Солнечная батарея на МКС
Солнечная батарея - несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.
Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος , Helios - ). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.
История
Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичаном.
25 апреля 1954 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании - Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 году, в США был запущен первый с солнечными батареями - Vanguard 1. Спустя всего пару месяцев, 15 мая 1958 года в СССР был запущен Спутник-3, также с использованием солнечных батарей.
Использование в космосе
Солнечные батареи - один из основных способов получения электрической энергии на : они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и .
Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой ) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к и , напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).
Эффективность фотоэлементов и модулей
Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу (AM0), составляет около 1366 ватт на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9-24 %. При этом цена батареи составит около 1-3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях.
В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд.
В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26-30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния.
В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4х4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 %. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46%.
В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.
Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200-300 нм) светом (т. е. электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85%.
| Тип | Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % |
|---|---|
| Кремниевые | |
| Si (кристаллический) | 24,7 |
| Si (поликристаллический) | 20,3 |
| Si (тонкопленочная передача) | 16,6 |
| Si (тонкопленочный субмодуль) | 10,4 |
| III-V | |
| GaAs (кристаллический) | 25,1 |
| GaAs (тонкопленочный) | 24,5 |
| GaAs (поликристаллический) | 18,2 |
| InP (кристаллический) | 21,9 |
| Тонкие пленки халькогенидов | |
| CIGS (фотоэлемент) | 19,9 |
| CIGS (субмодуль) | 16,6 |
| CdTe (фотоэлемент) | 16,5 |
| Аморфный/Нанокристаллический кремний | |
| Si (аморфный) | 9,5 |
| Si (нанокристаллический) | 10,1 |
| Фотохимические | |
| На базе органических красителей | 10,4 |
| На базе органических красителей (субмодуль) | 7,9 |
| Органические | |
| Органический полимер | 5,15 |
| Многослойные | |
| GaInP/GaAs/Ge | 32,0 |
| GaInP/GaAs | 30,3 |
| GaAs/CIS (тонкопленочный) | 25,8 |
| a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) | 11,7 |
Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов
Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.
Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.
Производство
Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.
Более шестидесяти лет назад началась эра практической солнечной электроэнергетики. В 1954 году три американских ученых представили миру первые солнечные батареи, полученные на базе кремния. Перспективу получения бесплатной электроэнергии осознали очень быстро, и ведущие научные центры всего мира начали работать над созданием солнечных электроэнергетических установок. Первым «потребителем» солнечных батарей стала космическая отрасль. Именно здесь, как нигде более, нуждались в возобновляемых источниках энергии, так как бортовые батареи на спутниках довольно быстро исчерпывали свой ресурс.
И всего через четыре года солнечные батареи в космосе заступили на бессрочную трудовую вахту. В марте 1958 года США запустили спутник с солнечными батареями на борту. Менее чем через два месяца, 15 мая 1958 года, в Советском Союзе был выведен на эллиптическую орбиту вокруг Земли Спутник-3 с солнечными батареями на борту.
Первая отечественная солнечная электростанция в космосе
Кремниевые панели солнечных батарей были установлены на днище и в носовой части Спутника-3. Такое расположение позволило получать дополнительную электроэнергию практически непрерывно, независимо от положения спутника на орбите относительно солнца.
Третий искусственный спутник. Отчетливо видна солнечная батарея
Бортовые аккумуляторные батареи исчерпали свой ресурс за 20 дней, и 3 июня 1958 года большинство приборов, установленных на спутнике, были обесточены. Однако продолжали работать прибор для изучения излучения Солнца, радиопередатчик, отправляющий на землю получаемую информацию, радиомаяк. После истощения бортовых батарей эти устройства полностью перешли на питание от солнечных батарей. Радиомаяк работал практически тех пор, пока в 1960 году спутник не сгорел в атмосфере Земли.
