🚸 🛃 ☂️ Poder espacial 👩🏾‍🎨 👩🏽‍🤝‍👩🏻 👳

Há meio século, o cientista soviético Nikolai Kardashev formou uma escala na qual o nível de desenvolvimento da civilização era determinado pela quantidade de energia utilizada. A abordagem é muito lógica - quando a humanidade dominava a energia dos cavalos, carvão, petróleo e decaimento nuclear - cada vez que subia para um novo nível de poder. A exploração espacial depende não apenas da capacidade de colocar um satélite em órbita, mas também de tecnologias que lhe permitam funcionar. E fornecer energia às naves espaciais é uma das facetas mais importantes da astronáutica. Quais métodos as pessoas inventaram?

Artista James Vaughan

Formulação do problema

No problema do fornecimento de energia de uma espaçonave, dois critérios podem ser distinguidos, o que possibilita a distribuição visual de várias abordagens. É poder e duração. De fato, é lógico que algumas soluções técnicas sejam usadas para a tarefa "muitas, mas não por muito tempo" e outras por "por décadas, mesmo que apenas um pouco". Se você seguir esses critérios como o eixo do gráfico, obterá a seguinte imagem:

Sistemas de potência da nave espacial , David W. Miller, John Keesee

O primeiro satélite partiu em um vôo com baterias de prata-zinco carregadas, que forneceram um transmissor "beep-beep" por 21 dias. A solução era lógica - os painéis solares experimentais estavam esperando na fila na instalação D, que se tornou o Sputnik-3 (lançado em 15 de maio de 1958). As baterias de prata-zinco, devido à sua alta densidade de energia e altas correntes de descarga, são amplamente usadas na astronáutica e sua desvantagem é que o pequeno número de ciclos de recarga não é importante quando a bateria é usada uma vez. Uma metamorfose interessante ocorreu com o navio Soyuz - os primeiros navios voaram com painéis solares, na modificação 7K-T (Soyuz-10 - Soyuz-40, exceto para -13, -16, -19, -22) foram removidos, deixando apenas baterias com uma reserva de energia por dois dias e, com a próxima modificação de “-TM”, os painéis solares foram devolvidos novamente e já permanentemente.Até agora, as baterias continuam sendo uma solução racional para dispositivos que duram não mais que alguns dias e não exigem grandes quantidades de eletricidade. Às vezes, até elementos não recarregáveis são colocados nos dispositivos, por exemplo, a sonda de salto MASCOT, lançada da estação interplanetária Hayabusa-2 para o asteróide Ryugu, que usava elementos de cloreto de lítio-tionil, que duravam 16 horas. Mas os elementos recarregáveis são mais comuns, é mais conveniente trabalhar com eles, porque, se necessário, eles podem ser recarregados antes de iniciar sem desmontar o dispositivo. Devido às suas características elevadas, as células de íons de lítio são agora muito usadas não apenas em eletrodomésticos, mas também em naves espaciais.que funcionará por mais de alguns dias e não requer grandes quantidades de eletricidade. Às vezes, até elementos não recarregáveis são colocados nos dispositivos, por exemplo, a sonda de salto MASCOT, lançada da estação interplanetária Hayabusa-2 para o asteróide Ryugu, que usava elementos de cloreto de lítio-tionil, que duravam 16 horas. Mas os elementos recarregáveis são mais comuns, é mais conveniente trabalhar com eles, porque, se necessário, eles podem ser recarregados antes de iniciar sem desmontar o dispositivo. Devido às suas características elevadas, as células de íons de lítio são agora muito usadas não apenas em eletrodomésticos, mas também em naves espaciais.que funcionará por mais de alguns dias e não requer grandes quantidades de eletricidade. Às vezes, até elementos não recarregáveis são colocados nos dispositivos, por exemplo, a sonda de salto MASCOT, lançada da estação interplanetária Hayabusa-2 para o asteróide Ryugu, que usava elementos de cloreto de lítio-tionil, que duravam 16 horas. Mas os elementos recarregáveis são mais comuns, é mais conveniente trabalhar com eles, porque, se necessário, eles podem ser recarregados antes de iniciar sem desmontar o dispositivo. Devido às suas características elevadas, as células de íons de lítio são agora muito usadas não apenas em eletrodomésticos, mas também em naves espaciais.usaram elementos de cloreto de tionil de lítio, que duraram 16 horas. Mas os elementos recarregáveis são mais comuns, é mais conveniente trabalhar com eles, porque, se necessário, eles podem ser recarregados antes de iniciar sem desmontar o dispositivo. Devido às suas características elevadas, as células de íons de lítio são agora muito usadas não apenas em eletrodomésticos, mas também em naves espaciais.usaram elementos de cloreto de tionil de lítio, que duraram 16 horas. Mas os elementos recarregáveis são mais comuns, é mais conveniente trabalhar com eles, porque, se necessário, eles podem ser recarregados antes de iniciar sem desmontar o dispositivo. Devido às suas características elevadas, as células de íons de lítio são agora muito usadas não apenas em eletrodomésticos, mas também em naves espaciais.

