👩🏽‍🎤 ⚪️ 👨‍🎨 Kekuatan ruang 🤲 👩🏼 ➕

Setengah abad yang lalu, ilmuwan Soviet Nikolai Kardashev membentuk skala di mana tingkat perkembangan peradaban ditentukan oleh jumlah energi yang digunakan. Pendekatan ini sangat logis - ketika umat manusia menguasai energi kuda, batu bara, minyak dan peluruhan nuklir - setiap kali ia naik ke tingkat kekuatan baru. Eksplorasi ruang angkasa tidak hanya bergantung pada kemampuan untuk menempatkan satelit ke orbit, tetapi juga pada teknologi yang memungkinkannya berfungsi. Dan memberikan energi pada pesawat ruang angkasa adalah salah satu aspek terpenting dari astronautika. Metode apa yang muncul orang?

Artis James Vaughan

Perumusan masalah

Dalam masalah suplai daya pesawat ruang angkasa, dua kriteria dapat dibedakan, yang memungkinkan distribusi berbagai pendekatan secara visual. Itu adalah kekuatan dan durasi. Memang, logis bahwa beberapa solusi teknis digunakan untuk tugas "banyak, tetapi tidak lama", dan lainnya untuk "selama beberapa dekade, bahkan jika hanya sedikit." Jika Anda mengambil kriteria ini sebagai sumbu grafik, Anda mendapatkan gambar berikut: Sistem Pesawat Luar

Angkasa , David W. Miller, John Keesee

Satelit pertama melakukan penerbangan dengan baterai perak-seng yang diisi, yang menyediakan pemancar "bip bip" selama 21 hari. Solusinya logis - panel surya eksperimental menunggu dalam antrean di fasilitas D, yang menjadi Sputnik-3 (diluncurkan 15 Mei 1958). Baterai perak-seng, karena kepadatan energinya yang tinggi dan arus pelepasan yang tinggi, banyak digunakan dalam bidang astronotika, dan kekurangannya adalah bahwa sejumlah kecil siklus pengisian ulang tidak penting ketika baterai digunakan sekali. Metamorfosis yang menarik terjadi pada kapal Soyuz - kapal pertama terbang dengan panel surya, pada modifikasi 7K-T (Soyuz-10 - Soyuz-40, kecuali untuk -13, -16, -19, -22) mereka dipindahkan, hanya menyisakan baterai dengan cadangan daya selama dua hari, dan dengan modifikasi "-TM" berikutnya panel surya dikembalikan lagi dan sudah secara permanen.Hingga saat ini, baterai tetap menjadi solusi rasional untuk perangkat yang akan bertahan tidak lebih dari beberapa hari dan tidak memerlukan listrik dalam jumlah besar. Kadang-kadang bahkan elemen yang tidak dapat diisi ulang diletakkan pada perangkat, misalnya, probe lompat MASCOT, dijatuhkan dari stasiun antarplanet Hayabusa-2 ke asteroid Ryugu, menggunakan elemen lithium-thionyl chloride, yang bertahan selama 16 jam. Tetapi elemen yang dapat diisi ulang lebih umum, lebih mudah untuk bekerja dengannya, karena, jika perlu, mereka dapat diisi ulang sebelum memulai tanpa membongkar perangkat. Karena karakteristiknya yang tinggi, sel-sel lithium-ion sekarang sangat banyak digunakan tidak hanya pada peralatan rumah tangga, tetapi juga pada pesawat ruang angkasa.yang akan bekerja tidak lebih dari beberapa hari dan tidak memerlukan banyak listrik. Kadang-kadang bahkan elemen yang tidak dapat diisi ulang diletakkan pada perangkat, misalnya, probe lompat MASCOT, dijatuhkan dari stasiun antarplanet Hayabusa-2 ke asteroid Ryugu, menggunakan elemen lithium-thionyl chloride, yang bertahan selama 16 jam. Tetapi elemen yang dapat diisi ulang lebih umum, lebih mudah untuk bekerja dengannya, karena, jika perlu, mereka dapat diisi ulang sebelum memulai tanpa membongkar perangkat. Karena karakteristiknya yang tinggi, sel-sel lithium-ion sekarang sangat banyak digunakan tidak hanya pada peralatan rumah tangga, tetapi juga pada pesawat ruang angkasa.yang akan bekerja tidak lebih dari beberapa hari dan tidak memerlukan banyak listrik. Kadang-kadang bahkan elemen yang tidak dapat diisi ulang diletakkan pada perangkat, misalnya, probe lompat MASCOT, dijatuhkan dari stasiun antarplanet Hayabusa-2 ke asteroid Ryugu, menggunakan elemen lithium-thionyl chloride, yang bertahan selama 16 jam. Tetapi elemen yang dapat diisi ulang lebih umum, lebih mudah untuk bekerja dengannya, karena, jika perlu, mereka dapat diisi ulang sebelum memulai tanpa membongkar perangkat. Karena karakteristiknya yang tinggi, sel-sel lithium-ion sekarang sangat banyak digunakan tidak hanya pada peralatan rumah tangga, tetapi juga pada pesawat ruang angkasa.menggunakan elemen lithium thionyl chloride, yang berlangsung selama 16 jam. Tetapi elemen yang dapat diisi ulang lebih umum, lebih mudah untuk bekerja dengannya, karena, jika perlu, mereka dapat diisi ulang sebelum memulai tanpa membongkar perangkat. Karena karakteristiknya yang tinggi, sel-sel lithium-ion sekarang sangat banyak digunakan tidak hanya pada peralatan rumah tangga, tetapi juga pada pesawat ruang angkasa.menggunakan elemen lithium thionyl chloride, yang berlangsung selama 16 jam. Tetapi elemen yang dapat diisi ulang lebih umum, lebih mudah untuk bekerja dengannya, karena, jika perlu, mereka dapat diisi ulang sebelum memulai tanpa membongkar perangkat. Karena karakteristiknya yang tinggi, sel-sel lithium-ion sekarang sangat banyak digunakan tidak hanya pada peralatan rumah tangga, tetapi juga pada pesawat ruang angkasa.

