😴 🔃 📖 Puissance spatiale 🥩 📆 🎺

Il y a un demi-siècle, le scientifique soviétique Nikolai Kardashev a formé une échelle dans laquelle le niveau de développement de la civilisation était déterminé par la quantité d'énergie utilisée. L'approche est très logique - lorsque l'humanité a maîtrisé l'énergie des chevaux, du charbon, du pétrole et de la désintégration nucléaire - chaque fois qu'elle a atteint un nouveau niveau de puissance. L'exploration spatiale dépend non seulement de la capacité de mettre un satellite en orbite, mais aussi des technologies qui lui permettent de fonctionner. Et fournir de l'énergie aux vaisseaux spatiaux est l'une des facettes les plus importantes de l'astronautique. Quelles méthodes les gens ont-ils élaborées?

Artiste James Vaughan

Formulation du problème

Dans le problème de l'alimentation électrique d'un vaisseau spatial, deux critères peuvent être distingués, qui permettent de répartir visuellement différentes approches. C'est le pouvoir et la durée. En effet, il est logique que certaines solutions techniques soient utilisées pour la tâche «beaucoup, mais pas pour longtemps», et d'autres pour «pendant des décennies, même si ce n'est que peu». Si vous prenez ces critères comme axe du graphique, vous obtenez l'image suivante:

Spacecraft Power Systems , David W. Miller, John Keesee

Le premier satellite a effectué un vol avec des batteries chargées argent-zinc, qui ont fourni un émetteur «bip-bip» pendant 21 jours. La solution était logique - les panneaux solaires expérimentaux faisaient la queue dans l'installation D, devenue Sputnik-3 (lancée le 15 mai 1958). Les batteries argent-zinc, en raison de leur densité énergétique élevée et de leurs courants de décharge élevés, sont largement utilisées en astronautique, et leur inconvénient est que le petit nombre de cycles de recharge n'a pas d'importance lors de l'utilisation de la batterie une fois. Une métamorphose intéressante s'est produite avec le navire Soyouz - les premiers navires ont volé avec des panneaux solaires, sur la modification 7K-T (Soyouz-10 - Soyouz-40, sauf pour -13, -16, -19, -22), ils ont été retirés, ne laissant que des batteries avec une réserve de marche de deux jours, et avec la prochaine modification de «-TM» les panneaux solaires ont été retournés à nouveau et déjà définitivement.Jusqu'à présent, les batteries restent une solution rationnelle pour les appareils qui ne dureront pas plus de quelques jours et ne nécessitent pas de grandes quantités d'électricité. Parfois, même des éléments non rechargeables sont placés sur les appareils, par exemple, la sonde de saut MASCOT tombée de la station interplanétaire Hayabusa-2 sur l'astéroïde Ryugu a utilisé des éléments de chlorure de lithium-thionyle, qui ont duré 16 heures. Mais les éléments rechargeables sont plus courants, il est plus pratique de travailler avec eux, car, si nécessaire, ils peuvent être rechargés avant de démarrer sans démonter l'appareil. En raison de ses caractéristiques élevées, les cellules lithium-ion sont désormais très largement utilisées non seulement dans les appareils électroménagers, mais également sur les engins spatiaux.qui ne fonctionnera pas plus de quelques jours et ne nécessitent pas de grandes quantités d'électricité. Parfois, même des éléments non rechargeables sont placés sur les appareils, par exemple, la sonde de saut MASCOT, larguée de la station interplanétaire Hayabusa-2 sur l'astéroïde Ryugu, utilisé des éléments de chlorure de lithium-thionyle, qui a duré 16 heures. Mais les éléments rechargeables sont plus courants, il est plus pratique de travailler avec eux, car, si nécessaire, ils peuvent être rechargés avant de démarrer sans démonter l'appareil. En raison de ses caractéristiques élevées, les cellules lithium-ion sont désormais très largement utilisées non seulement dans les appareils électroménagers, mais également sur les engins spatiaux.qui ne fonctionnera pas plus de quelques jours et ne nécessitent pas de grandes quantités d'électricité. Parfois, même des éléments non rechargeables sont placés sur les appareils, par exemple, la sonde de saut MASCOT tombée de la station interplanétaire Hayabusa-2 sur l'astéroïde Ryugu a utilisé des éléments de chlorure de lithium-thionyle, qui ont duré 16 heures. Mais les éléments rechargeables sont plus courants, il est plus pratique de travailler avec eux, car, si nécessaire, ils peuvent être rechargés avant de démarrer sans démonter l'appareil. En raison de ses caractéristiques élevées, les cellules lithium-ion sont désormais très largement utilisées non seulement dans les appareils électroménagers, mais également sur les engins spatiaux.utilisé des éléments de chlorure de lithium thionyle, qui ont duré 16 heures. Mais les éléments rechargeables sont plus courants, il est plus pratique de travailler avec eux, car, si nécessaire, ils peuvent être rechargés avant de démarrer sans démonter l'appareil. En raison de ses caractéristiques élevées, les cellules lithium-ion sont désormais très largement utilisées non seulement dans les appareils électroménagers, mais également sur les engins spatiaux.utilisé des éléments de chlorure de lithium thionyle, qui ont duré 16 heures. Mais les éléments rechargeables sont plus courants, il est plus pratique de travailler avec eux, car, si nécessaire, ils peuvent être rechargés avant de démarrer sans démonter l'appareil. En raison de ses caractéristiques élevées, les cellules lithium-ion sont désormais très largement utilisées non seulement dans les appareils électroménagers, mais également sur les engins spatiaux.