Развитие отечественной космической фотоэнергетики
Об энергоснабжении космических аппаратов конструкторы задумывались еще на стадии проектирования самых первых ракет-носителей. Ведь в космосе батареи не заменить, значит, срок активной службы космического аппарата обусловлен только емкостью бортовых батарей. Первый и второй искусственные спутники земли были оснащены только бортовыми батареями, которые истощились через несколько недель работы. Начиная с третьего спутника, все последующие космические аппараты были оборудованы солнечными батареями.
Главным разработчиком и изготовителем космических солнечных электростанций было научно-производственное предприятие «Квант». Солнечные панели «Кванта» установлены практически на всех отечественных космических аппаратах. Вначале это были кремниевые солнечные батареи. Их мощность была ограничена как заданными размерами, так и весом. Но затем учеными «Кванта» были разработаны и изготовлены первые в мире солнечные батареи на основе совершенно нового полупроводника – арсенида галлия (GaAs).
Кроме того, были запущены в производство абсолютно новые гелиевые панели, которые не имели аналогов в мире. Этой новинкой стали высокоэффективные гелиевые панели на подложке, имеющей сетчатую или струнную структуру.
Гелиевые панели с сетчатой и струнной подложкой
Специально для установки на космических аппаратах с низкими орбитами были спроектированы и изготовлены кремниевые гелиевые панели с двусторонней чувствительностью. Например, для российского сегмента международной космической станции (космического аппарата «Звезда») были изготовлены панели на кремниевой основе с двусторонней чувствительностью, причем площадь одной панели составляла 72 м².
Солнечная батарея космического аппарата «Звезда»
Были также разработаны на базе аморфного кремния и запущены в производство гибкие солнечные батареи, имеющие прекрасные удельные весовые характеристики: при весе всего 400 г/м² эти батареи вырабатывали электроэнергию с показателем 220 Вт/кг.
Гибкая гелиевая батарея на базе аморфного кремния
Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, в большом объеме проводились наземные исследования и испытания, которые выявляли отрицательные воздействия Большого Космоса на гелиевые панели. Это позволило перейти к изготовлению солнечных батарей для космических аппаратов различных типов со сроком активной работы до 15 лет.
Космические аппараты миссии «Венера»
В ноябре 1965 года с интервалом в четыре дня к нашей ближайшей соседке – Венере – стартовали два космических аппарата – «Венера-2» и «Венера-3». Это были два абсолютно одинаковых космических зонда, основная задача которых состояла в посадке на Венеру. На обоих космических аппаратах были установлены солнечные батареи на основе арсенида галлия, которые хорошо зарекомендовали себя на предыдущих околоземных аппаратах. За время полета вся аппаратура обоих зондов работала бесперебойно. Со станцией «Венера-2» было проведено 26 сеансов связи, со станцией «Венера-3» ─ 63. Таким образом, была подтверждена высочайшая надежность солнечных батарей этого типа.
Из-за сбоев аппаратуры управления была потеряна связь с «Венерой-2», но станция «Венера-3» продолжала свой путь. В конце декабря 1965 по команде с Земли была произведена коррекция траектории, и 1 марта 1966 года станция достигла Венеры.
Данные, полученные в результате полета этих двух станций, были учтены при подготовке новой миссии, и в июне 1967 года к Венере была запущена новая автоматическая станция «Венера-4». Так же, как и две ее предшественницы, она была оборудована арсенид-галлиевыми солнечными батареями общей площадью 2.4 м². Эти батареи поддерживали работу практически всей аппаратуры.
Станция «Венера-4». Внизу – спускаемый аппарат
18 октября 1967 года после отделения спускаемого аппарата и входа его в атмосферу Венеры станция продолжала свою работу на орбите, выполняя в том числе и роль ретранслятора сигналов с радиопередатчика спускаемого аппарата на Землю.
Космические аппараты миссии «Луна»
Солнечными батареями на базе арсенида галлия были «Луноход-1» и «Луноход-2». Солнечные батареи обоих аппаратов были смонтированы на откидывающихся крышках и служили верой и правдой весь срок работы. Причем на «Луноходе-1», программа и ресурс которого были рассчитаны на месяц работы, батареи проработали три месяца, втрое больше запланированного срока.