MASCOT Hayabusa-2

Jika energi sangat dibutuhkan, tetapi untuk waktu yang singkat, masuk akal untuk menggunakan sumber kimia. Sebagai contoh, pada pesawat ulang-alik adalah APU yang disebut. Meskipun nama yang sama persis dengan pembangkit listrik tambahan di pesawat terbang, ini adalah perangkat khusus. Di ruang bakar, bahan bakar kimia (bahan bakar berbasis hidrazin dan nitrogen tetroksida) dibakar, gas panas disuplai ke turbin, dan putarannya menciptakan tekanan dalam sistem hidrolik pesawat ulang-alik tanpa konversi antara energi menjadi listrik. Hidraulik mengubah permukaan kontrol pengorbit pada tahap peluncuran ke orbit dan pendaratan. Sangat mengherankan bahwa sekarang kerapatan energi baterai lithium-ion telah mencapai nilai sedemikian rupa sehingga kendaraan peluncuran Elektron telah muncul,di mana unit turbopump (perangkat untuk memasok bahan bakar ke mesin) melakukan fungsi serupa diganti dengan pompa listrik dengan paket baterai. Kerugian pada massa baterai yang lebih besar dikompensasi oleh kesederhanaan pengembangan.

Sel bahan bakar

Sel bahan bakar pesawat ulang-alik

Jika durasi penerbangan ruang angkasa tidak melebihi dua hingga tiga minggu, maka, terutama untuk pesawat ruang angkasa berawak, yang disebut sel bahan bakar menjadi sangat menarik. Seperti yang Anda ketahui, hidrogen terbakar dalam oksigen dengan melepaskan sejumlah besar panas, dan mesin roket menggunakan ini adalah yang paling efisien. Dan kemampuan untuk secara langsung menerima listrik dari kombinasi hidrogen dan oksigen telah menghasilkan sumber-sumber listrik, yang, omong-omong, digunakan tidak hanya dalam astronotika.

Sel bahan bakar bekerja sebagai berikut: hidrogen memasuki anoda, menjadi ion bermuatan positif dan mengeluarkan elektron. Di katoda, ion hidrogen menerima elektron, bergabung dengan molekul oksigen dan membentuk air.

Dengan menghubungkan beberapa sel dan memasok lebih banyak komponen, mudah untuk mendapatkan sel bahan bakar berdaya tinggi. Dan air yang dikeluarkan sebagai hasil pekerjaan dapat digunakan untuk kebutuhan para kru. Kombinasi sifat menentukan pilihan sel bahan bakar untuk kapal Apollo (dan, omong-omong, untuk versi bulan Serikat, mereka juga pada awalnya dipilih), angkutan dan Buran.

