Енергетика у космосі, частина 1. Хімічне паливо та ядерні реактори

Космічна діяльність супроводжується великими енерговитратами. І зараз ми говоримо не тільки про тонни палива, що згорає під час виходу ракети-носія у космос, але й про електроенергію, на якій працюють різноманітні системи космічних апаратів протягом усього терміну своїх місій. Зв’язок, навігація, експериментальне наукове обладнання, резервні системи та життєзабезпечення екіпажу — надійне багаторічне функціонування космічного апарата гарантоване системами енергоживлення, стійкими до відмов у суворих умовах космічного простору.

Сьогодні розбираємось, як саме облаштовані процеси електрогенерації та енергоживлення у космосі, адже за останні 70 років вони здолали значний шлях еволюції.

Хімічні батареї та паливні генератори: ідеальне рішення на коротких дистанціях

Одними з перших джерел електроенергії для космічних апаратів були хімічні батареї. На зорі космічної ери вони були єдиним доступним та технологічно відносно простим способом організувати електроживлення. Хімічні батареї не потребували впровадження складних механізмів розгортання (які пізніше ми побачимо на супутникових сонячних панелях), а також були значно безпечнішими, аніж запропоновані системи енергоживлення на основі ядерних батарей чи радіоізотопних термоелектричних генераторів (РТГ). Третій аргумент на користь цих елементів живлення полягав у недовготривалості тодішніх космічних місій — мініатюрні супутники рідко коли перебували на орбіті довше кількох тижнів, відтак енергетичного ресурсу хімічних батарей було більш ніж достатньо.

Срібно-цинковими (Ag-Zn) хімічними акумуляторами обладнали перший штучний супутник людства — радянський “Спутник-1”, виведений на орбіту 1957 року. Подібний тип лужних батарей мав оптимальне співвідношення енергоємності до ваги серед усіх, що на той час були доступні радянським інженерам. Ними забезпечувався доволі високий питомий струм, який живив радіочастотні передавачі, реле й систему вентиляції апарата, реалізовану у вигляді невеликого вентилятора для відводу тепла. Попри те, що срібно-цинкові акумуляторні батареї мали ідеальне співвідношення потужності на 1 кг маси, їхня вага склала майже 60% від усієї маси штучного супутника — приблизно 50 кг.

Ресурс срібно-цинкових батарей забезпечив 22 доби можливості “Спутник-1” передавати на Землю дані своєї телеметрії, аж поки лужні акумулятори повністю не розрядилися. Після першого позитивного досвіду живлення апаратів за допомогою хімічних батарей технологію розвивали далі. Насамперед звернулися до акумуляторів, здатних до перезарядки (вторинних елементів). Срібно-цинкові батареї належали до первинних елементів і не мали такої властивості. 

Можливість при плануванні довготривалих космічних місій використовувати нові типи вторинних хімічних батарей на кшталт нікель-кадмієвих (NiCd), нікель-водневих (NiH2), а пізніше й літій-іонних (Li-ion), у певному сенсі розв’язала космічним інженерам руки. Перезаряджувані батареї ще й помічні для зберігання енергії, виробленої іншими джерелами (переважно сонячними панелями), що стало поштовхом до появи комбінованих систем електроживлення, які в подальшому домінуватимуть у космічній техніці. Вони поєднували енергогенерацію від сонячних панелей і отриману з інших резервних джерел живлення (хімічними батареями або РТГ). Подібні комбіновані системи стали особливо корисними для енергоживлення за відсутності сонячного світла або під час пікових навантажень на енергосистему космічного апарата. 

