30 августа 2021

44 года и более 20 миллиардов километров в космосе – ядерный источник, питающий два космических аппарата "Вояджер"

Яндекс АМС "Вояджер-2" в окрестностях Юпитера Яндекс

Прошло ровно 44 года с тех пор, как "Вояджер-2" был запущен в космос. Его достижения более чем грандиозны, и даже ученые считают его прогресс впечатляющим. Однако для его функционирования необходима энергия, и об этом ученые НАСА задумались задолго до запуска зонда. Метод питания космического зонда, который мы рассмотрим, использовался для более чем двух десятков космических зондов на протяжении многих лет.

А теперь давайте разберемся в этом. Если вы сейчас подумаете об одном из вариантов питания космического аппарата, то первое, о чем вы подумаете, могут быть батареи. Если это звучит слишком просто, когда вы думаете о космическом корабле, то вторым вариантом могут быть солнечные батареи. Почему бы этим двум вариантам не работать? Дело в том, что они действительно работают, причем довольно хорошо, но не для тех миссий, на которые был рассчитан "Вояджер".

Батареи, ну, вам понадобится много батарей для питания космического корабля до достижения межзвездного пространства. Солнечные батареи могли бы стать вариантом, если бы только наши технологии были немного более продвинутыми. Как вы, возможно, знаете, солнечные батареи перестают быть эффективными с определенного расстояния, поскольку космический зонд находится очень далеко от Солнца. Можно попытаться решить эту проблему, увеличив размер панелей, что в конечном итоге позволит получить больше энергии. Также помогло бы увеличение емкости накопителей энергии в ячейках.

До сегодняшнего дня самые отдаленные случаи использования солнечных батарей были отмечены в случае Juno (зонд, предназначенный для орбиты Юпитера, запущенный в 2011 году), с площадью панелей 45 м2, Dawn (зонд, запущенный в 2007 году для исследования протопланет Весты и Цереры в поясе астероидов) с площадью панелей 36,4 м2 и всемирно известной Rosetta (которая впервые посетила комету) с площадью панелей 64 м2. Размер панели - не единственное, что имеет значение, но поскольку ячейки сложнее усовершенствовать, увеличение размера было хорошим вариантом для более короткого промежутка времени.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор

Более распространенное название РИТЭГ. Это инновационный метод обеспечения энергией космических зондов для гораздо более длительных путешествий. РИТЭГ - это в некотором роде батарея, но работает она немного по-другому. Гораздо лучше сказать, что это ядерная батарея. Она функционирует за счет распада радиоактивного материала с выделением тепла, которое далее преобразуется в энергию с помощью термопары.

Термопара производит напряжение, зависящее от температуры. На самом деле в напряжение преобразуется разница между температурами. Когда два разных металла соединены, и между ними существует разница температур, создается магнитное поле, которое далее преобразуется в ток. Как создается эта разница?

Главный компонент всего этого - контейнер с радиоактивным материалом, называемый топливом. Когда радиоактивный материал распадается, он выделяет тепло, которое нагревает одну сторону термопары - одного из металлов. С другой стороны, холодная температура возникает из-за температуры окружающей среды и глубокого космоса, который, как вы уже знаете, очень холодный. Это простой способ объяснить, поскольку мы упростили, чтобы представить себе устройство. Однако в реальности эти вещи гораздо строже контролируются.

На самом деле термопара имеет блоки распределения тепла, которые улавливают тепло, выделяемое при распаде, и отправляют его куда-то, где оно лучше локализуется и конденсируется. Для холодной части используются материалы с очень низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью. В результате с каждым днем создаются все более совершенные РИТЭГи.

Тогда... сколько они продержатся?

Ничто не вечно. Каждый из радиоактивных материалов имеет период полураспада. Период полураспада - не единственная характеристика, которую нужно иметь в виду при выборе материала: способность производить высокоэнергетическое излучение, склонность к выделению тепла радиационного распада, большое отношение тепловой мощности к массе также являются одними из самых важных вещей. Первоначальный список из 1300 рассмотренных радиоактивных изотопов был сокращен до 47 с подходящими характеристиками. Итак, что такое период полураспада?

По сути, он говорит нам, сколько времени требуется атомам, чтобы подвергнуться радиоактивному распаду. Это помогает нам выбрать материал с более длительным периодом полураспада, поскольку мы знаем, что можем полагаться на этот материал в течение более длительного периода времени. Итак, теперь мы сократим количество подходящих материалов с 47 до 3, наиболее часто используемых: плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90.

Как работает "Вояджер-2"?

"Вояджер-2" работает с плутонием-238. В совокупности, 3 РИТЭГа, которыми он оснащен, обеспечивают космический корабль мощностью 470 ватт при запуске, и она уменьшается вдвое каждые 87,7 лет. Почему 87,7? Вы, наверное, догадались. Это период полураспада плутония-238. Теперь все сводится к тому, как НАСА распоряжается ресурсами, которыми располагает космический корабль. И они невероятно хорошо справляются с этим до сих пор, экономя уже очень много энергии! Как они это делают? Они отключают системы, которые не нужны (постоянно) или сломаны без шансов на улучшение. PPS (фотополяриметрическая система) был первым прибором Вояджер-2, который был отключен из-за неисправности в 1991 году, что позволило сэкономить 1,2 Вт.

Со временем были отключены и другие приборы, но все же ожидается, что к 2025 году или чуть позже "Вояджер-2" больше не сможет питать ни один прибор. Возможно, он сможет посылать слабые сигналы, но мы не можем знать этого наверняка. В любом случае он проработал дольше, чем ожидало большинство ученых, и его результаты великолепны. Даже после того, как "Вояджер-2" больше не будет посылать сигналы на Землю, он продолжит свое путешествие в космосе, пока, возможно, не достигнет другой звезды, если не столкнется с чем-нибудь по пути.