Skąd czerpać prąd? Źródła energii elektrycznej dla statków kosmicznych

Baterie - podstawowe źródło energii elektrycznej

Najbardziej podstawowym źródłem energii elektrycznej dla pojazdów kosmicznych są baterie. Prąd pozyskiwany jest z nich dzięki reakcji chemicznej. Wykorzystuje się do tego celu np. akumulatory niklowo-kadmowe. Baterie pozbawione możliwości ponownego ładowania relatywnie szybko się wyczerpują i sprawdzają się raczej przy krótkotrwałym zastosowaniu. Ten rodzaj źródła energii miał np. umożliwić pracę lądownikowi Schiaparelli, po jego wylądowaniu na Marsie. Gdyby nie wypadek próbnika, baterie miały mu umożliwić operowanie przez 2-8 marsjańskich dni (soli) na powierzchni Czerwonej Planety. Baterie jako źródło prądu są zwykle niedrogie, ale jednocześnie należy się liczyć z tym, iż sporo ważą.

Dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie podczas misji kosmicznej baterii ładowalnych (rechargeable), w połączeniu z innym źródłem energii – np. panelami słonecznymi. W przypadku satelitów orbitujących wokół Ziemi gros prądu zapewniają im zwykle panele fotowoltaiczne, tymczasem nadmiar pozyskiwanej z nich energii jest gromadzony w akumulatorach i wykorzystywany, kiedy statek na swej orbicie wchodzi w cień planety. Z kolej w łaziku marsjańskim Curiosity głównym źródłem energii jest radioizotopowy generator termoelektryczny (RTG), zaś wspomagają go baterie litowo-jonowe. RTG zapewnia pojazdowi stały dostęp energii na niższym poziomie. Prąd zmagazynowany w litowo-jonowych akumulatorach zostaje natomiast spożytkowany przy wykonywaniu zadań wymagających tymczasowo większego zastrzyku energii.

Panele fotowoltaiczne - tylko do orbity Jowisza

Zdecydowanie najpopularniejszym źródłem energii elektrycznej dla statków kosmicznych są panele słoneczne. Słońce, zważywszy na interesujący nas horyzont czasowy, jest właściwie niewyczerpanym źródłem energii. Znakomita większość satelitów orbitujących wokół naszej planety pozyskuje prąd właśnie z tego źródła. Panele słoneczne wytwarza się z krzemu lub arsenku galu. Przekształcają one światło słoneczne w energię elektryczną. Mają jednak kilka istotnych wad. Po pierwsze, żeby działać efektywnie, muszą być stale ustawione pod jak najbardziej optymalnym kątem względem promieni Słońca, nawet jeśli statek obraca się jako całość, czy jego pozostałe części zmieniają ustawienie. To może rodzić trudności w produkcji i przeprowadzeniu danej misji. Po drugie, panele słoneczne tracą na sprawności kiedy się nagrzewają. Przy wzroście temperatury takiego urządzenia o 25ºC jego efektywność spada o około 10%. Panele słoneczne ulegają też w miarę upływu okresu eksploatacji zużyciu w wyniku bombardowania ich przez mikrometeoryty oraz przede wszystkim rozpędzone cząstki, emitowane przez Słońce pod postacią wiatru słonecznego. W efekcie, skuteczność działania paneli słonecznych satelity na orbicie geostacjonarnej na przestrzeni 10 lat może spaść o 30%. Są one też dość drogie w produkcji.

Najistotniejszym czynnikiem ograniczającym użyteczność paneli fotowoltaicznych jest ich niewielka efektywność, która dodatkowo drastycznie maleje wraz ze wzrostem odległości statku od Słońca. Ilość energii słonecznej, jaka na orbicie okołoziemskiej pada na metr kwadratowy powierzchni, to około 1,4 kW. Sprawność typowych paneli fotowoltaicznych oscyluje w okolicach 10%, co oznacza, że statek operujący w okolicach orbity Ziemi (1 jednostka astronomiczna od Słońca) jest w stanie z jednego metra kwadratowego paneli uzyskać przeciętnie 140 W, a nieraz nawet mniej. Jednak ilość energii docierającej ze Słońca maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości pojazdu kosmicznego od gwiazdy centralnej naszego systemu planetarnego.