«Луноход-2» проработал на поверхности Луны чуть более четырех месяцев, пройдя путь в 37 километров. Он мог бы работать еще, если бы не перегрев аппаратуры. Аппарат попал в свежий кратер с рыхлым грунтом. Долго буксовал, но в конце концов смог выбраться на задней передаче. Когда он выбирался из ямы, на крышку с солнечными панелями попало небольшое количество грунта. Для поддержания заданного теплового режима откинутые солнечные панели на ночь опускались на верхнее покрытие аппаратного отсека. После выхода из кратера при закрывании крышки грунт из нее попал на аппаратный отсек, став своеобразным теплоизолятором. Днем температура поднялась выше сотни градусов, аппаратура не выдержала и вышла из строя.
Современные солнечные панели, изготовленные с применением самых современных нанотехнологий, с применением новых полупроводниковых материалов позволили достичь эффективности до 35% при значительном снижении веса. И эти новые гелиевые панели верой и правдой служат на всех аппаратах, отправляемых как на околоземные орбиты, так и в дальний космос.
- Фантастические электростанции
Не секрет, что в русле постоянной борьбы за более продуктивную, экологическую и дешевую энергию, человечество, все чаще, прибегает к помощи альтернативных источников получения драгоценной энергии. Во многих странах, достаточно обширное количество жителей определили для себя необходимостью использование для снабжения жилища электроэнергией.
Часть из них пришли к такому выводу благодаря трудным расчетам по экономии материальных средств, а некоторых сделать такой ответственный шаг вынудили обстоятельства, одно из которых труднодоступное географическое положение, обуславливающее отсутствие надежных коммуникаций. Но не только в таких труднодоступных местах нужны солнечные батареи. Существуют рубежи намного отдаленнее, нежели край земли - это космос. Солнечная батарея в космосе является единственным источником выработки необходимого количества электроэнергии.
Основы космической солнечной энергетики
Идея применять солнечные батареи в космосе впервые появилась больше полувека назад, во время первых запусков искусственных спутников земли. В тот период, в СССР, профессор и специалист в области физики, особенно в сфере электричества - Николай Степанович Лидоренко, обосновал необходимость применения бесконечных источников энергии на космических аппаратах. Такой энергией могла быть только энергия солнца, которая добывалась с помощью солнечных модулей.
В настоящее время все космические станции функционируют исключительно за счет солнечной энергии.
Большим помощником в этом деле является сам космос, так как солнечные лучи, так необходимые для процесса фотосинтеза в , в избытке имеются в космическом пространстве, и нет никаких помех для их потребления.
Минусом использования солнечных батарей на околоземной орбите, может служить влияние радиации на материал изготовления фотопласти н. Благодаря такому негативному влияния происходит изменение структуры солнечных элементов, что влечет снижение выработки электроэнергии.
Фантастические электростанции
В научных лабораториях всей земли, в настоящее время, происходит схожая задача - поиск бесплатной электроэнергии от солнца. Только не в масштабах отдельного дома или города, а в размерах всей планеты. Суть этой работы состоит в том, чтобы создать огромные по своим размерам, а соответственно и выработкам энергии, солнечные модули.
Площадь таких модулей огромна и размещение их на поверхности земли повлечет много трудностей, таких как:
- значительные и свободные площади для установки приемников света,
- влияние метеоусловий на и КПД модулей,
- затраты на обслуживание и чистку солнечных панелей.
Все эти отрицательные аспекты исключают установку подобного монументального сооружения на земле. Но выход есть. Заключается он в установке гигантских солнечных модулей на околоземной орбите. При воплощении в жизнь такой идеи, человечество получает солнечный источник энергии, который всегда находится под воздействием солнечных лучей, никогда не потребует чистки от снега, и самое главное не будет занимать полезное пространство на земле.