Період використання нікель-кадмієвих батарей припав на 1950-1990-ті. Їхній дебют відбувся на запуску американського супутника Vanguard 1 у 1958 році. Попри дуже невелику масу у 1,5 кг, на його борту розмістили шість NiCd-батарей для зберігання енергії, що виробляли мініатюрні сонячні панелі, встановлені зовні корпусу супутника. Нікель-кадмієві батареї зарекомендували себе як надійні елементи живлення, здатні витримувати багато циклів заряд/розряд, що зробило їх ідеальним рішенням для довгострокових космічних місій. Основним недоліком став, хіба що, “ефект пам’яті”, який полягав у поступовій втраті ємності акумулятора при його неповному розряді. Порівняно з деякими первинними хімічними батареями, NiCd-акумулятори мали й відносно низьку питому енергію.

Нікель-водневі (NiH2) акумуляторні батареї були значно цікавішим рішенням — ними почали користуватися наприкінці 1970-х. 1977 року такі акумулятори встановили вперше — на американському науково-дослідному супутнику Navigation Technology Satellite-2 (NTS-2) розробки Військово-морської дослідницької лабораторії. Висока енергоємність і здатність виконувати десятки тисяч циклів заряд/розряд швидко зробили нікель-водневі батареї новим стандартом при плануванні довготривалих космічних місій. Деякі типи нікель-водневих батарей пропрацювали у космосі до 20 років, що зробило їх абсолютними рекордсменами серед акумуляторів хімічного типу. У них також був повністю відсутній вищезгаданий “ефект пам’яті”, властивий раннім версіям нікель-кадмієвих акумуляторів. 

Щоправда, й ці мали свої недоліки. Передусім NiH2-батареї були занадто важкими. Через це встановлювали їх тільки на великі геостаціонарні супутники (рання версія космічного телескопа Hubble до модернізації), чималі космічні кораблі, а починаючи з 2000-х років — і на орбітальну станцію МКС. Певних технічних обмежень додало й те, що для стабільної роботи водень у NiH2-акумуляторних батареях мав завжди перебувати під тиском.

Починаючи з 2000-х, активно використовують літій-іонні (Li-Ion) батареї. Принцип їхньої дії ґрунтується на русі іонів літію між позитивним та негативним електродами через органічний електроліт. Головна перевага — значно легша вага за близьких до NiH2 показників енергоємності. Саме через це вони поступово витісняють нікель-водневі батареї у космічній техніці (навіть на МКС ними зрештою повністю замінили NiH2-батареї). З огляду на невеликі габарити літій-іонні батареї встановлюють і на малих супутниках. Щоправда, прикрим мінусом стала чутливість цих акумуляторів до перегріву та перерозряду, що вимагало впровадження технологічно складних систем керування батареями, на кшталт Battery Management System (BMS). 

Говорячи про хімічні елементи енергоживлення, варто згадати і про паливні елементи, які завдяки електрохімічній реакції перетворюють хімічну енергію ракетного палива (найчастіше, паливні суміші на основі рідкого водню та рідкого кисню) на електроенергію. В результаті таких реакцій утворюється вода, яку за належної очистки екіпаж може споживати як питну. Через це електрогенерація на основі хімічного палива використовувалася у ранніх пілотованих космічних місіях: Gemini, Apollo та Space Shuttle. Електроенергія, отримана таким чином, здебільшого живила системи життєзабезпечення екіпажу та бортове обладнання космічного корабля. Втім, зрозуміло, генерація електроенергії у такий спосіб потребує значних витрат палива, яке ракетні конструктори завжди прагнуть економити. Саме тому її впровадили тільки на відносно великих космічних кораблях та у вкрай обмежених за часом місіях.

Всупереч еволюції хімічних елементів живлення, попри їхню відносну дешевизну та простоту експлуатації, у деяких типах довготривалих космічних місій їм просто не знайшлося місця. Саме так відбулося під час запуску пари супутників Voyager 1 та Voyager 2, а також низки космічних апаратів, які вирушили до віддалених об’єктів Сонячної системи. Специфічний профіль місій змусив їхніх розробників шукати довговічні та потужні джерела електроживлення. І необхідну потужність тут могли забезпечити тільки ядерна енергія та радіоізотопні термоелектричні генератори. 