Perlu dicatat bahwa sel bahan bakar secara teoritis dapat dibalikkan, memisahkan air untuk hidrogen dan oksigen, menyimpan listrik dan bekerja, pada kenyataannya, seperti baterai, tetapi dalam praktiknya solusi seperti itu dalam astronotika belum diminati.

Dinamakan matahari

Kehidupan di Bumi tidak mungkin tanpa energi matahari - tanaman tumbuh dalam cahaya, dan energi bergerak lebih jauh di sepanjang rantai makanan. Dan bagi para astronot, Matahari segera dianggap sebagai sumber yang dapat diakses dan gratis. Satelit pertama dengan panel surya, Vanguard-1 (USA) dan "Sputnik-3" (USSR), sudah terbang pada tahun 1958.

Keindahan panel surya adalah konversi langsung cahaya menjadi listrik - foton yang jatuh pada semikonduktor secara langsung menyebabkan pergerakan elektron. Menghubungkan sel-sel secara seri dan paralel, Anda bisa mendapatkan tegangan dan arus yang diperlukan.

Dalam kondisi ruang, kekompakan panel surya sangat penting, misalnya, "sayap" besar ISS terbuat dari panel yang sangat tipis, yang dilipat dalam posisi transportasi dengan akordeon.

Pengungkapan video panel ISS

Sampai saat ini, panel surya tetap menjadi pilihan terbaik jika diperlukan untuk memasok energi ke pesawat ruang angkasa selama bertahun-tahun. Tetapi, tentu saja, mereka, seperti solusi lain, memiliki kekurangan.

Pertama-tama, dalam orbit Bumi yang rendah, satelit akan terus-menerus masuk ke bayang-bayang Bumi, dan perlu untuk melengkapi panel dengan baterai sehingga catu daya terus menerus. Baterai dan area tambahan panel surya untuk mengisi dayanya di sisi cerah dari orbit secara signifikan meningkatkan massa sistem kelistrikan satelit.

Lebih jauh, kekuatan radiasi matahari mematuhi hukum kuadrat terbalik: Jupiter 5 kali lebih jauh dari Bumi, tetapi dalam orbitnya sebuah pesawat ruang angkasa dengan panel surya yang sama akan menerima 25 kali lebih sedikit listrik.

Panel surya secara bertahap mengalami degradasi dalam kondisi radiasi kosmik, sehingga luasnya harus dihitung dengan margin untuk misi yang panjang.

Peningkatan linear dalam massa panel surya dengan peningkatan daya yang diperlukan pada beberapa titik membuatnya terlalu berat dibandingkan dengan sistem lain.

Alternatif untuk baterai

Jika Anda membaca buku Nurbey Gulia yang indah “In Search of an Energy Capsule”, Anda mungkin ingat bahwa setelah lama mencari baterai yang ideal, ia memilih roda gaya yang dimodifikasi untuk penghancuran yang aman. Sekarang dengan keberhasilan baterai lithium-ion, topik ini kurang menarik, tetapi percobaan untuk menyimpan energi dalam roda gila juga dilakukan di astronautika. Pada awal abad ke-21, Honeywell melakukan percobaan dengan roda gaya, akumulator. Secara teoritis, arah ini juga bisa menarik karena roda gila digunakan dalam sistem orientasi satelit, dan dimungkinkan untuk menggabungkan mode mempertahankan posisi yang diperlukan di ruang dan menyimpan energi.

Berkonsentrasilah

Bahkan pada tahap pengembangan konsep, jelas bahwa stasiun Freedom (setelah banyak perubahan diterapkan sebagai ISS) akan membutuhkan banyak listrik. Dan perhitungan tahun 1989 menunjukkan bahwa kolektor surya akan dapat menghemat 3 hingga 4 miliar dolar (6-8 miliar pada harga saat ini) dibandingkan dengan catu daya hanya dari panel surya. Apa saja desainnya?

Salah satu desain paling awal Freedom adalah

konstruksi segi enam di sekitar tepinya adalah konsentrator surya. Cermin membentuk parabola yang mengumpulkan sinar matahari pada receiver yang berada dalam fokus. Di dalamnya, pendingin mendidih, gas memutar turbin, yang menghasilkan listrik. Panel di sebelahnya adalah radiator panas tempat cairan pendingin mengembun kembali ke dalam cairan.