Конечно же, тот, кто первым для космоса, станет в будущем диктовать свои условия в мировой энергетике. Не секрет, что, запасы полезных ископаемых на нашей земле не просто не бесконечен, а наоборот с каждым днем напоминает о том, что скоро человечеству придется переходить на альтернативные источники в принудительном порядке. Именно поэтому, разработки космических солнечных модулей на земной орбите стоит в списке первоочередных задач энергетиков и специалистов, проектирующих электростанции будущего.
Читайте также:
Проблемы размещения солнечных модулей на орбите земли
Трудности рождения таких электростанций, не только в установке, доставке и базировании солнечных модулей на околоземной орбите. Наибольшие проблемы вызывает передача, выработанной солнечными модулями, электрического тока потребителю, то есть на землю. Провода, конечно же, не протянешь, да и перевозить в контейнере не получится. Существуют почти нереальные технологии передачи энергии на расстояния без осязаемых материалов. Но такие технологии вызывают много противоречивых гипотез в научном мире.
Во первых , столь сильное излучение будет негативно влиять на обширную область приема сигнала, то есть будет происходить облучение значительного куска нашей планеты. А если таких космических станций со временем станет очень много? Это может привести к облучению всей поверхности планеты, результатом чего будут непредсказуемые последствия.
Во вторых негативным моментом может быть, частичное разрушение верхних слоев атмосферы и озонового слоя, в местах передачи энергии от электростанции к приемнику. Последствия такого рода, может предположить даже ребенок.
В довесок ко всему, существуют множество нюансов различного характера, увеличивающих отрицательные моменты, и отдаляющих момент запуска подобных устройств. Таких внештатных ситуаций может быть множество, от трудности ремонта панелей, в случае непредвиденной поломки или столкновения с космическим телом, до банальной проблемы - как утилизировать столь необычное сооружение, после окончания срока его эксплуатации.
Несмотря на все негативные моменты, деваться человечеству, как говориться, некуда. Солнечная энергия, на сегодняшний день, единственный источник энергии, который может в теории покрыть растущие потребности людей в электричестве. Ни один из существующих ныне источников энергии на земле, не может сравниться своими будущими перспективами с этим уникальным явлением.
Приблизительные сроки внедрения
Давно перестала быть теоретическим вопросом. На 2040 год уже намечен первый пуск электростанции на земную орбиту.
Конечно, это только пробная модель, и она далека от тех глобальных сооружений, которые планируются построить в дальнейшем. Суть такого запуска - посмотреть на практике - как будет работать такая электростанция в рабочих условиях. Страна, которая взяла на себя столь нелегкую миссию - Япония. Предполагаемая площадь батарей, теоретически, должна составить около четырех квадратных километров.
Если эксперименты покажут, что такое явление как солнечная электростанция может существовать, то основное направление солнечной энергетики получит четкий путь по освоению подобных изобретений. Если экономический аспект, не сможет остановить все дело на начальном этапе. Дело в том, что по теоретическим подсчетам, для того, чтобы вывести на орбиту полноценную солнечную электростанцию, необходимо более двухсот запусков грузовых ракетоносителей. К сведению, стоимость одного запуска тяжелого грузовика, исходя из существующей статистики, составляет примерно 0,5 - 1 миллиард долларов. Арифметика проста, и результаты ее не утешительны.
Получающаяся сумма огромна, и она пойдет только на доставку разобранных элементов на орбиту, а необходимо еще собрать весь конструктор.
Подводя итог всему сказанному, можно отметить, что создание космической солнечной электростанции дело времени, но построить такую конструкцию под силу исключительно сверхдержавам, которые смогут осилить весь груз экономического бремени от реализации процесса.
Солнечные батареи зачастую бывают довольно больших размеров, поэтому сложно подобрать такие объекты недвижимости, на которых их можно было бы разместить. Одна швейцарская компания разработала новый подход и нашла свои пути решения этой проблемы. Компания запускает плавающий остров, покрытый солнечными батареями на озеро Невшатель. Каждый из трех запланированных островов диаметром 25 метров сможет разместить на себе 100 фотоэлектрических панелей, которые будут работать на протяжении следующих 25 лет. Острова так же будут использованы в научно-исследовательских целях.
