Якщо людство у майбутньому планує регулярно літати до інших планет і жити в космосі, то йому треба буде розв’язувати проблему електропостачання. Зараз із цією метою використовуються переважно сонячні батареї та радіоізотопні генератори. Однак у майбутньому нам може знадобитися щось значно потужніше.
Електрика в космосі
Техніка, яку ми використовуємо щоденно на Землі, у понад 90 відсотків випадків потребує електричної енергії для свого функціонування. Чи то холодильник, смартфон чи апарат для проведення комп’ютерної томографії — всі вони потребують підключення до джерела струму.
На Землі із цим проблем немає. Більша частина електричної енергії виробляється потужними електростанціями, що централізовано видобувають її з води, що тече, вітру, що дме, сонячного світла, що надходить на Землю, та викопного палива, хімічного чи ядерного.
Ця енергія розподіляється між споживачами електромереж. Але у космосі нічого подібного немає. При цьому немає не тільки розетки, яка приєднана до електромережі, немає самих води, вітру та корисних копалин. Усе, що є — це сонячне світло та те, що астронавти можуть взяти із собою.
Енергії це дає мало. Потужності сонячних батарей середнього космічного корабля навряд чи вистачило б для того, аби живити порохотяг. Проте астронавти навчилися задовольнятися і такою її кількістю. Але у майбутньому все має змінитися через те, що космічні кораблі потребуватимуть значно більше енергії.
Як влаштовані сонячні панелі?
Найпоширеніший спосіб видобування енергії на космічних апаратах сьогодні — використання сонячних панелей. Ці пристрої працюють, використовуючи фотоефект. Він полягає у тому, що кванти електромагнітного випромінювання при потраплянні у матеріал передають свою енергію електронам, і ті залишають свої орбіталі та починають рухатися матеріалом.
Звичайно, що відбувається це не в усіх матеріалах, а лише у напівпровідниках з n-p переходом. Якщо такий є частиною електричного кола, то виникає струм, який може живити. Жодних витрат палива при цьому не виникає. Поки є сонячне світло, є й електричний струм.
Проблема лише в тому, що коефіцієнт корисної дії у сонячних панелей достатньо невеликий. Сонячне світло, що падає на поверхню цих батарей площею 1 м2, має потужність 1367 Вт/м², якщо вони розташовані на орбіті Землі. Проте електричний струм, який вироблятиме цей пристрій, матиме потужність усього 130 Вт. Це трохи більше, ніж потребує одна лампа розжарювання, або 12 світлодіодних ламп тої самої потужності.
Інженери весь час намагаються підвищити ККД сонячних панелей, але очевидно, що навіть якщо вдасться підвищити його до 30–40 відсотків, для виробництва великої кількості енергії вони повинні мати просто велетенські розміри.
Щоправда, чим ближче до Сонця, тим вище щільність енергії у його випромінюванні. Вже на орбіті Венери ті ж самі сонячні панелі зможуть виробляти у кілька разів більшу потужність, ніж на орбіті Землі. Тож на космічних кораблях та станціях, що працюватимуть у майбутньому у внутрішніх областях нашої системи, сонячні панелі використовуватимуся ще достатньо довго.
Але більша частина об’єктів у Сонячній системі розташована ще далі, ніж Земля. І щільність енергії Сонця там ще нижче, ніж на Землі. Отже, для таких місць треба шукати якісь інші джерела електричного струму.
Акумулятори та паливні елементи
Одним із рішень, які застосовуються зараз є акумулятори. Працюють вони так само, як і ті, що застосовуються на Землі у мобільних телефонах та електромобілях. Тільки звичайно, що в польоті вони розряджаються. Тому використовують їх переважно на невеликих апаратах із коротким часом функціонування.
Досить схоже, але все ж краще рішення являють собою паливні елементи. Ці пристрої перетворюють енергію хімічних реакцій на електричний струм за допомогою термоелементів, у яких рух електронів виникає внаслідок нагрівання. Найперспективнішими здаються воднево-кисневі апарати, завдяки великій кількості тепла, яке виділяється у цій реакції, та нетоксичності компонентів.
Самі по собі паливні елементи невеликі. Однак і вихід електроенергії з них достатньо скромний. Саме тому для тривалої роботи вони повинні мати великі місткості з паливом та окислювачем, а у випадку з воднем та киснем ці баки ще й мають бути обладнані холодильною установкою.