Za granicę obszaru Układu Słonecznego, do której uzasadnione jest stosowanie fotowoltaiki uznawana jest orbita Jowisza, która znajduje się 5 razy dalej od Słońca niż Ziemia (orbituje w odległości pięciu jednostek astronomicznych). W związku z tym w pobliżu tego gazowego olbrzyma z każdego metra kwadratowego paneli słonecznych można pozyskać aż 25 razy mniej energii elektrycznej niż w sąsiedztwie Ziemi, Dopiero niedawno NASA wysłała pierwszą misję kosmiczną do Jowisza, w której źródłem zasilania są panele słoneczne. Chodzi o sondę Juno, która wystartowała w roku 2011, a w 2016 weszła na orbitę wokół największej planety Układu Słonecznego. Łączna powierzchnia paneli fotowoltaicznych Juno to ponad 65 metrów kwadratowych. Ułożone w trzech skrzydłach, ważą łącznie blisko 340 kg. W pobliżu Ziemi zestaw ten mógł produkować 12 do 14 kW prądu, podczas gdy w pobliżu Jowisza początkowo będzie to mniej więcej 486 W, zaś potem, na skutek degradacji paneli przez promieniowanie, 420 W. Korzystnie na funkcjonowanie paneli wpływa natomiast niska temperatura w sąsiedztwie piątej planety od Słońca.

Radioizotopowy generator termoelektryczny - napęd na dziesięciolecia

Źródłem zasilania masowo wykorzystywanym w misje poza orbitę Marsa, gdzie przydatność paneli słonecznych drastycznie spada są radioizotopowe generatory termoelektryczne (RTG). Wytwarzają one prąd w oparciu o zjawisko Seebecka. Z kawałków dwóch różnych metali tworzy się obwód elektryczny. Jedno z połączeń dwóch metali należy umieścić w cieple, drugie w zimnie. Wtedy, na skutek różnicy temperatur w obwodzie popłynie prąd, a im większa różnica temperatur pomiędzy węzłami, tym większa wydajność urządzenia. W przypadku sond kosmicznych połączenie oziębione wystarczy wystawić na chłód wszechobecnej przestrzeni kosmicznej. Natomiast źródłem ciepła dla drugiego węzła jest rozkład promieniotwórczego izotopu – zwykle wykorzystuje się w tej roli pluton-238.

Urządzenia RTG zasiliły przez kilka dekad wiele statków kosmicznych. Jako pierwszy z tej technologii korzystał amerykański satelita nawigacyjny Transit 4A wyniesiony w 1961 r. Z RTG korzystały później tak legendarne sondy badawcze jak Pioneery, Voyagery, Galileo, Cassini czy New Horizons. Radioizotopowe generatory termoelektryczne zasilały również marsjańskie lądowniki Viking oraz najnowszy łazik NASA na Czerwonej Planecie czyli Curiosity. Rozwiązania tego typu były też zabierane na powierzchnie Księżyca przez załogi misji Apollo 12, 14, 15, 16 i 17.

Do podstawowych zalet RTG należy wspomniany już fakt, iż sondy bazujące na tym źródle energii mogą być zasilane w znacznej odległości od Słońca i niezależnie od oświetlenia statku promieniami gwiazdy. RTG działa też dość długofalowo, przez dziesiątki lat. Sprawność urządzenia jednakże z czasem spada ze względu na rozkład części materiału paliwowego oraz degradację termopar. Szacuje się, że we wciąż działających sondach Voyager, które swą misję zaczęły w latach 70-tych XX wieku, do 2001 r. wydajność RTG spadła do ok. 80% pierwotnego poziomu. Konstrukcja tego typu źródła zasilania nie zawiera ruchomych elementów i jest niezwykle prosta, co uodparnia ją na awarie. Chociaż eksploatacja RTG niesie za sobą pewne niebezpieczeństwa, to jednak nie ma ryzyka eksplozji całego urządzenia.

Uczciwie trzeba jednak przyznać, że radioizotopowe generatory termoelektryczne mają też sporo wad. Produkują ogromne ilości ciepła, z których tylko niewielka część zamieniana jest na energię elektryczną (w przypadku Curiosity jest to np. ledwie 120 W na 2000 W energii cieplnej). Ten nadmiar energii musi być bezpiecznie odprowadzany do otoczenia tak, by nie zagrażało to innym podzespołom statku. Urządzenia RTG niekiedy dużo ważą i zajmują znaczną objętość. Niezbędne do ich działania pokłady pierwiastków promieniotwórczych mogą być drogie i trudne do pozyskania. Sama komora wypełniona niebezpiecznym izotopem musi zapewniać skuteczną osłonę przed szkodliwym promieniowaniem, również dla samej elektroniki statku. W trakcie wynoszenia w przestrzeń kosmiczną statku zawierającego RTG zawsze istnieje niezerowe ryzyko skażenia ziemskiej atmosfery, części obszaru planety lub oceanu w razie nieprzewidzianej katastrofy. Obawa ta nabrała realnego znaczenia np. wówczas, gdy astronauci pechowej misji Apollo 13 przywieźli moduł wyposażony w RTG z powrotem na Ziemię. Spłonął on w atmosferze, jednak późniejsze badania wykazały iż sam termoelektryczny generator spadł nienaruszony i w takim stanie spoczywa od tamtej chwili na dnie Pacyfiku, gdzieś w pobliżu Archipelagu Tonga.