В последнее время, судоходные компании все чаще и чаще прибегают к использованию интенсивной солнечной энергетики, размещая на борту панели солнечных батарей. Впервые солнечные батареи на корабле были размещены в Шанхае в 2010 году. Корабль был оснащен огромной солнечной батареей, сделанной в виде паруса. По такому же принципу сделана яхта Turanor PlanetSolar, которая совсем недавно завершила кругосветное плавание, используя солнечную энергетику.
Солнечные батареи в небе
2013 года стал рекордным годом по использованию солнечных батарей в качестве источника энергии для самолетов. Компания Solar Impulse разработала самолет, совершивший самый продолжительный полет с использованием солнечной энергии. Самолет пролетел через всю Америку этим летом.
Разумеется, летать на солнечной энергии, пока что могут только небольшие, беспилотные самолеты. Солнечные батареи значительно облегчают конструкцию дронов, и увеличивают время их возможного пребывания в воздухе.
Одним из примеров использования солнечных батарей в воздухе является подъемник, размещенный высоко в горах, который способен подымать людей на вершину горы с помощью солнечной энергии.
Солнечные батареи в космосе
Исследователи Университета Карнеги-Меллона создали прототип разведочного ровера, который в будущем, планируется отправить на Луну, на ракете SpaceX. Устройство, называемое Polaris, полностью работает на солнечной энергии. Polaris будет использован для изучения полярных лунных широт. Ровер оснащен специальным программным обеспечением, которое поможет ему работать в более темных областях спутника.
Вы так же наверняка слышали о большом количестве космического мусора на орбите. Было бы неплохо восстановить эти спутники и вернуть их на землю для ремонта и дальнейшего возвращения на орбиту. Эта идея легла в основу новой концепции Solara, устройства работающего на солнечных батареях и не требующего постоянного ремонта. Атмосферный спутник разработан компанией Titan Aerospace. Solara способен работать в высочайших слоях атмосферы на протяжении пяти лет подряд.
Последней и самой амбициозной надеждой является проект японской фирмы, которая планирует построить массив солнечных батарей вокруг экватора Луны, а затем запустить луч энергии обратно на Землю. На создание «Кольца Луны » уйдет около 30 лет. По предположениям специалистов компании лунное кольцо будет генерировать до 13000 ТВт (тераватт) постоянной энергии.
Любой космический аппарат, особенно предназначенный для длительной миссии, должен быть оснащен собственным источником энергии. В настоящее время широко используются солнечные батареи, фотовольтаические элементы и термоэлектрогенераторы. Однако им на смену уже скоро могут прийти наноспутники, оснащенные электродинамическими тросовыми системами.
Покорение глубокого космоса
Отправляясь в дальнее путешествие на машине, одним из важных аспектов будет постоянное слежение за наличием бензина. Конечно, необходимо тщательно просчитать маршрут, но базовая схема такова: как только его количество подходит к концу, нужно сделать остановку у ближайшей заправочной станции, запастись топливом и ехать дальше. До следующей заправки.
Ракеты и космические аппараты в этом ничем не отличаются от автомобилей – им тоже нужно топливо. Но есть одно «но» – заправок в космосе еще никто не построил. Что делать, если аппарат не просто нужно вывести на орбиту Земли, а совершить действительно длительное путешествие, за пределы Солнечной системы?
Сколько стоит отправить посылку в космос?
Если вы когда-нибудь зададитесь такой целью, вариантов решения проблемы на самом деле немного. Во-первых, можно пожертвовать всевозможным оборудованием на борту и отправить в космос действительно большой запас горючего. Скорее, это даже скорее просто будет гигантский летающий резервуар с топливом – настолько много его понадобится.