MASCOT Hayabusa-2

Se for necessária muita energia, mas por pouco tempo, faz sentido usar fontes químicas. Por exemplo, nos ônibus espaciais estavam as chamadas APUs. Apesar do nome completamente idêntico ao da usina auxiliar nos aviões, estes eram dispositivos específicos. Na câmara de combustão, combustível químico (combustível à base de hidrazina e tetróxido de nitrogênio) foi queimado, gás quente foi fornecido à turbina e sua rotação criou pressão no sistema hidráulico da lançadeira sem conversão intermediária de energia em eletricidade. A hidráulica transformou as superfícies de controle do orbitador nos estágios de lançamento em órbita e pouso. É curioso que agora a densidade de energia das baterias de íon-lítio tenha atingido tais valores que o veículo de lançamento da Electron tenha aparecido,na qual uma unidade de turbobomba (um dispositivo para fornecer combustível ao motor) que desempenha uma função semelhante foi substituída por uma bomba elétrica com uma bateria. As perdas em uma massa maior de baterias foram compensadas pela simplicidade do desenvolvimento.

Células a combustível

Célula a combustível do ônibus espacial

Se a duração de um vôo espacial não exceder duas a três semanas, então, especialmente para naves espaciais tripuladas, as chamadas células a combustível se tornarão muito atraentes. Como você sabe, o hidrogênio queima oxigênio com a liberação de uma quantidade enorme de calor, e os motores de foguete que usam isso estão entre os mais eficientes. E a capacidade de receber eletricidade diretamente de uma combinação de hidrogênio e oxigênio gerou fontes de eletricidade, que, a propósito, são usadas não apenas na astronáutica.

Uma célula combustível funciona da seguinte maneira: o hidrogênio entra no ânodo, torna-se um íon carregado positivamente e libera um elétron. No cátodo, os íons hidrogênio recebem elétrons, combinam-se com moléculas de oxigênio e formam água.

Ao conectar várias células e fornecer mais componentes, é fácil obter uma célula de combustível de alta potência. E a água liberada como resultado do trabalho pode ser usada para as necessidades da tripulação. A combinação de propriedades determinou a escolha de células de combustível para os navios Apollo (e, a propósito, para as versões lunares dos sindicatos, eles também foram originalmente escolhidos), ônibus e Buran.

Vale a pena notar que as células de combustível podem teoricamente ser reversíveis, dissociando água para hidrogênio e oxigênio, armazenando eletricidade e funcionando, de fato, como uma bateria, mas na prática essas soluções em astronáutica ainda não são procuradas.

Sol nomeado

A vida na Terra é impossível sem energia solar - as plantas crescem à luz e a energia avança ao longo da cadeia alimentar. E para a astronáutica, o Sol tornou-se imediatamente considerado uma fonte acessível e livre. Os primeiros satélites com painéis solares, Vanguard-1 (EUA) e "Sputnik-3" (URSS), partiram já em 1958.

A beleza dos painéis solares é a conversão direta da luz em eletricidade - os fótons que caem nos semicondutores causam diretamente o movimento dos elétrons. Ao conectar as células em série e em paralelo, os valores de tensão e corrente necessários podem ser obtidos.

Em condições de espaço, a compactação dos painéis solares é muito importante, por exemplo, as enormes “asas” da ISS são feitas de painéis muito finos, que foram dobrados na posição de transporte com um acordeão.

Divulgação de vídeo dos painéis ISS

Até agora, os painéis solares continuam sendo a melhor opção se for necessário fornecer energia à sonda por anos. Mas, é claro, eles, como qualquer outra solução, têm suas desvantagens.

Antes de tudo, em baixa órbita terrestre, o satélite entrará constantemente na sombra da Terra, e é necessário suplementar os painéis com baterias para que a fonte de alimentação seja contínua. As baterias e a área adicional de painéis solares para carregá-los no lado ensolarado da órbita aumentam significativamente a massa do sistema elétrico do satélite.

Além disso, o poder da radiação solar obedece à lei do inverso do quadrado: Júpiter é cinco vezes mais distante que a Terra, mas em sua órbita uma espaçonave com os mesmos painéis solares receberá 25 vezes menos eletricidade.

Os painéis solares estão gradualmente se degradando sob condições de radiação cósmica, portanto sua área deve ser calculada com uma margem para longas missões.

