Astro energija

Saulė, energija, Parker Solar Probe, RTG, erdvėlaivių energijos šaltiniai ir kiti dalykai trumpame tekste

Saulė

Galingiausias gamtinis energijos šaltinis yra mūsų Saulė (384 YW = 384×10²⁴ vatų). Jos centre temperatūra siekia net 15 mln K, o aktyvumas kinta priklausomai nuo dėmių, fakelų, flokulų, protuberancų ir žybsnių. Per 90 % energijos išspinduliuojama regimosios šviesos ir infraraudonosiomis bangomis; ultravioletinėmis bangomis – tik 9 %.

Saulė – pagrindinis energijos šaltinis Saulės sistemoje

Saulės erdvėlaivio Parker Solar Probe startas

Parker Solar Probe tyriklis

Jau startavo tyriklis Parker Solar Probe (2018 metų rugpjūčio 12 dieną), priartėsiąs prie Saulės iki 6 Gm (7 kart arčiau nei Helios 1976 m. t.y. maždaug 9 saulės skersmenų atstumu), kur temperatūra bus apie 1650 K. Čikagos prof Eugene Parker dar 1958 m. pasižymėjo magnetinių laukų tyrimais ir Saulės vėjo teorija.

E. Parker stebi Parker Solar Probe startą

Jo garbei pavadintas tyriklis trimis magnetometrais matuos elektrinius ir magnetinius laukus bei jų kaitą.

ISoIS instrumentas

Instrumentas ISoIS turi spektrinį matuoklį bent 74 cheminiams elementams aptikti ir jutiklius super energingoms dalelėms. SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons) skaičiuos daleles ir helio jonus bei matuos jų greičius.

Tyriklis turi 2 Saulės elementų skydus po 1,5 m² 482 W galios. Vienas jų pritaikytas didelei kaitrai (priartėjus ir įjungus skystinį aušinimą). Kitas bus suglaustas už antiterminio gaubto. Pastarasis yra 2,5 m skersmens 11,5 cm storio 73 kg masės iš anglies pluošto sluoksnių su kompozitinės putos užpildu. Gaubtas gali atlaikyti 1700 K temperatūrą. Pralėkęs 20-140 km/s greičiu Venerą, tyriklis po 3 mėnesių pradės 150 parų trukmės orbitą aplink Saulę, palaipsniui trumpindamas iki 92 parų, o 2024 metais užbaigs priartėjimą.

Erdvėlaivių energijos šaltiniai

Dauguma astronautinių objektų turi Saulės elementų ir cheminių baterijų bei akumuliatorių elektrines ir vartoja nuolatinę srovę matuokliams bei tyrimų instrumentams, o kai kuriems pagalbiniams įrenginiams – ir kintamą. Nors ir smarkiai tobulinamų kosminių elektrinių energija tebėra brangi ~ 35 €/kWh. Erdvėlaiviams pritaisomi gan dideli išskleidžiami (pakilus į kosmosą) skydai, kurie gamina elektrą iš šviesos ir tiekia instrumentams, matuokliams bei šildymo ir vėdinimo įrenginiams. Dalis energijos kaupiama akumuliatoriuose, kurie maitina tinklą pristigus šviesos. Tolstant nuo Saulės, savitoji šviesos galia mažėja: 1374 W/m² ties Žeme, 50 W/m² ties Jupiteriu ir 1 W/m² ties Plutonu.

Tolimajame kosmose naudojamos radioizotopinės elektrinės, kuriose radioaktyviuoju skilimu kaitina šilumnešį, kurio energiją termoelektrinis generatorius RTG (be judančių detalių) verčia elektra. RTG privalumai: nedidelė masė, generuojama galia iki kelių šimtų vatų, gali veikti apie keliasdešimt metų, yra autonominiai, nėra judančių dalių. Yra ir minusų: naudingumo koeficientas ~ 7 %, plutonio 238 gamybos atnaujinimas kainuoja milijonus.

