Будущее космических аппаратов на солнечной энергии для долгосрочных миссий

Почему солнечная энергия имеет значение для глубокого космоса

Космические исследования всегда сталкивались с фундаментальной энергетической проблемой. Чем дальше космический корабль отправляется от Земли, тем труднее ему становится переносить достаточное количество топлива для двигателей, энергетических систем и бортовых приборов. На протяжении десятилетий радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG) обеспечивали надежную, но дорогую альтернативу, используя плутоний-238 для производства электроэнергии. Однако RTG являются дорогостоящими, ограниченными в поставках и подчиняются строгим экологическим и защитным нормам. Солнечная энергия появилась в качестве убедительной альтернативы, предлагая устойчивый, масштабируемый и все более эффективный источник энергии для долгосрочных миссий. Поскольку фотоэлектрические технологии и дизайн космических аппаратов продолжают развиваться, солнечные космические аппараты не просто жизнеспособны - они становятся предпочтительным выбором для миссий, которые когда-то казались невозможными без ядерной энергии.

В этой статье рассматриваются эволюция, преимущества, проблемы и будущий потенциал солнечной энергии в космических аппаратах, с акцентом на долгосрочные миссии, которые расширяют границы человеческих знаний и техники. [+]

Эволюция солнечной энергии в космических кораблях

Путешествие солнечной энергии в космос началось в 1958 году с запуска Vanguard 1, первого космического аппарата, использующего солнечные батареи. Эти ранние ячейки преобразовали только около 6% солнечного света в электричество, но они доказали, что солнечная энергия может поддерживать работу спутника намного дольше, чем системы только для батарей. В течение следующих десятилетий эффективность неуклонно улучшалась. К 1970-м годам солнечные батареи на спутниках, таких как серия Landsat, достигли эффективности около 12%. Международная космическая станция (МКС), собранная в конце 1990-х и начале 2000-х годов, использует массивные солнечные батареи, которые генерируют до 120 киловатт энергии, достаточной для поддержки экипажа и обширных научных экспериментов.

Сегодня космические аппараты используют многоканальные солнечные батареи, которые могут достигать эффективности, превышающей 30%, захватывая различные длины волн света. Эти ячейки также легче, более гибкие и более устойчивые к излучению, чем предыдущие конструкции. Переход от жестких, тяжелых панелей к тонкопленочным и складным массивам был обусловлен необходимостью упаковывать больше энергии в меньшие полезные нагрузки. Такие компании, как Redwire и исследовательский центр Glenn NASA, разработали развертываемые солнечные батареи, которые значительно легче и компактнее, чем традиционные панели, что делает их идеальными для миссий в глубоком космосе, где вес и объем находятся на премиальном уровне.

Ключевые вехи в космических солнечных технологиях

Преимущества солнечной энергии для длительных миссий

Солнечная энергия предлагает несколько различных преимуществ для миссий, которые охватывают годы или даже десятилетия. Эти преимущества делают ее все более привлекательным вариантом для всего, от земной орбиты до внешних планет.

Устойчивый источник энергии

Солнечная энергия уменьшает или устраняет необходимость в расходуемом топливе для производства электроэнергии. В отличие от химических батарей или топливных элементов, солнечные панели могут производить энергию непрерывно, пока они получают солнечный свет. Это особенно ценно для миссий, которые требуют постоянной, долгосрочной энергии, таких как орбитальные аппараты, посадочные станции и космические станции. При правильной конструкции солнечные панели могут работать в течение 20 лет или более в космосе, как это продемонстрировал космический корабль «Вояджер» (хотя «Вояджер» использует RTG, а не солнечную энергию). Более актуальные примеры включают марсоходы «Спирит» и «Оппортьюнити», которые намного превысили запланированные 90-дневные сроки службы миссии благодаря солнечной энергии в сочетании с хранением энергии.

