Kosmiczne zasilanie - Pozwól, że wyjaśnię

Czas czytania w minutach: 6

Skąd wziąć prąd w kosmosie? Wydaje się, że to pytanie jest banalnie proste. Przecież satelity zawsze mają duże panele słoneczne, właśnie po to, żeby produkować prąd, prawda? No… Prawda. Ale tylko częściowa. Po pierwsze, nie wszystkie satelity korzystają z paneli słonecznych¹. Po drugie, niektóre znajdują się w miejscach, w których panele nie będą działać, a przynajmniej – nie wystarczająco skutecznie. A czasem rezygnują z nich z jeszcze innego powodu. No więc – skąd ten prąd w kosmosie?

Kosmiczny dzień, kosmiczna noc

Faktem jest, że zdecydowana większość wymagających prądu pojazdów kosmicznych wykorzystuje panele słoneczne. I w sumie – dlaczego miałyby tego nie robić? Przecież w kosmosie warunki dla fotowoltaiki są wręcz wymarzone. Przede wszystkim nie ma żadnego problemu z pogodą. Dzień pochmurny i deszczowy? Żaden kłopot, tam, gdzie latają satelity, żadna chmura nam nie przeszkodzi. Również problem z brudzeniem się paneli jest pomijalny. Owszem, nawet na dużych wysokościach jakaś odrobina pyłu się znajduje, ale nie jest to na tyle dużo, żeby istotnie zmniejszać wydajność tego źródła prądu.

Z drugiej jednak strony pozostaje podstawowy problem związany z wykorzystaniem paneli również na Ziemi. Mianowicie – noc. Gdy satelita znajduje się w cieniu planety, to nie pada na niego światło, więc panele słoneczne nic nie produkują. Czyli żeby zasilać naszego satelitę, o ile nie wysyłamy go w miejsce w którym stale będzie dostawał dużo światła słonecznego – musimy wyposażyć go w baterie. Tak z resztą wyglądało też zasilanie pierwszych satelitów – Sputnik był zupełnie pozbawiony paneli słonecznych, prąd miał ze sobą w baterii. Starczyło go na trzy tygodnie.

Ciężkie baterie

Oczywiście, z bateriami związany jest inny problem, a mianowicie – masa. Sputnik miał baterie kwasowe, czyli zbliżone do znanych nam doskonale akumulatorów samochodowych. Wprawdzie nie były one aż tak ciężkie, ponieważ bazowały na srebrze i cynku, ale i tak były najcięższym elementem satelity. Oczywiście, dziś dysponujemy dużo lżejszymi bateriami w przeliczeniu na jednostkę ładunku… Ale też i satelity zużywają więcej prądu. W końcu oczekujemy od nich czegoś więcej niż rytmicznego “bip… bip… bip…”

Same baterie więc nie wystarczają, same panele słoneczne – również nie. W wielu wypadkach jedno musi towarzyszyć drugiemu. Ale to może nie wystarczyć. Dlaczego? Na przykład dlatego, że nasz satelita leci daleko od słońca. A musicie pamiętać, że ilość światła słonecznego padającego na jednostkę powierzchni, a co za tym idzie – wydajność paneli, będą spadały wraz z kwadratem odległości od Słońca. I tak na przykład na orbicie Marsa panel słoneczny może w najbardziej sprzyjających warunkach produkować około 60 procent tej energii, którą produkowałby na orbicie ziemi.

Reaktor na orbicie…

Widać więc wyraźnie, że im dalej od naszego Słońca chcemy się zapuścić, tym większy będziemy mieli problem z zaopatrzeniem w energię elektryczną. I dlatego też trzeba było poszukać innych możliwości. I tu inżynierowie zwrócili się w kierunku energii jądrowej. O tym, jak działa elektrownia jądrowa, możecie poczytać na naszym blogu. Czytając, szybko się zorientujecie, że w kosmosie brakuje jednego czynnika, który w standardowych elektrowniach jądrowych jest absolutnie niezbędny – chłodziwa.

Na Ziemi nadmiarowe ciepło generowane przez takie reaktory jest najczęściej odprowadzane do wody – czy to do morza, czy w postaci pary². Przy latających w Kosmos reaktorach, a było ich przeszło 30, stosowano specjalistyczne chłodziwo, na przykład roztopiony metal, a nadmiar ciepła odprowadzano potężnymi radiatorami. Podstawową zaletą płynnego metalu jest to, że w razie jakiegokolwiek wycieku, może on sam się zasklepić, bo metal skrzepnie i się zestali – z wodą tak łatwo by nie było.

I co z nim dalej?

Warto tutaj napomknąć, że większość z tych reaktorów wciąż krąży nad naszymi głowami. Zostały zaparkowane na odpowiednio wysokich “orbitach cmentarnych”, dzięki czemu nie wrócą na Ziemię jeszcze przez setki a nawet tysiące lat – a do tego czasu, miejmy nadzieję, znajdzie się jakieś rozwiązanie pozwalające w bezpieczny i ekonomiczny sposób “czyścić” orbitę z niepotrzebnych już obiektów. Natomiast niektóre z nich już wróciły na Ziemię, w tym nasłynniejszy chyba przypadek – Kosmos 954, który rozpadając się, rozsypał paliwo jądrowe nad sporą połacią północno-zachodniej Kanady. Kosztowna akcja poszukiwawcza doprowadziła do odnalezienia około 1% paliwa, reszta dalej jest gdzieś w środowisku – choć już częściowo pod inną postacią, na skutek naturalnego rozpadu.

