Космос без энергии недоступен

12 апреля 1961 года Юрий Алексеевич Гагарин на космическом корабле "Восток" открыл дорогу человечеству в широкую область исследования космоса. После этого за короткий промежуток времени человек вышел в открытый космос, высадился на Луну (знаю, это спорная тема, для отдельного разговора), отправил космические зонды в разные уголки нашей Солнечной системы (и за её пределы), строились орбитальные станции и мир надеялся на скорую космическую экспансию планет нашей системы, и не только. Впереди были Марс, Венера, спутники Юпитера и Сатурна.

Однако сегодня человечеству похвастать нечем, разве что международной космической станцией - своеобразным форпостом человечества в космосе. Несмотря на более чем 60-летнюю историю пилотируемой космонавтики, в космосе побывали чуть более 560 человек из 40 стран мира.

Никакой базы на Луне, никаких полётов на Марс или просто полётов в космос, доступных для каждого, не случилось. Нет даже жилой орбитальной станции с искусственной гравитацией, показанной в фильме «Космическая Одиссея».

На самом деле ранние планы космической экспансии человечества были основаны на прогрессе в области ядерной и термоядерной энергетики. Ядерная энергетика уже давала электричество, а освоение термоядерной энергии казалось делом каких-то 10-20 лет. Однако, как мы знаем, этого не случилось. Несмотря на все наши современные технологии, освоение космического пространства находится на уровне 70-х годов прошлого века.

Наши технологии достаточно развиты для создания ядерных ракетных двигателей (ЯРД), которые в 2-3 раза превосходят по удельной тяге современные химические двигатели. Однако у нас огромные проблемы с электроэнергией в космосе.

Фактически, прогресс в космической энергетике застопорился в середине 1970-х годов и больше не претерпел значительного развития.

Вся сегодняшняя космическая энергетика основана на применении солнечных панелей, являющихся маломощными в пересчёте на массогабаритные характеристики, а также на использовании радиоизотопных генераторов, которые тоже не отличаются большой электрической мощностью.

И неважно, насколько у нас стали совершенны технологии. Мы уперлись в энергетическое ограничение по использованию полезной электрической мощности в космосе, которая и не даёт нам двигаться вперёд.

Казалось бы, в чём проблема использовать в качестве источника электрической энергии солнечные батареи для полётов хотя бы к ближайшим планетам (Венера, Меркурий или Марс)? Но проблема оказалась довольно существенной.

Солнечные панели, способные выдерживать космическую радиацию, в тысячи раз дороже бытовых, но даже они деградируют под воздействием ионизирующего излучения от Солнца. И чем ближе космический аппарат к Солнцу, тем деградация более сильная.

Солнечные бактерии МКС деградировали за 10 лет на 35%, снизив вырабатываемую электрическую мощность с 124 кВт до 80 кВт, а сегодня осталось всего 70 кВт. И это с учётом того, что они находятся под частичной защитой магнитного поля Земли.

Полёт к Венере с использованием энергии солнечных батарей не вызовет их ускоренную деградацию, однако прямой угол падения солнечного излучения приведёт к перегреву панелей. А при подлёте к Солнцу ближе чем на 93 миллиона километров деградация солнечных панелей начнёт резко увеличиваться. Их нельзя использовать под прямым углом к солнечным лучам, где КПД преобразования в электричество - максимальный.

Например, космический зонд «БепиКоломбо», который должен долететь до Меркурия в 2025 году, имеет огромные солнечные панели общей площадью 42 кв.м. Современная космическая солнечная панель аналогичной площади на орбите Меркурия способна произвести более 43 кВт электричества. Однако подобная площадь солнечных панелей - скорее вынужденная мера. Для предотвращения ускоренной деградации и перегрева панелей они будут обращены к Солнцу под непрямым углом, что значительно снижает их КПД и общую электрическую мощность. В этом случае солнечные панели будут генерировать от 7 до 14 кВт (в зависимости от расстояния до Солнца).

Не лучше дела обстоят и при исследовании дальних планет солнечной системы. Так, зонд «Юнона» оборудован самыми большими солнечными панелями за всю историю исследовательских миссий – 60 кв.м. На орбите Земли эти батареи способны выработать до 15 кВт электроэнергии, но на орбите Юпитера – всего 0,42 кВт.

И они тоже деградируют, это нужно учитывать. Поэтому НАСА уже заранее начало к этому готовиться. Например, приходится отключать те или иные приборы для экономии и перераспределения электроэнергии.

Дальше обриты Юпитера использование солнечных батарей не представляется возможным из-за слишком малой интенсивности солнечного излучения.

Здесь используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), в которых идёт естественный распад радиоактивных изотопов ( в основном, плутония-238), отчего выделяется тепло, преобразующееся термоэлектрическим генератором (преобразователем) напрямую в электрическую энергию.