Потужність Сонця: ядерні реактори сягають орбіти

На початку 1960-х років ядерна енергетика вбачалася необхідним компонентом організації віддалених космічних місій, оскільки досить невеличкий реактор міг забезпечити енергоживлення космічного апарата на десятки років. Зухвалі теоретики 1950-1960-х років марили нереалістичними планами щодо побудови ядерних велетнів — космічних кораблів на імпульсних рушіях, що працювали б на енергії від численних серійних ядерних вибухів. Утім, це були просто амбітні теорії — реальніші концепції пропонували обладнувати космічні кораблі й супутники невеликими ядерними реакторами. Вони б влаштовували ланцюгову ядерну реакцію для вироблення тепла, яке надалі перетворювали б на електроенергію системи турбін або термоелектричних перетворювачів.

Першим технологію використання ядерного реактора в космічному просторі демонстрував космічний апарат “Ромашка”, розроблений та запущений СРСР 1964 року. По суті це був навіть не супутник, а ядерний реактор в захисному корпусі, виведений на орбіту. “Ромашка” мав лише довести життєздатність концепції електроживлення шляхом підтримання контрольованої ланцюгової ядерної реакції. Встановлений на демонстраційному супутнику реактор працював на швидких нейтронах і використовував термоелектричні елементи для прямого перетворення тепла на електрику. Паливом енергетичної установки стали 49 кг дикарбиду урану, які забезпечували енергетичну потужність у 0,8 кВт, чого вистачало на живлення супутника середніх розмірів. 

За рік після успіху “Ромашки” США підготували власну відповідь на радянську розробку. Перший ядерний реактор назвали Systems for Nuclear Auxiliary Power (SNAP-10А). Його потужність та ККД були дещо нижчими за радянські — на своєму піку SNAP-10А виробляв лише 0,5 кВт. Система з термоелектричних перетворювачів конвертувала теплову енергію ядерної реакції у електричну. Місія SNAP-10А могла б уважатися повністю вдалою, аби не аномалія із регулятором напруги, яка виникла на 43-й добі роботи реактора, що й призвело до завчасного завершення місії.

Попри отриманий на демонстрації частковий успіх, США більше не зважилися запускати ядерні реактори на орбіту — здебільшого, через певний рівень небезпеки, що супроводжувала цей процес. Останні спроби розвитку цього напряму були реалізовані під час робіт над програмою Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), що тривали з 1961 до 1973 року. Програмі поставили за мету розробку ядерних реакторів для живлення електричних двигунів ракет-носіїв та великих ядерних реакторів для енергопостачання населених космічних баз. Утім, NERVA не дала реальних результатів: усі напрацювання залишилися на папері й не дісталися навіть етапу космічних тестів. 

Натомість СРСР, зі свого боку, почав активне впровадження ядерних реакторів у деякі модифікації своїх космічних апаратів і супутників. Саме так з’явилася серія ядерних супутників “Управляемый Спутник-А” (УС-А), першою демонстрацією яких став розроблений для військової розвідки морських шляхів “Космос-367”, виведений на орбіту 1970 року. 

В основі супутників УС-А містилася космічна ядерна електроустановка БЭС-5 “Бук” (“Быстрый Энергетический Спутник”), що, як і випробувана шістьма роками раніше “Ромашка”, працювала на швидких нейтронах. Після років розробок потужність реактора суттєво підвищилася, він зміг генерувати до 3-5 кВт. Передусім це забезпечив новий тип ядерного палива — уран-235. Для виведення тепла з активної зони реактора використовувався теплоносій на основі натрій-калієвого сплаву. Він підходив до термоелектричних генераторів на базі напівпровідників, які й перетворювали отримане тепло на електрику. Надлишкове тепло відводилося прямо у космічний простір через розміщений на супутнику великий радіатор.