Ale wróćmy do generacji prądu w Kosmosie. Jak wiecie, na Ziemi jego produkcja odbywa się przez gotowanie wody, a następnie wykorzystywanie pary do napędzania turbin. Ale w satelitach by się to nie sprawdziło między innymi ze względu na masę niezbędnych urządzeń. Więc co? Więc generatory termionowe. Pod tą tajemniczą nazwą kryją się dwie elektrody rozdzielone próżnią. Jedną z nich podgrzewamy do wysokiej temperatury; druga pozostaje zimna. Temperatura powoduje, że elektrony są w stanie “przeskoczyć” z jednej elektrody na drugą. A ruch elektronów to przecież właśnie prąd elektryczny!

Elektrownia bez ruchomych części

Mamy więc prąd bez pary, bez turbiny, w ogóle bez żadnych ruchomych części. Dlaczego więc nie stosujemy tego na większą skalę również na Ziemi? Cóż, oprócz oczywistych zalet, generatory termionowe mają szereg wad. Przede wszystkim cechują się dość niską wydajnością, rzędu kilkunastu procent. Do tego wytwarzają stosunkowo niskie napięcie, około jednego wolta. Na domiar złego są stosunkowo kosztowne, a do pracy wymagają bardzo wysokiej temperatury – nawet kilku tysięcy kelwinów. Co za tym idzie, tam gdzie warunki na to pozwalają, raczej szybko od turbin parowych nie odejdziemy. Ale tam, gdzie prostota układu i jego niezawodność tego wymagają, generator termionowy jest świetnym rozwiązaniem.

^{Kennedy Space Center, instalacja generatora RTG w sondzie New Horizons / NASA}

Natomiast “klasyczny” reaktor jądrowy z generatorem termionowym nie jest jedyną opcją zaprzęgnięcia fizyki jądrowej do zasilania pojazdów kosmicznych. Wiele sond, zwłaszcza tych operujących dalej od Słońca, zostało wyposażonych w inną “elektrownię” – radioizotopowy generator termoelektryczny. Od angielskiej nazwy – radioisotope thermoelectric generator – opisywany jest często skrótem RTG. Jego zasada działania jest jeszcze prostsza. Nie potrzeba żadnej reakcji łańcuchowej, jak w reaktorach. Jeśli weźmiemy odpowiednio duży kawałek odpowiednio wysoko radioaktywnego pierwiastka³, to na skutek naturalnych rozpadów promieniotwórczych będzie się on nagrzewał do wysokich temperatur.

Termometr produkuje prąd

Nie będą to temperatury aż tak wysokie, jak w przypadku reaktora, więc generatora termionowego nie zasilą, ale są i inne sposoby zamiany energii cieplnej w elektryczną. A mianowicie – termopara. Cóż to takiego? Jest to układ złożony z dwóch metali, połączonych w jednym miejscu. To miejsce się ogrzewa, co prowadzi do wystąpienia potencjału elektrycznego. Ci z was, którzy korzystają z multimetrów, mogą znać termoparę – często jest do multimetru dołączana i służy do pomiaru temperatury: multimetr oblicza temperaturę na podstawie napięcia na termoparze.

Jednak przy odpowiedniej skali da się termoparą wygenerować prąd, który wystarczy do zasilania niewielkich urządzeń pokładowych. I znów: wydajność jest niewielka, jeszcze mniejsza niż w przypadku generatorów termionowych – ale dopóki temperatura rozpadającego się materiału promieniotwórczego jest odpowiednio wysoka, to generator będzie działał, bo też i nie bardzo ma się w nim co zepsuć. Takie generatory zasilają między innymi sondy Voyager, czyli te, które doleciały dalej niż jakikolwiek inny wytworzony przez człowieka obiekt.

Ogniwo paliwowe wraca na Ziemię

Jest jeszcze jeden dość często używany typ źródła energii elektrycznej, tym razem mający dużo wspólnego z wodą – ale ta nie służyła jako chłodziwo, lecz jako odpad. Odpad, który po odpowiednim przygotowaniu nadawał się do spożycia przez ludzi. Tym typem jest ogniwo paliwowe, w którym tlen łączy się z wodorem, w wyniku reakcji dając prąd – i wodę. Dlatego też wykorzystywany był najczęściej w tych misjach, w których woda była później wykorzystywana przez ludzi. Czyli na przykład w lotach promów kosmicznych.

Co więcej, w wypadku misji promów kosmicznych dokujących do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, część produkowanej przez ogniwa paliwowe wody była transferowana na ISS, a tam służyła stałej załodze długo po tym, gdy prom wrócił na Ziemię. Było to więc bardzo zmyślne wykorzystanie systemu dającego “dwa w jednym” – produkującego i prąd, i potrzebną wodę. Co ciekawe, to właśnie ogniwa paliwowe zasilają tu, na Ziemi, pojazdy napędzane wodorem – są to więc w istocie pojazdy elektryczne, tylko zamiast “zwykłych” baterii wykorzystują zbiorniki wodoru, żeby następnie generować prąd na bieżąco. I choć pierwsze ogniwa paliwowe powstały z myślą o ziemskim przemyśle, to przemysł kosmiczny szybko je przejął i rozwinął. Jest to więc kolejny przykład technologii, która została rozwinięta w Kosmosie, a teraz ułatwia nam życie tu, na Ziemi.

Bibliografia

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!