Энергетика в космосе, часть 1: Химическое топливо и ядерные реакторы

Космическая деятельность сопровождается большими энергозатратами. И речь не только о тоннах топлива, сгорающего при выходе ракеты-носителя в космос, но и об электроэнергии, на которой работают различные системы космических аппаратов в течение всего срока своих миссий. Связь, навигация, экспериментальное научное оборудование, резервные системы и жизнеобеспечение экипажа — надежное многолетнее функционирование космического аппарата гарантируют системы энергопитания, устойчивые к отказам в суровых условиях космического пространства.

Сегодня разбираемся, как устроены процессы электрогенерации и энергопитания в космосе, ведь за последние 70 лет они преодолели значительный путь эволюции.

Химические батареи и топливные генераторы: идеальное решение на коротких дистанциях

Одними из первых источников электроэнергии для космических аппаратов были химические батареи. На заре космической эры они были единственным доступным и технологически относительно простым способом организовать электропитание. Химические батареи не требовали внедрения сложных механизмов развертывания (которые позже мы увидим на спутниковых солнечных панелях), а также были значительно безопаснее, чем предложенные системы энергопитания на основе ядерных батарей или радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ). Третий аргумент в пользу этих элементов питания заключался в непродолжительности тогдашних космических миссий — миниатюрные спутники редко когда оставались на орбите дольше нескольких недель, поэтому энергетического ресурса химических батарей было более чем достаточно.

Серебряно-цинковыми (Ag-Zn) химическими аккумуляторами оборудовали первый искусственный спутник человечества — советский «Спутник-1», выведенный на орбиту в 1957 году. Подобный тип щелочных батарей обладал оптимальным соотношением энергоемкости к весу среди всех, на то время доступных советским инженерам. Они поддерживали достаточно высокий удельный ток, питающий радиочастотные передатчики, реле и систему вентиляции аппарата, реализованную в виде небольшого вентилятора для отвода тепла. Несмотря на то, что серебряно-цинковые аккумуляторные батареи имели идеальное соотношение мощности на 1 кг массы, их вес составил почти 60% от всей массы искусственного спутника — примерно 50 кг.

Ресурса серебряно-цинковых батарей «Спутник-1» хватило на 22 суток возможности передавать на Землю данные телеметрии, пока его щелочные аккумуляторы полностью не разрядились. После первого положительного опыта запитывания аппаратов посредством химических батарей технологию развивали дальше. Прежде всего обратились к аккумуляторам, способным к перезарядке (вторичные элементы). Серебряно-цинковые батареи относились к первичным элементам и не обладали такими свойствами.

Возможность при планировании длительных космических миссий использовать новые типы вторичных химических батарей вроде никель-кадмиевых (NiCd), никель-водородных (NiH2), а позже и литий-ионных (Li-ion), в некотором смысле развязала космическим инженерам руки. Перезаряжаемые батареи еще и подходят для хранения энергии, произведенной другими источниками (преимущественно солнечными панелями), что стало толчком к появлению комбинированных систем электропитания, которые в дальнейшем будут доминировать в космической технике. Они совмещали энергогенерацию от солнечных панелей и полученную из других резервных источников питания (химическими батареями или РТГ). Подобные комбинированные системы стали особенно полезными для энергопитания при отсутствии солнечного света или во время пиковых нагрузок на энергосистему космического аппарата.

Период использования никель-кадмиевых батарей пришелся на 1950-1990-е. Их дебют состоялся при запуске американского спутника Vanguard 1 в 1958 году. Несмотря на весьма небольшую массу в 1,5 кг, на его борту поместили шесть NiCd-батарей для хранения энергии, которую вырабатывали миниатюрные солнечные панели, установленные снаружи корпуса спутника. Никель-кадмиевые батареи зарекомендовали себя как надежные элементы питания, способные выдерживать много циклов заряд/разряд, что делало их идеальным решением для долгосрочных космических миссий. Основным недостатком стал, разве что, «эффект памяти», который заключался в постепенной потере емкости аккумулятора при его неполном разряде. По сравнению с некоторыми первичными химическими батареями, NiCd-аккумуляторы имели и относительно низкую удельную энергию.