MASCOT Hayabusa-2

Si l'énergie est nécessaire, mais pour une courte période, il est logique d'utiliser des sources chimiques. Par exemple, sur les navettes spatiales se trouvaient les soi-disant APU. Malgré le nom complètement identique à celui de la centrale électrique auxiliaire des avions, il s'agissait d'appareils spécifiques. Du carburant chimique a été brûlé dans la chambre de combustion (carburant à base d'hydrazine et tétroxyde d'azote), du gaz chaud a été fourni à la turbine et sa rotation a créé une pression dans le système hydraulique de la navette sans conversion intermédiaire d'énergie en électricité. L'hydraulique a tourné les surfaces de contrôle de l'orbiteur au stade du lancement en orbite et de l'atterrissage. Il est curieux que la densité énergétique des batteries lithium-ion ait atteint des valeurs telles que le lanceur Electron soit apparu,dans laquelle une unité de turbopompe (un dispositif d'alimentation en carburant du moteur) remplissant une fonction similaire a été remplacée par une pompe électrique avec une batterie. Les pertes sur une plus grande masse de batteries ont été compensées par la simplicité de développement.

Réservoirs de carburant

Pile à combustible de la navette spatiale

Si la durée d'un vol spatial ne dépasse pas deux à trois semaines, alors, en particulier pour les engins spatiaux habités, les piles à combustible dites deviennent très attractives. Comme vous le savez, l'hydrogène brûle en oxygène avec la libération d'une énorme quantité de chaleur, et les moteurs-fusées qui en font partie sont parmi les plus efficaces. Et la capacité de recevoir directement de l'électricité à partir d'une combinaison d'hydrogène et d'oxygène a généré des sources d'électricité qui, soit dit en passant, ne sont pas uniquement utilisées en astronautique.

Une pile à combustible fonctionne comme suit: l'hydrogène pénètre dans l'anode, devient un ion chargé positivement et émet un électron. À la cathode, les ions hydrogène reçoivent des électrons, se combinent avec des molécules d'oxygène et forment de l'eau.

En connectant plusieurs cellules et en fournissant plus de composants, il est facile d'obtenir une pile à combustible haute puissance. Et l'eau libérée à la suite des travaux peut être utilisée pour les besoins de l'équipage. La combinaison des propriétés a déterminé le choix des piles à combustible pour les navires Apollo (et, soit dit en passant, pour les versions lunaires des Unions, elles aussi ont été choisies à l'origine), les navettes et Bourane.

Il convient de noter que les piles à combustible peuvent théoriquement être réversibles, dissociant l'eau pour l'hydrogène et l'oxygène, stockant l'électricité et fonctionnant, en fait, comme une batterie, mais dans la pratique, ces solutions ne sont pas demandées dans l'espace.