Однако КПД такого предобразования ничтожно мало, следовательно и мощность невелика. Однако есть и преимущества – деградация и уменьшение электрической мощности такого генератора заметно меньше, чем у солнечных панелей. Например, зонд "Кассини-Гюйгенс" имел мощную электрическую систему, состоящую из трёх РИТЭГ-ов, совокупная мощность которых после термопреобразования была 885 Ватт в начале миссии (1997 год), и уменьшилась до 633 Вт (28,5%) к 2017 году.

Использования ядерных источников энергии является предпочтительным, если вам необходима независимость от условий окружающей среды и расстояния до Солнца. Однако на этом преимущества заканчиваются. Запустить ядерный реактор в космосе и получать с него электрическую энергию оказалось чрезвычайно сложной задачей.

Попытки сделать это предпринимались и в США, и в СССР. В 1964 году в СССР разработан ядерный термоэлектрический генератор «Ромашка», имеющий тепловую мощностью 40 кВт. С него удалось безопасно снимать до 800 Ватт электроэнергии.

В США в 1965 году разработан ядерный реактор "SNAP-10A", в котором посредством термопреобразования те же 40 кВт тепловой мощности давали до 550 Ватт электроэнергии. США не осилили проект создания космической ядерной энергетической установки, чего нельзя сказать об СССР, который не только довёл технологию до практического применения, но и запустил около 40 спутников с ядерными реакторами на борту.

Самым мощным и совершенным ядерным космическим реактором стал «ТОПАЗ» тепловой мощностью в 150 кВт и электрической мощностью в 7 кВт.

В 1987 году с ядерным реактором «ТОПАЗ» на борту запущены спутники «Космос-1818» и «Космос-1867». Однако тогда работа ядерных установок ограничивалась несколькими месяцами, после чего они вырабатывали свой ресурс.

«Космос-1818» проработал 142 дня, истощив запасы цезия, который является рабочим телом термоэмиссионного преобразователя. «Космос-1867» проработал уже 343 суток.

Дальнейшему совершенствованию применения и усовершенствования ядерной энергоустановки помешал распад СССР. В 1992 году были созданы рабочие прототипы ядерной энергоустановки «Енисей» электрической мощностью в 10 кВт. Преобразование тепла в электричество шло через усовершенствованный термоэмиссионный генератор. Однако после распада СССР прототипы были проданы в США, что совершенно не помогло им освоить советскую космическую ядерную технологию. США закрыли работы над проектом в 1996 году. 

С тех пор прогресс в создании ядерных космических реакторов надолго остановился. А ведь это источник электроэнергии, который может открыть нам новые горизонты в освоении космоса.

Космические аппараты стоимостью в миллиарды долларов обладают энергетическими возможностями дешёвого бензинового генератора, что на первый взгляд выглядит полным абсурдом.

Однако космос – это преимущественно вакуум, и работа газодинамических и других методов предобразования там затруднена. Увы, но турбины как на Земле там работать не будут – нет разницы температур (потенциала), так как вакуум – самый лучший теплоизолятор.

Охладиться в вакууме можно только посредством излучения – самого малоэффективного процесса передачи тепловой энергии.

Излучательная способность тела по Закону Стефана-Больцмана пропорциональна четвёртой степени его абсолютной температуры, что делает этот метод охлаждения крайне неэффективным.

Без охлаждения (создания потенциала разности температур) преобразовать тепловую энергию ядерного реактора в необходимую нам электрическую – практически невозможно.

В начале 2000-х годов стартовал проект "JIMO" (Jupiter Icy Moons Orbiter), который сулил человечеству открытие новых энергетических возможностей в космосе. Однако он успешно провалился и был закрыт в 2005 году, а все работы про данной технологии свёрнуты в 2015 году.

Проект представлял из себя космический корабль с ядерным реактором на борту, способным выработать 200 кВт электрической мощности. Охлаждать реактор предполагалось методом излучения с помощью специальных панелей-излучателей, способных отводить тепловую энергию.

С 2009 года аналогичной по концепции разработкой занялся и "Роскосмос", представивший в 2018 году проект космического корабля с ядерной силовой установкой электрической мощностью 1000 кВт.

Мало кто поверил в подобные заявления, однако сегодня работы по транспортному энергетическому модулю с ядерной силовой установкой успешно реализуются.

Сегодня проект ТЭМ – это настоящий лучик надежды всего мира на ту самою космонавтику, о которой мы все мечтали:

- Космические станции с искусственной гравитацией.

- Полёты по Солнечной системе в комфорте и уюте.

- Мощные и высокоэффективные научные космические станции.

- Верфи на орбите земли для строительства космических кораблей и станций любых масштабов.

- Планетарная экспансия человечества.

Без рывка в космической энергетике космос для нас навсегда останется лишь холодным, дорогим и враждебным вакуумом, куда летать смогут только избранные, да и то - недалеко и ненадолго.

Источник