Никель-водородные (NiH2) аккумуляторные батареи были решением гораздо интереснее — ими начали пользоваться в конце 1970-х. В 1977 году такие аккумуляторы установили впервые — на американский научно-исследовательский спутник Navigation Technology Satellite-2 (NTS-2) разработки Военно-морской исследовательской лаборатории. Высокая энергоемкость и способность выполнять десятки тысяч циклов заряд/разряд быстро сделали никель-водородные батареи новым стандартом при планировании долговременных космических миссий. Некоторые типы никель-водородных батарей проработали в космосе до 20 лет, что позволило им стать абсолютными рекордсменами среди аккумуляторов химического типа. Они также были полностью лишены вышеупомянутого «эффекта памяти», свойственного ранним версиям никель-кадмиевых аккумуляторов.

Правда, и у них имелись свои недостатки. Прежде всего NiH2-батареи были слишком тяжелыми. Следовательно, устанавливали их только на большие геостационарные спутники (ранняя версия космического телескопа Hubble до модернизации), крупные космические корабли, а начиная с 2000-х годов — и на орбитальную станцию МКС. Определенные технические ограничения накладывало и то, что для стабильной работы водород в NiH2-аккумуляторных батареях должен постоянно оставаться под давлением.

Начиная с 2000-х, активно используют литий-ионные (Li-Ion) батареи. Принцип их действия основан на движении ионов лития между положительным и отрицательным электродами через органический электролит. Главное преимущество — они значительно легче при близких к NiH2 показателях энергоемкости. Именно поэтому они постепенно вытесняют никель-водородные батареи в космической технике (даже на МКС ними в конце концов полностью заменили NiH2-батареи). Ввиду небольших габаритов литий-ионными батареями оборудуют и малые спутники. Правда, досадным минусом стала чувствительность этих аккумуляторов к перегреву и переразряду, что требовало внедрения технологически сложных систем управления батареями, вроде Battery Management System (BMS). 

Говоря о химических элементах энергопитания, стоит упомянуть и о топливных элементах, которые благодаря электрохимической реакции превращают химическую энергию ракетного топлива (чаще всего топливные смеси на основе жидкого водорода и жидкого кислорода) в электроэнергию. В результате таких реакций образуется вода, которую при надлежащей очистке экипаж может потреблять как питьевую. Поэтому электрогенерация на основе химического топлива использовалась в ранних пилотируемых космических миссиях: Gemini, Apollo и Space Shuttle. Электроэнергия, полученная таким образом, в основном питала системы жизнеобеспечения экипажа и бортовое оборудование космического корабля. Впрочем, разумеется, такой способ генерации электроэнергии требует значительных затрат топлива, которое ракетные конструкторы всегда стремятся экономить. Именно поэтому ее внедрили только на относительно больших космических кораблях и в крайне ограниченных во времени миссиях.

Вопреки эволюции химических элементов питания, несмотря на их относительную дешевизну и простоту эксплуатации, в некоторых типах длительных космических миссий им просто не нашлось места. Именно так произошло при запуске пары спутников Voyager 1 и Voyager 2, а также ряда космических аппаратов, которые отправились к отдаленным объектам Солнечной системы. Специфический профиль миссий вынудил их разработчиков искать долговечные и мощные источники электропитания. И необходимую мощность здесь могли обеспечить только ядерная энергия и радиоизотопные термоэлектрические генераторы.

Мощность Солнца: ядерные реакторы достигают орбиты

В начале 1960-х годов ядерная энергетика виделась необходимой компонентой организации удаленных космических миссий, поскольку достаточно небольшой реактор мог обеспечить энергопитание космического аппарата на десятки лет. Дерзкие теоретики 1950-1960-х годов грезили нереалистичными планами о построении ядерных великанов — космических кораблей на импульсных двигателях, которые работали бы на энергии от многочисленных серийных ядерных взрывов. Впрочем, это были просто амбициозные теории — более реальные концепции предлагали оборудовать космические корабли и спутники небольшими ядерными реакторами. Им надлежало организовать цепную ядерную реакцию для выработки тепла, которое затем бы превратили в электроэнергию системы турбин или термоэлектрических преобразователей.