Надежность и предсказуемость

Солнечные панели не имеют движущихся частей в своей активной области, что делает их по своей сути надежными. Основными режимами отказа являются радиационное повреждение, микрометеороидные воздействия и тепловой цикл, все из которых могут быть смягчены путем тщательного выбора материалов и проектирования. Инженеры космических аппаратов могут моделировать выходную мощность с высокой точностью на основе орбитальных параметров, ориентации панели и скорости деградации, что позволяет планировщикам миссий оптимизировать операции и управлять энергетическими бюджетами в течение длительных периодов.

Масштабируемость и модульность

Солнечные батареи могут быть спроектированы в широком диапазоне размеров, от небольших кубсатов с несколькими ваттами мощности до крупных космических станций, генерирующих сотни киловатт. Современные модульные конструкции позволяют размещать массивы поэтапно или заменять их на орбите. Эта масштабируемость делает солнечную энергию подходящей для миссий всех масштабов, от недорогих образовательных спутников до научных миссий флагманского класса. Возможность добавлять или обмениваться солнечными панелями во время миссии (через роботизированное обслуживание или выходы в открытый космос с экипажем) добавляет слой гибкости, который ядерные источники энергии не могут сравниться.

Экологические и нормативные преимущества

Солнечная энергия избегает использования радиоактивных материалов, упрощает процессы утверждения запуска, снижает экологические риски в случае неудачи запуска и устраняет необходимость утилизации ядерных источников в конце срока службы.Это все большее внимание уделяется тому, как космические агентства и частные компании планируют будущее с сотнями или тысячами спутников на орбите, а также пилотируемыми миссиями на Марс и за его пределами.

Проблемы и инновации

Несмотря на свои преимущества, солнечная энергетика сталкивается с реальными техническими препятствиями, особенно для миссий, которые отправляются далеко от Солнца или работают в затененных средах.Исследователи и инженеры активно разрабатывают решения каждой задачи.

Радиационная деградация

Со временем частицы высокой энергии от Солнца и космические лучи повреждают кристаллическую структуру солнечных элементов, снижая их эффективность. Этот эффект наиболее серьезен в поясах Ван Аллена и во время солнечных вспышек. Современное покровное стекло и защитные покрытия могут смягчить некоторые из этих повреждений, а самоотжигающие материалы (которые могут исцелять радиационные повреждения при определенных температурах) являются активной областью исследований. Миссия Juno, которая работает в суровой радиационной среде Юпитера, использует титановый свод для защиты своей электроники, в то время как ее солнечные панели были разработаны с более толстым покровным стеклом и радиационно-стойкими ячейками для поддержания производительности в течение своей семилетней миссии.

Закон обратных квадратов и расстояние от Солнца

Солнечное излучение уменьшается с квадратом расстояния от Солнца. На Марсе солнечный свет примерно на 43% интенсивнее, чем на Земле. На Юпитере он падает до всего 4% от уровня Земли. Это означает, что миссии к внешним планетам требуют гораздо больших массивов или должны дополнять солнечную энергию другими источниками энергии. Такие инновации, как фотоэлектрические системы концентраторов (с использованием линз или зеркал для фокусировки солнечного света на небольших высокоэффективных ячейках) и сверхлегкие развертываемые массивы делают возможным эксплуатацию космических аппаратов на солнечных батареях на больших расстояниях. Миссия Европейского космического агентства JUICE и миссия НАСА Psyche используют большие солнечные батареи для работы во внешней солнечной системе.

Хранение энергии и ночная энергия

Космические аппараты в тени (например, на ночной стороне планеты или вблизи полюсов) нуждаются в батареях или другом накопителе энергии для поддержания работы. Для длительных миссий циклы заряда-разряда могут со временем разлагать батареи. Литий-ионные батареи большой емкости с длительным сроком службы теперь стандартны, а твердотельные батареи находятся на горизонте. Суперконденсаторы также исследуются для потребностей высокой мощности, короткой продолжительности. Гибридные системы, которые сочетают солнечную энергию с небольшим количеством радиоизотопной энергии, могут обеспечить резервное копирование для критических систем в периоды затмения.