Ogniwa paliwowe - bezpiecznie źródło energii elektrycznej

Typowym źródłem energii elektrycznej w ogniwach paliwowych jest łączenie się atomów tlenu i wodoru. Podczas tego procesu powstaje cząsteczka wody oraz emitowana jest energia. Jej odzyskiwanie możliwe jest dzięki membranie, która podczas reakcji utleniania wodoru przechwytuje uwolnione wówczas luźne elektrony.

Podobnie jak RTG ogniwa paliwowe nie potrzebują do swego działania światła słonecznego. Ogniwa zwykle działają nieco dłużej niż standardowe baterie, ale zdecydowanie krócej niż radioizotopowe generatory termoelektryczne. Średni czas pracy ogniwa paliwowego to kilka dni. Zdecydowaną zaletą tego źródła prądu jest fakt, iż ogniwa korzystają z bezpiecznych materiałów, a reakcja utleniania wodoru może być dość precyzyjnie kontrolowana. W jej trakcie nie są też uwalniana żadne szkodliwe związki, powstaje natomiast woda, która może być wykorzystana do picia lub innych celów przez astronautów. Ogniwa paliwowe były w użyciu podczas misji Apollo oraz w trakcie lotów promów kosmicznych. Poważną wadą ogniw jako źródła energii elektrycznej dla pojazdów kosmicznych jest duża waga infrastruktury niezbędnej do ich działania.

Przyszłe źródła energii - ASRG, fuzja jądrowa, EmDrive...

Alternatywnym źródłem zasilania dla statków kosmicznych przyszłości może być Zaawansowany Generator Radioizotopowy Stirlinga (ASRG). Ma on trochę wspólnego z opisywanym powyżej RTG. Również w tym przypadku kluczowe do działania całego układu ciepło pozyskiwane jest z rozpadu izotopu promieniotwórczego pierwiastka. W tym przypadku jednak ciepło zamieniane jest w energię elektryczną za pomocą silnika Stirlinga, w którym tłok wprawia w ruch rozgrzany hel.

Generator Stirlinga jest mniej więcej czterokrotnie efektywniejszy od klasycznego urządzenia RTG, dzięki czemu taką samą moc pozwala on uzyskać przy zastosowaniu czterokrotnie mniejszej porcji plutonu-238 niż w przypadku rozwiązania klasycznego. Prace nad rozwojem tej koncepcji ruszyły w USA pełną parą w 2000 r., pod patronatem Departamentu Energii i NASA. Z powodu cięć budżetowych i posiadania dostatecznego zapasu plutonu dla zwykłych RTG NASA zdecydowała się niemal całkowicie wstrzymać badania poświęcone Radioizotopowemu Generatorowi Stirlinga w roku 2013, przeznaczając na ten cel w następnych latach minimalne środki. Wszystko wskazuje na to, iż gotowa do lotu wersja ASRG nie narodzi się przed rokiem 2028. Generator Stirlinga miał być potencjalnie wykorzystany w lądowniku Titan Mare Explorer (TiME), w ramach proponowanego lądowania na Tytanie, niemniej misja TiME nie będzie na razie realizowana, gdyż przegrała w programie NASA Discovery, z projektem InSight – posadzenia próbnika na Marsie.

Innym źródłem energii, z którym entuzjaści podboju kosmosu wiążą duże nadzieje jest fuzja jądrowa. Reakcja ta polega na łączeniu się jąder atomowych lżejszych w cięższe. Fuzja ta, zwana też reakcją termojądrową lub syntezą jądrową jest źródłem świecenia gwiazd. Póki co naukowcy nie opanowali jednakże na Ziemi sposobu na stabilne przeprowadzanie syntezy jądrowej w taki sposób, by otrzymywać z tej reakcji więcej energii niż trzeba było wykorzystać do jej przeprowadzenia. Ponadto, w warunkach ziemskich próbne fuzje jądrowe przeprowadza się w ogromnych budowlach zwanych tokamakami, gdzie przestrzeń, w której odbywa się reakcja ograniczana jest przez potężne, tworzone specjalnie w tym celu pole magnetyczne. 