Радянські конструктори подбали (як тоді здавалося) і про безпековий аспект експлуатації ядерної енергетичної установки. Після завершення експлуатаційного терміну ядерний реактор від’єднувався від УС-А та піднімався на свою орбіту поховання (900-1000 км), де більше не становив прямої небезпеки для багатьох типів космічних апаратів того часу, і не загрожував зворотним поверненням у атмосферу Землі, адже його згорання там спричинило б ядерні опади. 

Але жодні безпекові нормативи не могли запобігти позаштатним ситуаціям та аномаліям у роботі ядерних реакторів космічного базування. Найвідоміша аварія з супутником проєкту УС-А відбулася 1978 року. Радянський центр управління польотами зненацька втратив контроль над рухом космічного апарата “Космос-954” через рік після його запуску, наприкінці жовтня 1977-го. Найімовірніше, це сталося через аномалію у двигуні, який корегував орбітальне положення супутника. Попри те, що команда ЦУП підтримувала зв’язок із апаратом, через відключення двигуна його не вдалося вивести на орбіту поховання. Відтак той продовжив рух, поступово знижуючись у своєму неминучому падінні.

Час Х настав 24 січня 1978 року, коли “Космос-954” увійшов у щільні шари атмосфери над територією Північної Канади, після чого до екстрених служб країни почали телефонувати громадяни, які бачили вогняну кулю, що впала з неба. Американський та канадський уряди розробили спільну операцію під назвою Morning Light для пошуку радіоактивних уламків радянського супутника. За її результатами вдалося знайти близько 100 шматків загальною вагою 65 кг та різного ступеня радіоактивності (від декількох мР/год до 200 Р/год). Площа місцевості, якою розлетілися радіоактивні фрагменти “Космос-954”, сягнула 124 000 км².

Спалахнув дипломатичний скандал. Канада виграла судовий позов, тож СРСР сплатив 3 млн канадських доларів і майже три роки не проводив нових запусків УС-А, допоки не модернізував системи радіаційної безпеки. Відтоді, щойно виникала аварійна ситуація, супутники цієї серії усі тепловидільні елементи (ТВЕЛи) активної зони реактора примусово викидали у космос спеціальним автоматизованим газовим механізмом.

Звісно, загроза влаштувати “Чорнобиль” на території третіх країн ніяк не вплинула на виробництво СРСР нових типів ядерних реакторів космічного базування. Наступником БЭС-5 стала ядерна енергетична установка ТЭУ-5 “Тополь” (також відома як “Топаз-1”), вперше виведена на орбіту у жовтні 1987 року на борту супутника “Космос-1”. За цією розробкою слідували й інші модифікації супутників, оснащених реактором на базі модернізованої ядерної енергетичної установки “Енисей” (проєкт “Топаз-2”), перший запуск якої припав уже на період після розпаду СРСР. Втім, у 1996 році, під тиском глобальної спільноти, безпекових ризиків та фінансової нерелевантності будівництва подібних ядерних реакторів, росіяни нарешті офіційно згорнули всі свої розробки на цьому напрямку. 

Радіоізотопне серце “вояжерів”

Де-факто США припинили всі свої експерименти із запуску ядерних реакторів на орбіту ще в середині 1960-х років, однак космічні інженери не поспішали відмовлятися від енергетичного потенціалу, який надавали радіоактивні елементи, особливо плутоній-238. Подібні системи енергоживлення назвали радіоізотопними термоелектричними генераторами (РТГ). Вони дійсно могли забезпечити енергоживлення космічній місії упродовж десятків років.

Основна відмінність РТГ від ядерного реактора полягає в тому, що генерація теплової енергії тут відбувається шляхом природного розпаду радіоактивних ізотопів, а не внаслідок штучно створеної ланцюгової реакції ядерного поділу, як у реакторі. Подальший розподіл теплової енергії організований за схожим до ядерного реактора принципом — отримане тепло обертали на електрику термоелектричні перетворювачі (ефект Зеєбека).