Sayangnya, desainnya, seperti banyak ide untuk stasiun Freedom, menjadi korban pemotongan anggaran, dan ISS hanya menggunakan panel surya, jadi kita dalam praktiknya bisa mengetahui apakah penghematan biaya terpenuhi. Perlu dicatat bahwa pengumpul surya juga digunakan di Bumi, tetapi mereka didistribusikan dalam bentuk paling sederhana tanpa memusatkan cermin - drive mereka sangat meningkatkan biaya.

Panas dan listrik

Ketika Matahari bersinar terang di atas kepala, seseorang tidak bisa percaya pada dingin kosmik. Memang, di sisi terang bulan, suhu naik di atas 100 ° C. Tetapi pada malam bulan terang, permukaan mendingin di bawah -100 ° C. Di Mars, suhu rata-rata sekitar -60 ° C. Dan di orbit Jupiter, seperti yang telah kita katakan, Matahari hanya memberikan 1/25 dari apa yang masuk ke Bumi. Dan, untungnya bagi penjelajah planet dan stasiun antarplanet, ada opsi di mana pemanas dan catu daya pesawat ruang angkasa disediakan dengan nyaman.

Seperti yang Anda ketahui, zat yang sama dapat memiliki banyak isotop - atom, hanya berbeda dalam jumlah neutron dalam nukleus. Dan ada keduanya stabil dan isotop membusuk dengan kecepatan yang berbeda. Setelah mengambil elemen dengan waktu paruh yang nyaman, Anda dapat menggunakannya sebagai sumber energi.

Salah satu isotop paling populer adalah ²³⁸ Pu (plutonium-238). Satu gram plutonium-238 murni menghasilkan sekitar 0,5 watt panas, dan waktu paruh 87,7 tahun berarti bahwa akan ada energi yang cukup untuk waktu yang lama.

Fakta bahwa peluruhan nuklir melepaskan panas berarti harus entah bagaimana diubah menjadi listrik. Untuk ini, termokopel paling sering digunakan - dua logam yang berbeda menyatu bersama menghasilkan listrik ketika pemanasan tidak merata. Kombinasi dari sumber energi dalam bentuk peluruhan isotop radioaktif dan konverter termoelektrik memberi nama "generator termoelektrik radioisotop" atau RTG.

Skema RTG

RTG banyak digunakan dalam astronotika: mereka menghasilkan listrik untuk modul peralatan ilmiah yang ditinggalkan di bulan oleh astronot Apollo, Lunokhods Soviet dipanaskan oleh peluruhan isotop, stasiun Viking Mars bekerja dengan listrik dari RTG dan melakukan perjalanan di sepanjang Mars Curiosity. RTG adalah sumber listrik reguler untuk perangkat yang bepergian ke tata surya eksternal - “Perintis”, “Voyagers”, “Cakrawala Baru” dan lainnya.

RTG sangat nyaman karena mereka tidak memerlukan kontrol apa pun, tidak memiliki bagian yang bergerak dan mampu bekerja selama beberapa dekade - Voyager tetap beroperasi selama lebih dari empat puluh tahun, meskipun harus mematikan sebagian peralatan karena berkurangnya pembangkit listrik. Sayangnya, mereka juga memiliki kelemahan - kepadatan energi yang rendah (RTG yang kuat akan terlalu berat) dan tingginya harga bahan bakar. Penghentian produksi plutonium-238 di AS dan kenaikan harga mempengaruhi fakta bahwa stasiun antarplanet "Juno" pergi ke Jupiter dengan panel surya besar.

Teknologi nuklir yakin akan mengangkat masalah keselamatan, dan RTG telah lama membangun teknologi untuk dukungannya. Setelah 1964, ketika kecelakaan kendaraan peluncuran Amerika dengan satelit yang ditenagai oleh RTG menyebabkan peningkatan yang nyata pada latar belakang radiasi di seluruh planet ini, RTG dimasukkan ke dalam kapsul yang dapat menahan jatuh di atmosfer, dan kecelakaan selanjutnya tidak meninggalkan bekas yang terlihat.

Kompleksitas transformasi

Generator termoelektrik bukan satu-satunya pilihan untuk mengubah panas menjadi listrik. Dalam konverter termionik, katoda dari lampu vakum dipanaskan. Elektron "melompat" ke anoda, menciptakan arus listrik. Konverter termoelektrik mengubah panas menjadi cahaya inframerah, yang kemudian diubah menjadi listrik yang mirip dengan panel surya. Konverter termoelektrik berbasis logam alkali menggunakan elektrolit yang terbuat dari garam natrium dan sulfur. Mesin Stirling mengubah perbedaan suhu menjadi gerakan, yang kemudian diubah menjadi listrik oleh generator.