Развертывание и структурный дизайн

Большие солнечные батареи должны быть компактно уложены для запуска, а затем надежно развернуты в вакууме космоса. Механизмы могут заклинивать, а тепловое расширение может вызывать проблемы с выравниванием. Новые методы развертывания включают в себя развертывающие массивы (например, ROSA), фан-фокусные массивы и надувные стрелы. Космический телескоп Джеймса Уэбба (хотя и не работающий на солнечной энергии для движения) продемонстрировал сложные последовательности развертывания, которые могут быть адаптированы для будущих солнечных батарей. Автономный мониторинг развертывания и самокорректирующиеся механизмы разрабатываются для снижения риска.

Термический менеджмент

Солнечные батареи поглощают не только свет, но и тепло, а электроника космических аппаратов генерирует отработанное тепло. В вакууме космоса охлаждение затруднено. Радиаторы и тепловые трубы используются для рассеивания тепла, но необходима тщательная конструкция для предотвращения перегрева солнечных элементов (что снижает их эффективность) и чувствительных приборов. Пассивные термоконтрольные покрытия и активные петли охлаждения являются стандартными в современных космических аппаратах.

Текущие миссии, раздвигающие границы

Несколько текущих и предстоящих миссий демонстрируют растущие возможности космических аппаратов на солнечных батареях для длительных исследований.

Юнона на Юпитере

Миссия NASA&rsquo’s Juno, запущенная в 2011 году и вращающаяся вокруг Юпитера с 2016 года, питается от трех массивных солнечных батарей, каждая длиной 9 метров. Несмотря на то, что солнечный свет в 25 раз слабее, чем на Земле, массивы Juno&rsquo генерируют достаточно энергии для своих инструментов и электроники. Миссия намного превысила свой первоначальный запланированный срок службы и продолжает возвращать новаторские данные об атмосфере Юпитера, магнитном поле и внутренней структуре. Узнайте больше о Juno на официальной странице NASA&rsquo.

Психея: Солнечная энергия для пояса астероидов

Миссия НАСА Психея, запущенная в 2023 году, находится на пути к богатому металлом астероиду в главном поясе астероидов между Марсом и Юпитером. Она использует пару больших солнечных батарей, которые генерируют около 3,4 киловатт на расстоянии Земли и Юпитера, но только около 1,2 киловатт на астероиде. Массивы предназначены для обеспечения как мощности, так и движения через двигатели Холла, полагаясь на солнечную электроэнергию для ионизации и ускорения ксенонового газа. Солнечно-электрическая двигательная система Психея является самой мощной из когда-либо использовавшихся на миссии в глубоком космосе и продемонстрирует ключевые технологии для будущих грузовых и пилотируемых миссий на Марс. Подробнее о миссии Психея из Лаборатории реактивного движения НАСА.

Марсоходы и посадочные аппараты

посадочный модуль NASA InSight и более ранние марсоходы Mars Exploration Spirit и Opportunity полагались на солнечную энергию. Opportunity работал почти 15 лет, значительно переживая свой трехмесячный срок проектирования, отчасти благодаря тому, что его солнечные панели периодически очищаются марсианскими ветрами. Ровер Perseverance использует радиоизотопную энергетическую систему (MMRTG) для своих основных операций, но также несет солнечные панели для определенных вспомогательных функций. Сочетание источников питания на миссиях Марса демонстрирует, что солнечная энергия остается жизнеспособным вариантом даже при дополнении другими технологиями.

Будущее: что будет дальше

В следующем десятилетии космические аппараты на солнечных батареях будут лететь в регионы Солнечной системы, которые когда-то были исключительной областью ядерной энергетики.

Ультраэффективные солнечные элементы и материалы

Исследования перовскитных солнечных элементов, многопереходных ячеек с пятью или более переходами и квантово-точечных фотоэлектрических элементов могут повысить эффективность преобразования выше 50%. Эти материалы также могут быть сделаны гибкими и легкими, что позволяет создавать большие массивы, которые могут быть свернуты или сложены в небольшие объемы запуска. NASA ’s Space Technology Mission Directorate финансирует разработку этих передовых ячеек через программы, такие как программа разработки игр. Исследуйте программу NASA &rsquo.