Soleil nommé

La vie sur Terre est impossible sans l'énergie solaire - les plantes poussent à la lumière et l'énergie va plus loin dans la chaîne alimentaire. Et pour l'astronautique, le Soleil est immédiatement devenu considéré comme une source accessible et gratuite. Les premiers satellites à panneaux solaires, Vanguard-1 (USA) et «Sputnik-3» (URSS), ont déjà volé en 1958.

La beauté des panneaux solaires est la conversion directe de la lumière en électricité - les photons tombant sur les semi-conducteurs provoquent directement le mouvement des électrons. En connectant les cellules en série et en parallèle, les valeurs de tension et de courant requises peuvent être obtenues.

Dans les conditions spatiales, la compacité des panneaux solaires est très importante, par exemple, les énormes «ailes» de l'ISS sont constituées de panneaux très minces, pliés en position de transport avec un accordéon.

Divulgation vidéo des panneaux ISS

Jusqu'à présent, les panneaux solaires restent la meilleure option s'il est nécessaire de fournir de l'énergie aux engins spatiaux pendant des années. Mais, bien sûr, comme toute autre solution, ils ont leurs inconvénients.

Tout d'abord, en orbite terrestre basse, le satellite ira constamment dans l'ombre de la Terre, et il faut compléter les panneaux avec des batteries pour que l'alimentation soit continue. Les batteries et la zone supplémentaire de panneaux solaires pour les charger du côté ensoleillé de l'orbite augmentent considérablement la masse du système électrique du satellite.

De plus, la puissance du rayonnement solaire obéit à la loi du carré inverse: Jupiter est 5 fois plus loin que la Terre, mais sur son orbite un vaisseau spatial avec les mêmes panneaux solaires recevra 25 fois moins d'électricité.

Les panneaux solaires se dégradent progressivement dans des conditions de rayonnement cosmique, leur surface doit donc être calculée avec une marge pour les longues missions.

Une augmentation linéaire de la masse des panneaux solaires avec une augmentation de la puissance requise à un moment donné les rend trop lourds par rapport aux autres systèmes.

Alternative aux batteries

Si vous lisez le merveilleux livre de Nurbey Gulia «À la recherche d'une capsule énergétique», vous vous souvenez peut-être qu'après une longue recherche de la batterie idéale, il s'est installé sur les volants modifiés pour une destruction en toute sécurité. Maintenant avec les succès des batteries lithium-ion, ce sujet est moins intéressant, mais des expériences sur le stockage d'énergie dans un volant non torsadé ont également été menées dans l'espace. Au début du 21e siècle, Honeywell a mené des expériences avec des volants d'inertie, des accumulateurs. Théoriquement, cette direction peut également être intéressante car les volants d'inertie sont utilisés dans le système d'orientation du satellite, et il est possible de combiner des modes de maintien de la position requise dans l'espace et de stockage d'énergie.

Concentrez-le

Même au stade de l'élaboration du concept, il était évident que la station Freedom (après de nombreux changements mis en œuvre comme l'ISS) aurait besoin de beaucoup d'électricité. Et les calculs de 1989 ont montré que le capteur solaire pourra économiser de 3 à 4 milliards de dollars (6-8 milliards aux prix actuels) par rapport à l'alimentation électrique uniquement à partir de panneaux solaires. Quels sont ces designs?

L'une des premières conceptions de Freedom: les

constructions hexagonales sur les bords sont des concentrateurs solaires. Les miroirs forment un paraboloïde qui capte la lumière du soleil sur un récepteur situé au point. Dans celui-ci, le liquide de refroidissement bout, le gaz fait tourner la turbine, qui génère de l'électricité. Le panneau à côté est un radiateur thermique dans lequel le liquide de refroidissement se condense dans le liquide.

Malheureusement, la conception, comme de nombreuses idées pour la station Freedom, a été victime de coupes budgétaires, et l'ISS utilise uniquement des panneaux solaires, nous ne pouvons donc pas en pratique savoir si les économies ont été réalisées. Il convient de noter que les capteurs solaires sont également utilisés sur Terre, mais ils sont distribués sous la forme la plus simple sans miroir de concentration - leurs entraînements augmentent considérablement le coût.