Первым технологию использования ядерного реактора в космическом пространстве продемонстрировал космический аппарат «Ромашка», разработанный и запущенный СССР в 1964 году. По сути, это был даже не спутник, а ядерный реактор в защитном корпусе, выведенный на орбиту. «Ромашка» был призван лишь доказать жизнеспособность концепции электропитания путем поддержания контролируемой цепной ядерной реакции. Установленный на демонстрационном спутнике реактор работал на быстрых нейтронах и использовал термоэлектрические элементы для прямого преобразования тепла в электричество. Топливом энергетической установки стали 49 кг дикорбида урана, которые обеспечивали энергетическую мощность в 0,8 кВт, чего хватало на питание спутника средних размеров.

Спустя год после успеха «Ромашки» США подготовили собственный ответ на советскую разработку. Первый ядерный реактор назвали Systems for Nuclear Auxiliary Power (SNAP-10А). Его мощность и КПД были несколько ниже советских — на своем пике SNAP-10А производил лишь 0,5 кВт. Система из термоэлектрических преобразователей конвертировала тепловую энергию ядерной реакции в электрическую. Миссия SNAP-10А могла бы считаться полностью удачной, если бы не аномалия с регулятором напряжения, возникшая на 43-х сутках работы реактора, что и привело к преждевременному завершению миссии.

Несмотря на достигнутый во время демонстрации частичный успех, США больше не решились запускать ядерные реакторы на орбиту — в основном из-за определенного уровня опасности, сопровождающей этот процесс. Последние попытки развития этого направления были реализованы в ходе работ над программой Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), продолжавшихся с 1961 по 1973 год. Целью программы была разработка ядерных реакторов для питания электрических двигателей ракет-носителей и больших ядерных реакторов для электроснабжения населенных космических баз. Впрочем, NERVA не дала реальных результатов: все наработки остались на бумаге и не добрались даже до этапа космических тестов.

В свою очередь, СССР начал активное внедрение ядерных реакторов в некоторые модификации своих космических аппаратов и спутников. Именно так появилась серия ядерных спутников «Управляемый Спутник-А» (УС-А), первой демонстрацией которых стал разработанный для военной разведки морских путей «Космос-367», выведенный на орбиту в 1970 году.

В основу спутников УС-А была положена космическая ядерная электроустановка БЭС-5 «Бук» («Быстрый Энергетический Спутник»), что, как и протестированная шестью годами ранее «Ромашка», работала на быстрых нейтронах. После многолетних разработок мощность реактора существенно повысилась, он смог генерировать до 3-5 кВт. Прежде всего это обеспечил новый тип ядерного топлива — уран-235. Для вывода тепла из активной зоны реактора использовался теплоноситель на основе натрий-калиевого сплава. Он подходил к термоэлектрическим генераторам на базе полупроводников, которые и преобразовывали полученное тепло в электричество. Избыточное тепло отводилось прямо в космическое пространство через размещенный на спутнике большой радиатор.

Советские конструкторы позаботились (как тогда казалось) и о безопасности эксплуатации ядерной энергетической установки. По завершении эксплуатационного срока ядерный реактор отделялся от УС-А и поднимался на свою орбиту захоронения (900-1000 км), где больше не представлял прямой опасности для многих типов космических аппаратов того времени, и не угрожал обратным возвращением в атмосферу Земли, ведь его сгорание там повлекло бы ядерные осадки.