Um aumento linear na massa de painéis solares com um aumento na energia necessária em algum momento os torna pesados demais em comparação com outros sistemas.

Alternativa para baterias

Se você leu o maravilhoso livro de Nurbey Gulia “À procura de uma cápsula de energia”, você se lembra de que, após uma longa busca pela bateria ideal, ele se acomodou nos volantes modificados para destruição segura. Agora, com o sucesso das baterias de íon-lítio, esse tópico é menos interessante, mas as experiências de armazenamento de energia em um volante sem torção também foram realizadas no espaço. No início do século XXI, a Honeywell conduziu experimentos com um acumulador de volante. Teoricamente, essa direção também pode ser interessante porque os volantes são usados no sistema de orientação do satélite e é possível combinar modos de manter a posição necessária no espaço e armazenar energia.

Concentre-o

Mesmo na fase de desenvolvimento do conceito, era óbvio que a estação Freedom (após inúmeras mudanças implementadas como a ISS) precisaria de muita eletricidade. E os cálculos de 1989 mostraram que o coletor solar poderá economizar de 3 a 4 bilhões de dólares (6-8 bilhões nos preços atuais) em comparação com o fornecimento de energia apenas a partir de painéis solares. Quais são esses designs?

Um dos primeiros projetos da Freedom. As

construções em hexágono nas bordas são concentradores solares. Os espelhos formam um parabolóide que coleta a luz do sol em um receptor localizado em foco. Nele, o líquido de refrigeração ferve, o gás gira a turbina, que gera eletricidade. O painel ao lado é um radiador de calor no qual o líquido de arrefecimento condensa de volta ao líquido.

Infelizmente, o design, como muitas idéias para a estação Freedom, foi vítima de cortes no orçamento, e a ISS usa apenas painéis solares, portanto, na prática, não podemos descobrir se as economias de custo foram alcançadas. Vale a pena notar que os coletores solares também são usados na Terra, mas eles são distribuídos da forma mais simples sem concentrar espelhos - seus acionamentos aumentam bastante o custo.

Calor e eletricidade

Quando o Sol brilha, não se pode acreditar no frio cósmico. De fato, no lado iluminado da lua, a temperatura sobe acima de 100 ° C. Mas em uma noite de luar, a superfície esfria abaixo de -100 ° C. Em Marte, a temperatura média é de cerca de -60 ° C. E na órbita de Júpiter, como já dissemos, o Sol dá apenas 1/25 do que vai para a Terra. E, felizmente para rovers planetários e estações interplanetárias, existe uma opção em que o aquecimento e a fonte de alimentação da sonda são convenientemente fornecidos.

Como você sabe, a mesma substância pode ter muitos isótopos - átomos, diferindo apenas no número de nêutrons no núcleo. E existem estábulos e isótopos em decomposição em velocidades diferentes. Depois de pegar um elemento com uma meia-vida conveniente, você pode usá-lo como fonte de energia.

Um dos isótopos mais populares é o ²³⁸ Pu (plutônio-238). Um grama de plutônio 238 puro gera aproximadamente 0,5 watts de calor, e uma meia-vida de 87,7 anos significa que haverá energia suficiente por um longo tempo.

O fato de o decaimento nuclear liberar calor significa que ele deve ser transformado em eletricidade. Para isso, um termopar é usado com mais frequência - dois metais diferentes fundidos geram eletricidade quando o aquecimento é irregular. A combinação de uma fonte de energia na forma de isótopos radioativos em decomposição e conversores termoelétricos deu o nome de "gerador termoelétrico radioisótopo" ou RTG.

Esquema RTG

Os RTGs são amplamente utilizados na astronáutica: eles geraram eletricidade para os módulos de equipamento científico deixados na lua pelos astronautas da Apollo, os Lunokhods soviéticos foram aquecidos pela decadência dos isótopos, as estações marcianas Viking trabalharam na eletricidade dos RTGs e viajaram pela Mars Curiosity. Os RTGs são uma fonte regular de eletricidade para dispositivos que viajam para o sistema solar externo - “Pioneiros”, “Voyagers”, “New Horizons” e outros.

Os RTGs são muito convenientes, pois não precisam de controle, não têm partes móveis e podem trabalhar por décadas - os Voyagers permaneceram em operação por mais de quarenta anos, apesar da necessidade de desligar parte do equipamento devido à redução na geração de eletricidade. Infelizmente, eles também têm uma desvantagem - baixa densidade de energia (um poderoso RTG pesará muito) e o alto preço do combustível. O desligamento da produção de plutônio-238 nos EUA e o aumento dos preços influenciaram o fato de a estação interplanetária "Juno" ter ido a Júpiter com enormes painéis solares.