Теоретично ця конструкція може бути ефективною на інших планетах, де, за наявності відповідного обладнання, можна буде поповнити запаси палива та окислювача. Проте поки що ця конструкція не має популярності через невисоке співвідношення маси, яку доводиться підіймати у космос, до потужності, яку можна видобути.
РІТЕГ
Коли йдеться про дослідження віддалених від Сонця планет, то найпопулярнішим рішенням є радіоізотопні термоелектрогенератори (РІТЕГ). Ідея такого пристрою достатньо проста. Треба лише взяти радіоактивний матеріал, який самочинно випромінює енергію, і помістити його всередину термоелемента, який використовується у паливних елементів. Таким чином можна напряму перетворювати радіацію на електричний струм.
Щоправда, сама радіоактивна речовина повинна мати певні характеристики. Краще за все буде, якщо її розпад відбувається з утворенням α-частинок, хоча і β-радіоактивні елементи теж годяться. Крім того, енергії такий матеріал повинен виділяти багато, але його активність із часом не повинна падати внаслідок занадто короткого періоду напіврозпаду. До того ж внаслідок реакції не має виділятися багато нейтронів та гамма-частинок, які важко затримати у корпусі РІТЕГ, аби вони не завдавали величезної шкоди людям.
Найкраще для будівництва РІТЕГ підходять плутоній-238, стронцій-90 та кюрій-244. Непогано себе показали також полоній-210 та америцій-241. Проводилися експерименти й з іншими радіоактивними матеріалами.
Найчастіше у космічних РІТЕГ використовується саме плутоній-238, точніше, його оксид. Від таких пристроїв живилися апарати Viking, Voyager, Cassini, New Horizones та ровери Сuriosity та Perseverance. Причина такої популярності полягає в тому, що цей матеріал практично не випромінює нейтронів та γ-квантів. Завдяки цьому він не потребує важкого екрана для захисту наукового обладнання від радіації.
Плутоній-238 має період напіврозпаду 87 років і невелике, але достатнє енерговиділення, яке дозволяє РІТЕГ на його основі працювати в космосі десятиліттями. Єдина проблема — його треба виробляти спеціально.
Цього недоліку позбавлений стронцій-90. Він є відходом ядерної енергетики, тобто, за мірками таких матеріалів, надзвичайно дешевий. Саме тому РІТЕГ на його основі дуже любили робити у Радянському Союзі. Щоправда, на космічні апарати його все ж не ставили, адже цей ізотоп породжує потужне γ-випромінювання, від якого апаратуру треба захищати неймовірно товстими й важкими екранами зі свинцю. При цьому і період напіврозпаду, й енерговиділення у нього менші, ніж у плутонію-238.
Інший перспективний ізотоп для РІТЕГ — кюрій-244. Його головна перевага — високе енерговиділення — у 6 разів більше, ніж у плутонію. Короткий період напіврозпаду не може вважатися великою проблемою, адже його продуктом є той самий плутоній-238, тобто електрогенератор на ньому з часом не втрачає потужність повністю, а лише знижує її.
Справжніми перешкодами на шляху застосування в космосі РІТЕГ на основі кюрію-244 є його висока вартість і високий шанс спонтанного ділення, в результаті якого вивільняється величезна купа нейтронів та γ-квантів. Тому електрогенеруючі елементи на його основі таки доводиться поміщати всередину свинцевих контейнерів із товщиною стінки у 10 см.
Також ще наприкінці 1950-х років у США розроблялися РІТЕГ на основі полонію-210. Цей ізотоп має фантастичне енерговиділення у 140 Вт/г і чистий α-розпад, через що не потребує екранування.
Варто зазначити, що навіть плутонієві РІТЕГ можуть вважатися безпечними достатньо умовно. Постійне перебування поруч із ними може вкрай негативно вплинути на здоров’я людини. Проте поки що іншої альтернативи для місій, в яких неможливо використовувати сонячні панелі, немає. Але, цілком можливо, найближчим часом їх доведеться знайти.
Чому енергоспоживання у космосі має вирости
Якщо люди почнуть дійсно жити у космосі, а не просто перебувати там в експедиціях, то споживання електроенергії неминуче виросте. Адже досі астронавти відмовляються від використання багатьох звичних на Землі пристроїв, які споживають багато енергії.