Однако никакие нормативы безопасности не способны предотвратить нештатные ситуации и аномалии в работе ядерных реакторов космического базирования. Самая известная авария со спутником проекта УС-А произошла в 1978 году. Советский центр управления полетами неожиданно потерял контроль над движением космического аппарата «Космос-954» спустя год после его запуска, в конце октября 1977-го. Скорее всего, это случилось из-за аномалии в двигателе, корректирующем орбитальное положение спутника. Несмотря на то, что команда ЦУП поддерживала связь с аппаратом, ввиду отключения двигателя его не удалось вывести на орбиту захоронения. В результате тот продолжил полет, постепенно снижаясь в своем неизбежном падении.

Час Х наступил 24 января 1978 года, когда «Космос-954» вошел в плотные слои атмосферы над территорией Северной Канады, после чего в экстренные службы страны начали звонить граждане, увидевшие упавший с неба огненный шар. Американское и канадское правительства разработали совместную операцию под названием Morning Light для поиска радиоактивных обломков советского спутника. По ее результатам удалось найти около 100 кусков общим весом 65 кг с разной степенью радиоактивности (от нескольких мР/ч до 200 Р/ч). Площадь местности, по которой разлетелись радиоактивные фрагменты «Космос-954», достигла 124 000 км².

Разразился дипломатический скандал. Канада выиграла судебный иск, поэтому СССР заплатил 3 млн канадских долларов и почти три года не проводил новых запусков УС-А, пока не модернизировал системы радиационной безопасности. С тех пор, как только возникала аварийная ситуация, спутники этой серии все тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) активной зоны реактора принудительно выбрасывали в космос специальным автоматизированным газовым механизмом.

Конечно, риск устроить «Чернобыль» на территории третьих стран никак не повлиял на производство СССР новых типов ядерных реакторов космического базирования. Преемником БЭС-5 стала ядерная энергетическая установка ТЭУ-5 «Тополь» (также известная как «Топаз-1»), впервые выведенная на орбиту в октябре 1987 года на борту спутника «Космос-1». За этой разработкой последовали и другие модификации спутников, оснащенных реактором на базе модернизированной ядерной энергетической установки «Енисей» (проект «Топаз-2»), первый запуск которой пришелся уже на период после распада СССР. Впрочем, в 1996 году, под давлением глобального сообщества, рисков безопасности и финансовой нерелевантности строительства подобных ядерных реакторов, россияне наконец официально свернули все свои разработки в этом направлении.

Радиоизотопное сердце «вояжеров»

Де-факто США прекратили все свои эксперименты по запуску ядерных реакторов на орбиту еще в середине 1960-х годов, однако космические инженеры не торопились отказываться от энергетического потенциала, предоставляемого радиоактивными элементами, особенно плутонием-238. Подобные системы энергопитания назвали радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РТГ). Они действительно могли обеспечить энергопитание космической миссии в течение десятков лет.

Основное отличие РТГ от ядерного реактора заключается в том, что генерация тепловой энергии здесь происходит путем естественного распада радиоактивных изотопов, а не в результате искусственно созданной цепной реакции ядерного деления, как в реакторе. Дальнейшее распределение тепловой энергии организовано по схожему с ядерным реактором принципу — полученное тепло обращали в электричество термоэлектрические преобразователи (эффект Зеебека).

Первый эксперимент с запуском оснащенного РТГ спутника состоялся в 1961 году, когда американцы вывели на орбиту Transit 4A. И хотя его основная миссия имела сугубо военное назначение (с его помощью была испытана спутниковая навигационная система для подводных лодок ВМС США), аппарат стал первой успешной демонстрацией возможностей, которые кроются во внедрении радиоизотопов для электропитания в космосе. На борту был установлен экспериментальный РТГ SNAP-3A. Это походило на сверхмощную ядерную батарейку, способную работать в течение десятков лет, при этом совсем не нуждаясь в альтернативных источниках электроэнергии вроде солнечных панелей и тому подобного. РТГ открыли путь организации космических миссий в самые отдаленные уголки Солнечной системы, а также для запуска планетарных посадочных аппаратов, которые могли бы годами работать в пещерах или глубоких каньонах планет и спутников.