As tecnologias nucleares certamente levantarão questões de segurança, e os RTGs já estabeleceram tecnologias para seu apoio. Depois de 1964, quando o acidente de um veículo de lançamento americano com um satélite alimentado por um RTG levou a um aumento notável da radiação de fundo em todo o planeta, os RTGs foram embalados em cápsulas que poderiam suportar uma queda na atmosfera, e os acidentes subsequentes não deixaram marcas visíveis.

A complexidade das transformações

Um gerador termoelétrico não é a única opção para converter calor em eletricidade. Nos conversores termiônicos, o cátodo de uma lâmpada de vácuo é aquecido. Os elétrons “pulam” para o ânodo, criando uma corrente elétrica. Os conversores termoelétricos convertem o calor em luz infravermelha, que é então convertida em eletricidade semelhante a um painel solar. Um conversor termoelétrico à base de metais alcalinos utiliza um eletrólito feito a partir de sais de sódio e enxofre. O motor Stirling converte a diferença de temperatura em movimento, que é então convertida em eletricidade por um gerador.

Reatores aéreos

De todas as fontes de energia controladas conhecidas pela humanidade, o combustível nuclear tem a maior densidade - um grama de urânio é capaz de produzir tanta energia quanto 2 toneladas de petróleo ou três toneladas de carvão. Portanto, não é de surpreender que os reatores nucleares sejam uma opção promissora quando for necessário fornecer uma grande quantidade de energia a uma espaçonave por um longo tempo.

SNAP americano esquerdo, "Buk" soviético direito

O trabalho em reatores espaciais começou na década de 1960. O primeiro a entrar no espaço foi o americano SNAP-10A, trabalhou em órbita por 43 dias e foi fechado devido a um acidente não relacionado ao sistema do reator. Depois disso, a URSS assumiu. Os satélites US-A, projetados para rastrear o movimento de grupos de ataque de porta-aviões americanos, os sistemas de alvos Legenda levaram o reator nuclear Buk a bordo para fornecer energia ao sistema de radar ativo, e mais de três dúzias deles foram lançados. No final dos anos 80, o reator Topaz voou para o espaço duas vezes, usando menos combustível nuclear e tendo maior eficiência - 150 kW de energia térmica "Topaz" produzia 6 kW elétrico versus 100 e 3 para Buk. Isso foi alcançado, incluindo o uso de outro conversor de energia - termiônico em vez de termoelétrico.Mas depois de 1988, os satélites com reatores nucleares a bordo não voaram mais.

O renascimento do interesse em reatores nucleares ocorreu no século XXI. No Ocidente, isso se deve a uma diminuição nos estoques e um aumento no preço do plutônio-238 para os RTGs. Nos Estados Unidos, o reator Kilopower está sendo desenvolvido, cuja tarefa se tornará análoga ao RTG. Uma característica interessante é que o reator é projetado de auto-regulação e, após a ativação, como RTGs, não requer supervisão. Na Rússia, um projeto de instalação nuclear da classe megawatt está sendo desenvolvido. Em combinação com os motores de propulsão elétrica, um projeto com recursos fundamentalmente novos, um rebocador orbital muito eficiente, deve ser obtido.

A segurança do reator é baseada em outros princípios que não os RTGs. Antes de iniciar, o reator está limpo (o urânio é tóxico, mas pode ser levado com segurança com luvas); portanto, em caso de acidente, pelo contrário, são instalados geradores de gás que o destroem de forma confiável em camadas densas da atmosfera. Porém, após a ativação, isótopos perigosos começam a se acumular no reator, e os satélites soviéticos US-A em caso de acidente levaram o reator a uma alta órbita mortuária. Os reatores abafados ainda voam sobre nossas cabeças, mas, dada a vida útil das órbitas, os catadores espaciais do futuro chegarão mais cedo a eles e os levarão a recursos úteis do que queimarão na atmosfera.

Gerador de cabos

Como você sabe, a Terra tem um campo magnético. Ele já está sendo usado em sistemas de orientação de naves espaciais, mas há outra opção. Se você desenrolar um cabo longo, pode obter eletricidade ao frear o dispositivo ou acelerar passando a corrente pelo cabo.

As forças que atuam no satélite que liberou o cabo condutor

Até agora, a idéia de freios com cabos para reduzir a quantidade de detritos espaciais recebeu mais desenvolvimento, mas é tecnicamente possível fornecer energia ao satélite dessa maneira, embora não por muito tempo.

Conclusão

Agora, o setor de fornecimento de energia para naves espaciais está se desenvolvendo ativamente. Painéis solares e baterias estão se tornando mais eficientes, e a retomada do trabalho em reatores nucleares espaciais dá esperança para o surgimento de novas fontes poderosas de eletricidade.

Material preparado para o portal "N + 1" .

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