Солнечный парус и движение без топлива

Солнечные паруса используют давление солнечного света для движения космических аппаратов, не требуя никакого топлива. LightSail 2 Планетарного общества продемонстрировал контролируемое солнечное плавание на околоземной орбите в 2019 году. Предстоящая миссия Solar Cruiser NASA (запланированная на конец 2020-х годов) развернет парус площадью 19 000 квадратных футов, чтобы продемонстрировать движение на околосолнечную орбиту. Объединение солнечных парусов с передовыми фотоэлектрическими массивами может позволить космическим кораблям генерировать энергию, а также использовать парус для управления и движения, создавая действительно интегрированную систему питания и движения для длительных миссий.

Автономное обслуживание и саморемонт

Будущие космические аппараты могут включать в себя роботизированные руки или беспилотники, которые могут осматривать, очищать и даже заменять солнечные панели на орбите. Разрабатываются концепции самоисцеляющихся солнечных элементов с использованием инкапсулированных ремонтных материалов, которые активируются при образовании трещин. Эти возможности будут иметь важное значение для миссий, которые длились десятилетия, таких как межзвездные зонды-предшественники или долгосрочные места обитания вокруг Луны или Марса.

Гибридные силовые архитектуры

Для миссий во внешнюю Солнечную систему гибридный подход, сочетающий солнечные батареи с небольшими ядерными реакторами деления или передовыми радиоизотопными блоками, мог бы обеспечить лучшее из обоих миров: обильную мощность вблизи Солнца и надежную мощность в глубокой темноте за Юпитером. Проект Kilopower, возглавляемый НАСА и Министерством энергетики, уже продемонстрировал небольшой реактор деления, который мог бы генерировать до 10 киловатт непрерывно в течение многих лет.Объединение такого реактора с солнечными батареями дало бы космическим аппаратам беспрецедентную гибкость в мощности.

Миссии на внешние планеты и за их пределами

В настоящее время изучаются предложения по полетам на Сатурн, Уран и Нептун на солнечных батареях. Для этого потребуются массивы в несколько раз больше, чем Juno&rsquo, потенциально использующие концентраторы для повышения эффективной интенсивности солнечного света. Миссия Европейского космического агентства&rsquo Comet Interceptor и Dragonfly NASA&rsquo (для Титана, используя MMRTG) представляют собой диапазон рассматриваемых энергетических решений. Для межзвездного пространства, где солнечный свет по существу отсутствует, солнечная энергия будет дополнена ядерными источниками, но солнечные батареи все еще могут обеспечить энергию в течение десятилетий путешествия по внутренней и средней солнечной системе.

Солнечная энергия как основа устойчивого космического исследования

Солнечная энергия уже зарекомендовала себя как надежный, масштабируемый и все более эффективный источник энергии для космических аппаратов. С первых дней существования Vanguard 1 до последних миссий по исследованию пояса астероидов и Юпитера солнечная технология позволила выполнять миссии, которые были бы невозможны только с химической или ядерной энергией. Проблемы радиации, расстояния и хранения энергии встречаются с инновационными материалами, методами развертывания и гибридными архитектурами. Поскольку космические агентства и частные компании планируют будущее, которое включает лунные базы, миссии на Марс и исследования глубокого космоса, солнечная энергия останется краеугольным камнем дизайна космических аппаратов. Ее устойчивость, экологические преимущества и постоянное снижение затрат идеально согласуются с долгосрочными целями расширения присутствия человека в Солнечной системе при минимизации нашего воздействия на космос.

Будущее космических аппаратов на солнечных батареях - это не только большие панели или более эффективные ячейки. Речь идет об интеграции производства энергии во все аспекты проекта миссии, от двигателя до жизнеобеспечения научных инструментов. При постоянных инвестициях в исследования и разработки солнечная энергия позволит миссиям, которые сегодня кажутся такими же далекими, как когда-то Юпитер. Свет Солнца унесет нас дальше, чем мы когда-либо делали. Узнайте больше о солнечном парусном движении от Европейского космического агентства.