Сомневаемся, что вам такой способ придется по вкусу – каждый дополнительный килограмм веса при запуске ракеты обойдется вам очень и очень дорого. Если быть точнее, около десяти тысяч евро. Космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», относящиеся к так называемым «deep space probes» – космическим станциям, исследующим глубокий космос – бороздят Солнечную систему уже сорок лет. При всем желании отправить достаточно топлива для столь серьезных миссий у вас никак не получится по элементарным экономическим причинам. Да и о научной пользе от такого запуска говорить не придется, если от оборудования вроде камер, приемников и передатчиков информации придется по максимуму отказаться.
«Что значит, вы не были на Альфе Центавра?»
Технологии дозаправки в космосе действительно существуют, и в целом используются уже достаточно давно. Топливо доставляется на орбитальные космические станции и даже на отдельные спутники, хотя это сделать уже гораздо сложнее. В любом случае, речь идет именно об объектах, которые находятся на орбите Земли. Как только вы собираетесь преодолеть притяжение родной планеты и отправиться в глубокий космос, ни о какой дозаправке не может быть и речи. Космические заправочные станции – все еще удел научной фантастики, в реальности это и технологически и экономически сложно и крайне невыгодно. И клиентов будет немного.
Остается последний, третий вариант, в котором «каждый сам за себя»: вы каким-то образом вырабатываете энергию на борту своего космического аппарата самостоятельно.
Наследие Эйнштейна
На спутниках, находящихся на низких околоземных орбитах, имеющих высоту над поверхностью планеты в диапазоне от 160 км до 2000 км, или на геосинхронных орбитах, когда период обращения спутника вокруг Земли равен суткам, используются солнечные батареи. Их работа основана на фотовольтаическом (его еще называют фотогальваническим) эффекте, за счет которого при попадании света на некоторые вещества вырабатывается электрический ток.
Фотогальванические решетки имеют мощность от 100 ватт до 300 киловатт и являются относительно недорогим источником энергии с минимальными правилами безопасности при использовании.
Вездесущая радиация
Впервые фотовольтаическая энергия была использована 17 марта 1958 года, когда был запущен спутник «Авангард-1» с шестью солнечными панелями на борту. Они проработали более шести лет, вырабатывая 1 ватт мощности. При этом эффективность этих батарей, то есть отношение вырабатываемой энергии к тому количеству, которое в итоге реально может использоваться для питания приборов, была всего 10 %.
Фотогальванические ячейки необходимо устанавливать таким образом, чтобы покрыть максимальную возможную часть поверхности спутника. Требуется постоянно следить за их положением относительно Солнца – желательно всегда оставаться перпендикулярно падающему излучению, поскольку таким образом вырабатываемый ток будет наибольшим.
Также важно рассчитать, чтобы за время нахождения на Солнце спутник успел накопить достаточно энергии: 40-45% от всего времени путешествия по орбите аппарат находится в тени Земли и вырабатывать ток не может. В целом, на эффективность работы батарей влияет множество факторов, таких как зависимость от температуры, расстояние до светила, деградация электроники под действием постоянного излучения – их все необходимо не забывать принимать в рассмотрение при выборе конкретного типа фотовольтаических ячеек.
Тепло нашего Солнца
В космических аппаратах используются два типа приборов, преобразующих тепло в электроэнергию: статические и динамические. В основе статических термоэлектрогенераторов обычно лежит радиоактивный источник. В динамических термоэлектрогенераторах, активно внедряемых в спутниковых системах GPS, используют щелочные электрохимические ячейки.
В основе данного способа получения энергии лежит эффект Зеебека. Он проявляется, когда соединяются два различных материала, при этом еще и находящиеся при разных температурах. Из-за этих разностей возникает поток электронов из более горячего конца к менее горячему – мы получаем электрический ток. Само устройство для получения энергии называется термоэлементом или термопарой.
У эффекта Зеебека существует и обратное явление, эффект Пельтье, в котором при пропускании электрического тока через сплав двух проводников или полупроводников в одну сторону место соединения нагревается, а в другую – охлаждается. Эффект Пельтье используется в космосе для охлаждения электронного оборудования: из-за отсутствия конвекции в вакууме это оказывается довольно проблематичной задачей.
