz voló al espacio dos veces, usando menos combustible nuclear y teniendo una mayor eficiencia: 150 kW de energía térmica "Topaz" produjo 6 kW eléctricos versus 100 y 3 para Buk. Esto se logró incluyendo el uso de otro convertidor de energía: termoiónico en lugar de termoeléctrico.Pero después de 1988, los satélites con reactores nucleares a bordo ya no volaban.

El renacimiento del interés en los reactores nucleares ocurrió en el siglo XXI. En Occidente, esto se debe a una disminución en las existencias y un aumento en el precio del plutonio-238 para los RTG. En los Estados Unidos, se está desarrollando el reactor Kilopower, cuya tarea se convertirá en un análogo del RTG. Una característica interesante es que el reactor está diseñado con autorregulación y, después de la activación, como los RTG, no requiere supervisión. En Rusia, se está desarrollando un proyecto de instalación nuclear de clase megavatio. En combinación con motores de propulsión eléctrica, se debe obtener un diseño con capacidades fundamentalmente nuevas, un remolcador orbital muy eficiente.

La seguridad del reactor se basa en otros principios además de los RTG. Antes de arrancar, el reactor está limpio (el uranio es tóxico, pero se puede tomar de manera segura con guantes), por lo tanto, en caso de accidente, por el contrario, se instalan generadores de gas que lo destruyen de manera confiable en capas densas de la atmósfera. Pero después de encenderse, los isótopos peligrosos comienzan a acumularse en el reactor, y los satélites soviéticos estadounidenses-A en caso de accidente llevaron el reactor a una órbita alta. Los reactores amortiguados aún vuelan sobre nuestras cabezas, pero, dada la vida útil de las órbitas, los carroñeros del futuro los alcanzarán antes y los llevarán a recursos útiles de lo que se quemarán en la atmósfera.

Generador de cable

Como saben, la Tierra tiene un campo magnético. Ya se está utilizando en los sistemas de orientación de naves espaciales, pero hay otra opción. Si desenrolla un cable largo, puede obtener electricidad frenando el dispositivo o acelerar pasando la corriente a través del cable.

Las fuerzas que actúan en el satélite que liberaron el cable conductor

Hasta ahora, la idea de frenar los dispositivos con cables para reducir la cantidad de desechos espaciales ha recibido el mayor desarrollo, pero es técnicamente posible proporcionar energía al satélite de esta manera, aunque no por mucho tiempo.

Conclusión

Ahora la industria de suministro de energía de naves espaciales se está desarrollando activamente. Los paneles solares y las baterías se están volviendo más eficientes, y la reanudación del trabajo en reactores nucleares espaciales da esperanza para la aparición de nuevas fuentes de electricidad potentes.

Material preparado para el portal "N + 1" .

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