Проте навіть не це може стати причиною переходу на інші джерела енергії, а застосування нових двигунів. Досі для всіх маневрів у космосі використовувалися хімічні двигуни. Вони мають досить низьку швидкість витікання газів із сопла, тому витрачають паливо вкрай неефективно.
Вчені давно вже працюють над заміною для них, і, цілком можливо, найближчими десятиліттями нові рушії будуть випробувані у космосі й спричинять справжню революцію у космічних перевезеннях, значно пришвидшивши польоти між планетами.
Конструкцій таких двигунів створено чимало, але хоч як їх називай — плазмовими, електричними чи іонними — принцип дії у них приблизно однаковий. Спочатку атоми нейтрального газу перетворюються на заряджені частинки — іони, а потім виштовхуються потужним магнітним полем.
При цьому цей процес потребує великої кількості електричної енергії. Хімічні двигуни для своєї роботи не потребували її взагалі. Сучасні електричні двигуни, які використовуються для корекції орбіт супутників, потребують невеликої кількості енергії, яку їм можуть забезпечити сонячні панелі.
Однак якщо необхідно розігнати для польоту на Марс корабель з екіпажем, то жодних сонячних батарей чи РІТЕГ для живлення його електричного двигуна не вистачить. Тут треба звернутися до інших рішень, які досі у космосі не застосовувалися.
Ядерний реактор для космічних кораблів
Рішенням, яке є вже зараз, але досі не використовувалося на космічних кораблях чи станціях, є ядерний реактор. Це не те саме, що РІТЕГ, хоча джерело енергії тут таке ж: тепло, що виділяється внаслідок ядерної реакції. Різниця полягає в тому, що тут вона є ланцюговою керованою, а не самочинною.
Суть ланцюгової ядерної реакції полягає в тому, що частинки випромінювання від одних нестабільних атомів примушують ділитися і випромінювати частинки інші, й так повторюється до нескінченності, наслідком чого є вибух.
Однак частину цих ядер гелію, електронів та нейтронів можна перехопити, якщо ввести у масу радіоактивної речовини елементи з матеріалу, що їх поглинає. Таким чином можна підтримувати високе енерговиділення впродовж тривалого часу.
Якщо тепер завести всередину реактора труби з водою, то вона буде нагріватися і крутити турбіну, а та обертатиме ротор у магнітній котушці, внаслідок чого вироблятиметься величезна кількість електричної енергії.
Більшість реакторів, які збудовані на Землі, працюють на атомних електростанціях чи у дослідницьких центрах. Зазвичай це масивні й стаціонарні конструкції. Однак від самого початку їхнього використання існує ідея використати значно менші пристрої для того, аби вони забезпечували енергією транспортні засоби.
У ХХ столітті розроблялися проєкти літаків, локомотивів і навіть автомобілів з ядерними реакторами. Причиною цього було те, що ці апарати могли кілька років рухатися завдяки всього одній збірці ядерного палива.
Щоправда, до практичних випробувань дійшли тільки літаки, але, зрештою, й американські, і радянські військові від цієї ідеї відмовилися. Занадто вже великими виявилися побоювання, що аварія призведе до значного забруднення. Та й вага самих реакторів була чималою. Наприклад, на експериментальному радянському Ту-119 силова установка важила 39 тонн.
Саме вага є основною причиною, чому можливість використання ядерних реакторів у космосі лишалася суто теоретичною. Мало яка ракета могла б вивести на орбіту реактор, не кажучи вже про апарат, який він має живити.
Проте ядерні реактори вже багато років успішно використовуються для забезпечення руху надводних кораблів і підводних човнів. А компанії розробляють все нові й нові компактні моделі, вага яких весь час зменшується.
Наприклад, Mitsubishi Heavy Industries планує вже у цьому десятилітті показати вантажівку, що живитиметься від ядерного реактора. А Rolls-Royce розробляє компактне джерело енергії безпосередньо для місячної бази.
Тож, цілком можливо, у майбутньому ядерні реактори стануть звичними у космосі. Щоправда, для цього доведеться розв’язувати проблему завантаження та вивантаження з них палива, а також утилізації радіоактивних відходів. Це не та проблема, яка може зробити використання подібних силових установок неможливим, проте вона значно може ускладнити їхню експлуатацію.
Ще однією проблемою, яка ускладнить експлуатацію ядерних реакторів у космосі, може бути їхня відсутність на інших небесних тілах. Принаймні поки що за межами Землі достатніх покладів урану не виявлено. Можливо, їх знайдуть у майбутньому, а можливо, паливо, хоч і раз на кілька років, та все ж доведеться завозити із Землі.