Для использования эффектов Зеебека и Пельтье, разумеется, необходим источник тепла. Для этого специалисты NASA разработали стандартизированный радиоизотопный термоэлектрический генератор, работающий на плутонии-238 с периодом полураспада 87.7 лет. На данный момент 41 подобный генератор используется на 23 космических аппаратах, мощностью от 2 до 300 ватт. Принципиальный минус использования радиоактивных изотопов – возможность загрязнения окружающей среды, если запуск миссии пройдет неудачно.
Когда не работает GPS – во всем виноват SAMTEC
Более эффективными должны стать динамические электрогенераторы. Их главное отличие от статических состоит в способе превращения механической энергии в электрическую. Если в термоэлектрических элементах тепло напрямую превращается в электричество, то в электрохимических концентрационных элементах для этих целей используется энергия расширения паров натрия.
В спутниках GPS нового поколения были внедрены термоэлектрические преобразователи типа Solar AMTEC (solar alkali metal thermal-to electric conversion – преобразователь тепловой энергии солнца в электрическую на основе щелочных металлов), или, сокращенно SAMTEC.
В генераторах SAMTEC приемник солнечной радиации нагревает резервуар с жидким натрием, который испаряется. Пары натрия пропускаются через специальную мембрану, отделяющую газ высокого давления (температурой 800-1000 о С) от газа низкого давления (температурой 200-300 о С). Из-за разницы давления положительно заряженные ионы натрия скапливаются с одной стороны фильтра, а отрицательно заряженные электроны – с другой. Создаваемая разность потенциалов может генерировать электрический ток в подключенной внешней цепи.
Эффективность ячеек SAMTEC составляет 15-40%, при этом срок действия – 10-12 лет без понижения производительности в условиях постоянного облучения в космосе. Вырабатываемая мощность может варьироваться от нескольких ватт до киловатт.
Космические нити
Космический трос – тонкий металлический канат, прикрепленный к орбитальному или суборбитальному космическому аппарату – ракете, спутнику или космической станции. Длина космических тросов варьируется от нескольких метров до десятков километров (мировой рекорд – чуть более 32 километров). Тросы изготавливаются из особо прочных материалов, выдерживающих гигантские нагрузки.
Космические тросовые системы делятся на две категории – механические и электродинамические. Тросы первой категории используются, в частности, для обмена скоростями и соединения различных космических аппаратов между собой для движения как одно целое.
Для электродинамических тросовых систем используются специальные материалы, не только прочные, но и проводящие электрический ток (обычно алюминий или медь). При движении таких тросов в магнитном поле Земли, на свободные заряды в металлах действует электродвижущая сила, создающая электрический ток. Также вклад в данные процесс дают области ионизованного газа с различными плотностями и свойствами, присутствующие в космосе и наличие ионосферы у самой Земли.
Численные симуляции, подтвержденные экспериментально, показали, что для большого спутника электродинамический трос длиной десять километров может вырабатывать среднюю мощность в 1 киловатт с эффективностью превращения энергии 70-80%. Трос такой длины из алюминия будет весить всего 8 килограмм, что ничтожно по сравнению с весом среднего орбитального аппарата.
Нанокорабль
Космические генераторы разрабатываются и изучаются уже многие десятилетия. Они хорошо описаны с теоретический точки зрения, и подвергаются самым экстремальным земным условиям – но при этом развитие «внеземных» источников энергии идет гораздо медленнее, чем их земных собратьев. Удивительным образом, покорение космоса, идущее в авангарде технологий, оказывается весьма и весьма консервативной областью, в которой внедрение новых разработок происходит редко из-за множества рисков и экономических причин.
Однако мы находимся на заре развития совершенно новой области – наноспутников, и даже спутников гораздо меньшего размера. Они могут служить базой для космических тросовых систем и, запуская в космос сразу множество таких устройств, у нас получится вырабатывать гораздо больше электроэнергии. Возможно, именно им предстоит произвести революцию в области генерации энергии в космосе, расширить технологические возможности космических аппаратов и увеличить время их работы.