Radioizotopinės elektrinės vaizdas

RTG Apollo 14 misijoje Mėnulio paviršiuje

New Horizons RTG prieš skrydį Žemėje

New Horizons tyriklio RTG įrengys (nuo centro į kairę juodas pailgas cilindras) naudoja 11 kg PU235. Jo kaina 15 mln USD, tačiau palyginus su bendra projekto kaina – 650 mln USD – yra nedidelė

Tokie 45 kg masės (11 kg Pu238) RTG (Radioizotope Termoelectric Generator) sėkmingai veikia Voyager (240-200 W), New Horizons (250-200 W), Curiosity (125-100 W), bet kainuoja apie 30 mln €. Tokia radioizotopų elektrinė beveik 20 metų veikė ir tyriklyje Cassini. 23 NASA misijos per paskutinius 37 metus naudojo radioizotopines elektrines 23 misijose, tokiose kaip Voyager, Galileo, New Horizons, Cassini ir t.t.

Voyager-1 ir Voyager-2 yra toliausiai nuo Žemės nutolę erdvėlaiviai

Prieš skrydį Cassini Orbiter tyriklis

Yra vienas šių radioizotopinių elektrinių (RTG) trukūmas: nuo 1998 metų plutonis 238 JAV nebegaminamas, atsargos ėmė sekti. Nuo 1992 metų JAV pradėjo iš Rusijos pirkti PU238, už 40 kg buvo sumokėta 57.3 mld USD. 2010 metais PU238 nustojo pirkti.

Saulės elektrinės kosmose

Galingiausias dirbtinis energijos šaltinis yra TKS elektrinė iš 16 saulės skydų po 16400 elementų (1680 m² bendro ploto) teikia 80 kW galios (pradžioje – iki 124 kW) ir kaupia energiją dviejų rūšių baterynuose.

Didžiausias žmonijos statinys kosmose – Tarptautinė Kosminė Stotis

Atominių ektrinių veiklą kosmose apsunkina nesvarumo būsena (nėra konvekcinių šilumos mainų), reaktorių aušinti įmanoma tik per šaldančių radiatorių (gan masyvių) spinduliavimą ir kuro brangumas (Sr90 ar Pu238 – apie 4 mln 3.6 €/kg).

SNAP konstravimo momentas

SNAPshot palydovo konstravimo momentas

Vienas pirmųjų tokių įrenginių buvo SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power), išmėgintas JAV 1965 metais. Įrenginys palydove SNAPshot turėjo veikti 90 dienų ir generuoti galią nuo 500 W iki 650 W. 43 parą buvo įjungtas joninis variklis, jo veikimas sutrukdė valdymo sistemų ir reaktoriaus veikimą. Po to JAV kosmose su branduoliniais įrenginiais neeksperimentavo.

Nemažai tokių jėgainių sukurta Sovietų Sąjungoje. 1964-1966 testuotas įrenginys Romaška (Ромашка). Jo galia siekė 800 W, tačiau 1966 metais mirus S. Korolioviui, įrenginys į kosmosą nebuvo iškeltas.

US-A palydovo modelis su Buk įrenginiu

2,8 kW Buk (Бук) įrenginys (naudojo 30 kg U235) buvo naudotas radiolokacinės žvalgybos palydovuose US-A (УС-А). Nuo 1965 iki 1988 metais iškelta 32 US-A palydovai su Buk įrenginiais: vienas nepasiekė kosmoso, du grįžo atgal į Žemę. Likusieji iki šios dienos orbituoja 700-800 km aukštyje virš Žemės. 20 įrenginių veikė nepriekaištingai.

Nuo 1970 iki 1988 metų Sovietų Sąjungoje buvo paleisti 32 palydovai su RTG šaltiniais, o nuo 1960 iki 1980 metų buvo kuriamas ir Semipalatinsko poligone testuojamas branduolinis raketinis variklis.

Kritimas į Kanadą

1978 metais, sausio 24 dieną, vienas toks palydovas (žinomas kaip palydovas Kosmos-954, paleistas 1977 metų rugsėjį) su branduoliniu įrenginiu nukrito į Kanadą ir užteršė 124 000 km² teritoriją. Branduolinis reaktorius veikė, jame buvo ~ 50 kg radioaktyvaus uranas-235. JAV padėjo Kanadai (Morning Light – taip vadinosi liekanų suradimo ir palaidojimo operacija, kainavusi abiem valstybėms ~14 mln USD) surasti ir likviduoti nukritusias liekanas. Kilo tarptautinis skandalas. Sovietų Sąjunga Kanadai išmokėjo ~ 3 mln USD nuostoliams atlyginti.