Jeśli jednak ludzkość zdoła opanować stabilną i opłacalną reakcję termojądrową, oraz zminiaturyzować to rozwiązanie na potrzeby statków kosmicznych, wtedy mamy szansę zrewolucjonizować loty kosmiczne. Statki mają wówczas szansę podróżować na tyle szybko, iż żadna z planet Układu Słonecznego nie będzie zbyt daleko dla misji załogowej. Czas potrzebny człowiekowi na dotarcie z Ziemi na Marsa skurczyłby się z 6 miesięcy, z którym to minimalnym okresem trzeba się liczyć przy użyciu obecnych technologii, do 3 miesięcy, a może nawet 6 tygodni.

Jak widać, fuzja jądrowa nie byłaby dla pojazdów kosmicznych jedynie źródłem energii elektrycznej dla ich podsystemów, lecz przede wszystkim sposobem ich napędzania. Synteza jądrowa będzie niezwykle efektywnym źródłem napędu, który pozwoli pokonać ogromne dystanse przy użyciu niewielkich ilości paliwa. Ponadto, w podróżach po Układzie Słonecznym można by to paliwo w różnych miejscach dotankowywać. Wszak paliwo dla reakcji termojądrowych może stanowić Hel-3, który występuje na Księżycu, lub wodór, obecny w atmosferach różnych planet.

Budzącym duże kontrowersje ale potencjalnie rewolucyjnym napędem może być EmDrive, którego działanie niedawno potwierdził test przeprowadzony przez należące do NASA Eagleworks Lab. Jest to bezemisyjny napęd elektromagnetyczny, generujący ciąg w oparciu o kierunkowe wzmocnienie mikrofal w komorze rezonansowej. Do tej pory nie znaleziono jednak jednoznacznie potwierdzonej zasady fizycznej, która wyjaśniałaby jego działanie w domniemanej sprzeczności z prawami dynamiki Newtona. EmDrive przejdzie w najbliższym czasie kolejne testy. Eksperyment w przestrzeni kosmicznej jest przewidziany na 2017 rok. 

Czytaj więcej: Kontrowersyjny EmDrive. Silnik urojony czy technologiczny przełom?

Silniki jonowe - przyszłość? 

Jeśli już jesteśmy przy sposobach napędzania statków kosmicznych, nie sposób nie wspomnieć przy tej okazji o silnikach jonowych. Funkcjonowanie tego typu jednostki napędowej opiera się najczęściej na bombardowaniu atomów ksenonu elektronami. Powstałe w wyniku tego procesu jony dodatnie są następnie rozpędzane za sprawą działania pola elektrycznego lub magnetycznego. Owe kationy, wyrzucane ze statku kosmicznego lub satelity, generują dla niego ciąg, ustawiony w tym samym kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie.

Silniki jonowe nie nadają się do wynoszenia ładunków z Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Ponieważ generowany przez nie ciąg jest bardzo niewielki, można ich używać dopiero dla pojazdu kosmicznego, który znajduje się już na orbicie. I chociaż ciąg tworzony przez silnik jonowy ma bardzo małą moc, to może on być generowany nieustannie przez bardzo długi czas, nie wymagając zbyt dużej ilości źródła kationów – czyli np. właśnie ksenonu. Niewielkie, ale wytwarzane w długim czasie przyspieszenie, pozwala długofalowo znacząco zwiększyć prędkość pojazdu. Te właściwości powodują, iż w szczególności dla bezzałogowych sond kosmicznych pokonujących długie dystanse napęd jonowy jest technologią niezwykle obiecującą. Byłą ona zresztą już z powodzeniem testowana. Sonda Deep Space 1 zdołała zwiększyć swą prędkość wykorzystując napęd jonowy o 4,3 km/s, zużywając do tego celu poniżej 74 kg ksenonu. Jeszcze lepsze rezultaty osiągnęła w tej kwestii sonda Dawn, zużywając na 27 godzin pracy silnika jonowego niecałe 300 g ksenonu. W 2015 roku rozpoczął działanie pierwszy komercyjny satelita komunikacyjny – ABS-3A wyprodukowany przez Boeinga, który dysponuje jedynie napędem jonowym.

Napęd jonowy, która to technologia została już dość solidnie dopracowana i przetestowana daje szerokie możliwości jeśli chodzi o eksplorację Układu Słonecznego. Jednak dla swego działania, oprócz surowca takiego jak ksenon, silnik tego rodzaju potrzebuje stabilnego źródła energii elektrycznej. Dotąd najczęściej rolę tego źródła pełnią coraz efektywniejsze panele słoneczne. Jednak poza wewnętrzną częścią naszego systemu planetarnego fotowoltaika traci rację bytu jako źródło prądu. Świat nauki musi więc dalej poszukiwać efektywnych źródeł energii elektrycznej dla misji kosmicznych. Źródło prądu musi w szczególności za każdym razem uwzględniać specyfikę i przestrzenny obszar realizacji danej misji oraz jej przewidywany horyzont czasowy.