Первый опыт использования РТГ во внеземных миссиях пришелся на лунную программу Apollo. РТГ SNAP-27 в ходе пяти последовательных миссий (Apollo 12, 14, 15, 16, 17) питал научное оборудование Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP). Этот научный комплекс астронавты установили на Луне. После их отлета он осуществил ряд научных исследований, передавая результаты на Землю. Генераторы обеспечивали работу научного оборудования еще несколько лет подряд.

В начале 1970-х годов американские РТГ-генераторы впервые прошли сквозь Главный пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Тогда NASA смогло запустить два космических аппарата: Pioneer 10 исследовал Юпитер, а Pioneer 11 изучал Юпитер и Сатурн. На борту каждого из них было установлено четыре РТГ. В 1976 году пара спускаемых космических аппаратов Viking 1 и Viking 2 достигли поверхности Марса. Каждый из них имел по два РТГ для энергопитания собственных систем и обогрева оборудования холодными марсианскими ночами.

В ХХІ столетии радиоизотопные теплоэлектрические генераторы снова вернулись на Марс. Они отвечают за энергопитание марсианских роверов Curiosity и Perseverance, запущенных в 2011 и 2020 годах соответственно. На них установлена более мощная модификация электрических генераторов, так называемый многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), который одинаково хорошо работает как в вакууме космического пространства, так и в ходе планетарной активности ровера. Один такой генератор способен производить 110 Вт мощности, а запланированный срок его службы составил 14 лет (здесь следует заметить, что с годами номинальная мощность MMRTG снижается из-за постепенного распада плутония и деградации его термопар). Добавим, что оба марсианских ровера оборудовали комбинированной системой энергопитания, поэтому часть энергии в дневное время оперирования они получают от собственных солнечных панелей.

Но самое отдаленное путешествие космического аппарата, который питали РТГ, простиралось за пределы Солнечной системы. В 1977 году с интервалом в несколько недель NASA запустило космические аппараты Voyager 1 и Voyager 2. Каждый из них питался от трех последовательно закрепленных РТГ типа Multi-Hundred Watt (мульти-стоваттный). Конструкция именно этого генератора позже и привела к эволюции технологии и появлению MMRTG, о которых мы уже упомянули выше.

На момент запуска Voyager каждый такой радиоизотопный термоэлектрический генератор мог вырабатывать до 158 Вт электрической мощности (вместе тройка РТГ генерировала до 470 Вт). С течением времени исчерпание плутониевого топлива вносит свои коррективы, потому космические аппараты в среднем теряют около 4-4,3 Вт мощности в год. Когда в 2022 году NASA в очередной раз проверяло свои космические аппараты, оказалось, что электрогенерация от трех РТГ упала вдвое и составила 230-249 Вт. Ввиду постоянного снижения генерации тока аэрокосмическому управлению даже пришлось разработать специальную стратегию сбережения энергии, которая заключалась в поэтапном отключении некоторых второстепенных систем космического аппарата, наименее важных научных инструментов и обогревателей.

За неполных 70 лет со дня появления РТГ стали незаменимыми при организации самых отдаленных космических миссий. По состоянию на сегодняшний день аппараты, получающие электроэнергию таким образом, побывали почти возле каждой планеты Солнечной системы. В 2015 году New Horizons, который питается от MMRTG, пролетел мимо Плутона, а спустя четыре года после этого, 1 января 2019-го, он же добрался до объекта пояса Койпера Аррокот (2014 MU69, или Ультима Туле). Несмотря на почтенный возраст, NASA не торопится отправлять MMRTG на пенсию. Миссия Dragonfly, которая должна доставить летающий космический аппарат к спутнику Сатурна, Титану, также будет оснащена MMRTG. Генератор позволит Dragonfly функционировать в условиях низких температур и при отсутствии солнечного света на поверхности Титана.

В продолжении этого материала мы расскажем о наиболее распространенном способе электрогенерации для спутников, находящихся на околоземной орбите — производство с помощью выдвижных солнечных панелей, а также рассмотрим будущее энергетики в космосе.