Chaleur et électricité

Lorsque le soleil brille au-dessus de nous, on ne peut pas croire au froid cosmique. En effet, du côté éclairé de la lune, la température dépasse 100 ° C. Mais une nuit de pleine lune, la surface se refroidit en dessous de -100 ° C. Sur Mars, la température moyenne est d'environ -60 ° C. Et dans l'orbite de Jupiter, comme nous l'avons dit, le Soleil ne donne que 1/25 de ce qui va à la Terre. Et, heureusement pour les satellites et les stations interplanétaires, il existe une option dans laquelle le chauffage et l'alimentation électrique du vaisseau spatial sont fournis de manière pratique.

Comme vous le savez, la même substance peut avoir de nombreux isotopes - des atomes, ne différant que par le nombre de neutrons dans le noyau. Et il y a à la fois des isotopes stables et en décomposition à différentes vitesses. Après avoir ramassé un élément avec une demi-vie pratique, vous pouvez l'utiliser comme source d'énergie.

L'un des isotopes les plus populaires est le ²³⁸ Pu (plutonium-238). Un gramme de plutonium-238 pur génère environ 0,5 watts de chaleur et une demi-vie de 87,7 ans signifie qu'il y aura suffisamment d'énergie pendant longtemps.

Le fait que la décroissance nucléaire libère de la chaleur signifie qu'elle doit être transformée en quelque sorte en électricité. Pour cela, un thermocouple est le plus souvent utilisé - deux métaux différents fusionnés produisent de l'électricité lorsque le chauffage est inégal. La combinaison d'une source d'énergie sous forme d'isotopes radioactifs en décomposition et de convertisseurs thermoélectriques a donné le nom de «générateur thermoélectrique de radio-isotopes» ou RTG.

Schéma RTG

Les RTG sont largement utilisés en astronautique: ils ont généré de l'électricité pour des modules d'équipements scientifiques laissés sur la lune par les astronautes d'Apollo, les Lunokhods soviétiques ont été chauffés par la décomposition des isotopes, les stations martiennes Viking ont travaillé sur l'électricité des RTG et ont voyagé le long de Mars Curiosity. Les RTG sont une source régulière d'électricité pour les appareils voyageant vers le système solaire externe - «Pionniers», «Voyagers», «Nouveaux Horizons» et autres.

Les RTG sont très pratiques car ils ne nécessitent aucun contrôle, n'ont pas de pièces mobiles et sont capables de fonctionner pendant des décennies - les Voyagers sont restés opérationnels pendant plus de quarante ans, malgré la nécessité d'éteindre une partie de l'équipement en raison de la réduction de la production d'électricité. Malheureusement, ils ont aussi un inconvénient - une faible densité d'énergie (un RTG puissant pèsera trop) et le prix élevé du carburant. L'arrêt de la production de plutonium 238 aux États-Unis et la hausse des prix ont influencé le fait que la station interplanétaire «Juno» s'est rendue à Jupiter avec d'énormes panneaux solaires.

Les technologies nucléaires soulèveront certainement des problèmes de sûreté, et les RTG ont depuis longtemps établi des technologies pour leur soutien. Après 1964, lorsque l'accident d'un lanceur américain avec un satellite propulsé par un RTG a entraîné une augmentation notable du rayonnement de fond sur toute la planète, les RTG ont été emballés dans des capsules qui pouvaient résister à une chute dans l'atmosphère, et les accidents ultérieurs n'ont laissé aucune trace notable.

La complexité des transformations

Un générateur thermoélectrique n'est pas la seule option pour convertir la chaleur en électricité. Dans les convertisseurs thermo-ioniques, la cathode d'une lampe à vide est chauffée. Les électrons «sautent» vers l'anode, créant un courant électrique. Les convertisseurs thermoélectriques convertissent la chaleur en lumière infrarouge, qui est ensuite convertie en électricité semblable à un panneau solaire. Un convertisseur thermoélectrique à base de métaux alcalins utilise un électrolyte à base de sels de sodium et de soufre. Le moteur Stirling convertit la différence de température en mouvement, qui est ensuite converti en électricité par un générateur.