Reaktor overhead

Dari semua sumber energi terkendali yang dikenal umat manusia, bahan bakar nuklir memiliki kepadatan tertinggi - satu gram uranium mampu menghasilkan energi sebanyak 2 ton minyak atau tiga ton batubara. Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa reaktor nuklir adalah opsi yang menjanjikan ketika diperlukan untuk memasok sejumlah besar energi ke pesawat ruang angkasa untuk waktu yang lama.

SNAP Amerika kiri, Soviet kanan "Buk"

Pekerjaan reaktor ruang angkasa dimulai kembali pada 1960-an. Yang pertama masuk ke ruang angkasa adalah SNAP-10A Amerika, bekerja di orbit selama 43 hari dan ditutup karena kecelakaan yang tidak terkait dengan sistem reaktor. Setelah itu, Uni Soviet mengambil alih. Satelit AS-A yang dirancang untuk melacak pergerakan kelompok serangan kapal induk Amerika, sistem penargetan Legenda membawa reaktor nuklir Buk di papan untuk menyediakan energi ke sistem radar aktif, dan lebih dari tiga lusin di antaranya diluncurkan. Pada akhir 80-an, reaktor Topaz terbang ke luar angkasa dua kali, menggunakan lebih sedikit bahan bakar nuklir dan memiliki efisiensi yang lebih besar - 150 kW tenaga termal "Topaz" menghasilkan 6 kW listrik versus 100 dan 3 untuk Buk. Ini dicapai termasuk penggunaan konverter energi lain - termionik bukan termoelektrik.Tetapi setelah 1988, satelit dengan reaktor nuklir di atas kapal tidak lagi terbang.

Kebangkitan minat pada reaktor nuklir terjadi pada abad ke-21. Di Barat, ini disebabkan oleh penurunan stok dan kenaikan harga plutonium-238 untuk RTG. Di Amerika Serikat, reaktor Kilopower sedang dikembangkan, tugas yang akan menjadi analog dari RTG. Fitur yang menarik adalah bahwa reaktor dirancang untuk mengatur sendiri dan, setelah aktivasi, seperti RTG, tidak memerlukan pengawasan. Di Rusia, proyek instalasi nuklir kelas megawatt sedang dikembangkan. Dalam kombinasi dengan mesin penggerak listrik, desain dengan kemampuan baru yang fundamental, tarikan orbital yang sangat efisien, harus diperoleh.

Keselamatan reaktor didasarkan pada prinsip-prinsip selain RTG. Sebelum memulai, reaktor bersih (uranium beracun, tetapi dapat dengan aman dibawa dengan sarung tangan), oleh karena itu, jika terjadi kecelakaan, sebaliknya, generator gas dipasang yang dapat diandalkan menghancurkannya di lapisan atmosfer yang padat. Tetapi setelah dinyalakan, isotop berbahaya mulai menumpuk di reaktor, dan satelit Soviet AS-A jika terjadi kecelakaan, membawa reaktor ke orbit penguburan tinggi. Reaktor yang diredam masih terbang di atas kepala kita, tetapi, mengingat masa orbit, para pemulung ruang angkasa di masa depan akan lebih cepat mencapai mereka dan membawanya ke sumber daya yang berguna daripada mereka akan terbakar di atmosfer.

Generator Kabel

Seperti yang Anda tahu, Bumi memiliki medan magnet. Ini sudah digunakan dalam sistem orientasi pesawat ruang angkasa, tetapi ada pilihan lain. Jika Anda melepas kabel yang panjang, Anda bisa mendapatkan listrik dengan mengerem perangkat, atau mempercepat dengan melewatkan arus melalui kabel.

Kekuatan yang bekerja pada satelit yang melepaskan kabel konduktif

Sejauh ini, gagasan perangkat pengereman dengan kabel untuk mengurangi jumlah puing-puing ruang telah menerima perkembangan terbanyak, tetapi secara teknis dimungkinkan untuk menyediakan daya ke satelit dengan cara ini, meskipun tidak untuk waktu yang sangat lama.

Kesimpulan

Sekarang industri catu daya pesawat ruang angkasa aktif berkembang. Panel surya dan baterai menjadi lebih efisien, dan dimulainya kembali pekerjaan reaktor nuklir luar angkasa memberi harapan akan munculnya sumber-sumber listrik baru yang kuat.

Materi yang disiapkan untuk portal "N +1" .

Kekuatan ruang