Термоядерний синтез
Саме тому як джерело енергії для космосу давно вже розглядається термоядерний синтез. Його основні принципи відомі вже достатньо давно і його навіть вдалося реалізувати у водневій бомбі, проте керована реакція, здатна крутити турбіни й виробляти електричний струм, вже кілька десятиліть не дається фізикам усього світу.
Утримати плазму при температурі у мільйони градусів достатньо довго дуже складно і вимагає спочатку витратити велику кількість енергії. У 2022 році вчені з Ліверморської національної лабораторії у США повідомили, що їм вдалося на короткий період отримати додатний баланс енергії від їхньої установки.
Проте про стабільне вироблення струму термоядерним реактором поки що не йдеться. Вчені не можуть навіть встановити, який тип установок зрештою може виявитися успішним. Традиційною їхньою конструкцією є токамак, що розшифровується як «тороїдальна камера із магнітною котушкою». У реакторах цього типу плазма справді перебуває всередині камери, що формою нагадує бублик, і нагрівається за допомогою струму, що протікає крізь нього та створює стримуюче магнітне поле.
Розвитком цієї конструкції є стеларатор. Його камера також має форму бублика, або тора, проте утримання і розігрів плазми у ній здійснюється за допомогою складнішої системи магнітних котушок. Крізь плазму струм при цьому не проходить.
Проте вчені у Ліверморській лабораторії отримали позитивний результат на реакторі зовсім іншого типу — інерційному. У ньому сферична «таблетка» термоядерного палива перебуває всередині камери, у якій її з усіх боків стискають та нагрівають потужні лазери.
Але й це зовсім не означає, що найперспективнішою є саме конструкція інерційного реактора. Адже до практичного застосування там так само далеко, як і у випадку токамаків. І цілком можливо, що наступний прорив буде отриманий саме на них.
Тим часом частина вчених зовсім не впевнена, що взагалі треба намагатися отримати такі неймовірні значення температури й густини, які використовувалися в останніх експериментах. Замість цього вони пропонують досягти необхідних параметрів за рахунок тонкого підлаштування магнітних полів під час розігріву плазми у тороїдальній камері. Щоправда, для того, аби керувати цим процесом, знадобиться дуже потужний штучний інтелект.
Термоядерний реактор у космосі
Хоча вчені поки що не можуть побудувати діючий термоядерний реактор на Землі, інженери вже замислюються над тим, як застосувати його у космосі. Причина цього навіть не в тому, що термоядерні реакції ефективніші за ядерні. Головна причина — у паливі.
На відміну від урану, водень та гелій зустрічаються практично всюди. А у місячному реголіті навіть можна зустріти ізотоп гелію-3, який майже неможливо знайти на Землі. Він є головним компонентом найперспективнішої з усіх термоядерних реакцій, яка може дати найбільше енергії.
Тож саме термоядерні реактори найкраще підходять для використання у космосі. Зрештою, навіть продукти їхньої роботи не треба якось особливим чином утилізувати.
Щоправда, у цих установок вистачатиме проблем навіть після того, як термоядерні реактори вдасться змусити стабільно працювати. Перша з них полягає у тому, як завантажувати нове паливо у реактор у процесі його роботи. Чи треба його при цьому зупиняти? Поки що у вчених немає відповіді на це питання.
Також досі нерозв’язаною є проблема великої кількості нейтронів, які народжуються в експериментальних установках. Вони бомбардують корпус реактора й обладнання і сприяють виходу з ладу.
Скоріш за все «енергетична революція» у космосі якщо і станеться, то не найближчими роками. Поки що нові місії будуть вдовольнятися ефективнішими РІТЕГ та сонячними панелями. Поява на орбіті ядерних та термоядерних реакторів — питання наступних десятиліть.
Проте вже зараз можна сказати, що весь цей час, поки люди шукали ефективне джерело електричної енергії для космосу, не минув даремно. Інженери використали його для того, аби навчитися використовувати її настільки ефективно, наскільки це взагалі можливо.
У майбутньому це вміння явно стане у пригоді. Адже якими б потужними не були космічні реактори майбутнього, економія їхньої енергії завжди буде на часі. Та і на Землі відповідні технології також можуть знайти своє застосування.