Réacteurs aériens

De toutes les sources d'énergie contrôlées connues de l'humanité, le combustible nucléaire a la densité la plus élevée - un gramme d'uranium est capable de produire autant d'énergie que 2 tonnes de pétrole ou trois tonnes de charbon. Par conséquent, il n'est pas surprenant que les réacteurs nucléaires soient une option prometteuse lorsqu'il est nécessaire de fournir une grande quantité d'énergie à un vaisseau spatial pendant une longue période.

SNAP américain de gauche, "Buk" soviétique de droite

Les travaux sur les réacteurs spatiaux ont commencé dans les années 1960. Le premier à entrer dans l'espace a été l'Américain SNAP-10A, a fonctionné en orbite pendant 43 jours et a été arrêté en raison d'un accident non lié au système du réacteur. Après cela, l'URSS a pris le relais. Les satellites US-A du système de ciblage Legenda, conçus pour suivre les mouvements des groupes de frappe des porte-avions américains, transportaient le réacteur nucléaire de Buk à bord pour fournir de l'énergie au système radar actif, et plus de trois douzaines d'entre eux ont été lancés. À la fin des années 80, le réacteur Topaz a volé dans l'espace à deux reprises, utilisant moins de combustible nucléaire et ayant une plus grande efficacité - 150 kW de puissance thermique "Topaz" a produit 6 kW électriques contre 100 et 3 pour Buk. Cet objectif a été atteint grâce à l'utilisation d'un autre convertisseur d'énergie - thermionique au lieu de thermoélectrique.Mais après 1988, les satellites avec des réacteurs nucléaires à bord ne volaient plus.

Le regain d'intérêt pour les réacteurs nucléaires s'est produit au 21e siècle. En Occident, cela est dû à une diminution des stocks et à une augmentation du prix du plutonium-238 pour les RTG. Aux États-Unis, le réacteur Kilopower est en cours de développement, dont la tâche deviendra un analogue du RTG. Une caractéristique intéressante est que le réacteur est conçu autorégulé et, après activation, comme les RTG, ne nécessite pas de supervision. En Russie, un projet d'installation nucléaire de classe mégawatts est en cours de développement. En combinaison avec des moteurs à propulsion électrique, une conception avec des capacités fondamentalement nouvelles, un remorqueur orbital très efficace, devrait être obtenue.

La sécurité des réacteurs est basée sur d'autres principes que les RTG. Avant de démarrer, le réacteur est propre (l'uranium est toxique, mais il peut être pris en toute sécurité avec des gants), par conséquent, en cas d'accident, au contraire, des générateurs de gaz sont installés qui le détruisent de manière fiable dans les couches denses de l'atmosphère. Mais après la mise en marche, des isotopes dangereux commencent à s'accumuler dans le réacteur, et les satellites soviétiques US-A en cas d'accident ont amené le réacteur sur une orbite de sépulture élevée. Les réacteurs étouffés volent toujours au-dessus de nos têtes, mais, étant donné la durée de vie des orbites, les charognards de l'avenir les atteindront plus tôt et les emmèneront vers des ressources utiles qu'ils ne brûleront dans l'atmosphère.

Générateur de câbles

Comme vous le savez, la Terre a un champ magnétique. Il est déjà utilisé dans les systèmes d'orientation des engins spatiaux, mais il existe une autre option. Si vous déroulez un long câble, vous pouvez soit obtenir de l'électricité en freinant l'appareil, soit accélérer en faisant passer du courant dans le câble.

Les forces agissant sur le satellite qui a libéré le câble conducteur

Jusqu'à présent, l'idée de freiner les dispositifs avec des câbles pour réduire la quantité de débris spatiaux a reçu le plus de développement, mais il est techniquement possible d'alimenter le satellite de cette manière, mais pas pour très longtemps.

Conclusion

Aujourd'hui, l'industrie de l'alimentation électrique des engins spatiaux se développe activement. Les panneaux solaires et les batteries gagnent en efficacité, et la reprise des travaux sur les réacteurs nucléaires spatiaux laisse entrevoir l'émergence de nouvelles sources puissantes d'électricité.

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