Перший експеримент із запуском оснащеного РТГ супутника відбувся 1961 року, коли американці вивели на орбіту Transit 4A. І хоча його основна місія мала суто військове призначення (за його допомогою була випробувана супутникова навігаційна система для підводних човнів ВМС США), апарат став першою успішною демонстрацією можливостей, які криються у впровадженні радіоізотопів для електроживлення у космосі. На борту було встановлено експериментальний РТГ SNAP-3A. Це скидалося на надпотужну ядерну батарейку, здатну працювати протягом десятків років, при цьому зовсім не потребуючи альтернативних джерел електроенергії на кшталт сонячних панелей тощо. РТГ відкрили шлях організації космічних місій у найвіддаленіші куточки Сонячної системи, а також для запуску планетарних посадкових апаратів, що могли б роками працювати у печерах чи глибоких каньйонах планет і супутників.

Перший досвід використання РТГ у позаземних місіях припав на місячну програму Apollo. РТГ SNAP-27 під час п’яти послідовних місій (Apollo 12, 14, 15, 16, 17) живив наукове обладнання Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP). Цей науковий комплекс астронавти встановили на Місяці. Після їхнього відльоту він виконував низку наукових досліджень, передаючи результати на Землю. Генератори забезпечували роботу наукового обладнання кілька років поспіль.

На початку 1970-х років американські РТГ-генератори вперше пройшли крізь Головний пояс астероїдів між Марсом та Юпітером. Тоді NASA спромоглося запустити два космічні апарати: Pioneer 10 досліджував Юпітер, а Pioneer 11 вивчав Юпітер і Сатурн. На борту кожного з них було встановлено чотири РТГ. У 1976 році пара спускових космічних апаратів Viking 1 та Viking 2 дісталися поверхні Марса. Кожен із них мав по два РТГ для енергоживлення власних систем та обігріву обладнання холодними марсіанськими ночами. 

У ХХІ сторіччі радіоізотопні теплоелектричні генератори знову повернулися на Марс. Вони відповідають за енергоживлення марсіанських роверів Curiosity і Perseverance, запущених у 2011 та 2020 роках відповідно. На них встановлено потужнішу модифікацію електричних генераторів, так званий багатоцільовий радіоізотопний термоелектричний генератор (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator – MMRTG), що однаково добре працює як у вакуумі космічного простору, так і під час планетарної активності ровера. Один такий генератор здатен виробляти 110 Вт потужності, а запланований термін його служби становив 14 років (тут слід зауважити, що з роками номінальна потужність MMRTG падає через поступовий розпад плутонію та деградацію його термопар). Додамо, що обидва марсіанські ровери обладнали комбінованою системою енергоживлення, тому частину енергії у денний час оперування вони здобували від власних сонячних панелей.

Та найвіддаленіша подорож космічного апарата, який живили РТГ, сягнула за межі Сонячної системи. У 1977 році з інтервалом кілька тижнів NASA запустило космічні апарати Voyager 1 та Voyager 2. Кожен із них живився від трьох послідовно закріплених РТГ типу Multi-Hundred Watt (мульті-стоватний). Конструкція саме цього генератора пізніше й призвела до еволюції технології і появи MMRTG, про які ми вже згадали вище. 

На момент запуску Voyager кожен такий радіоізотопний термоелектричний генератор міг виробляти до 158 Вт електричної потужності (разом трійка РТГ генерувала до 470 Вт). Із плином часу вичерпання плутонієвого палива вносить свої корективи, через що космічні апарати в середньому втрачають близько 4-4,3 Вт потужності на рік. Коли в 2022 році NASA вчергове перевіряло свої космічні апарати, виявилося, що електрогенерація від трьох РТГ впала вдвічі і становила 230-249 Вт. Через постійне зниження генерації струму аерокосмічному відомству навіть довелося розробити спеціальну стратегію заощадження енергії, яка полягала у поетапному відключенні деяких другорядних систем космічного апарата, найменш важливих наукових інструментів та обігрівачів.

За майже 70 років від дня появи РТГ стали незамінними при організації найвіддаленіших космічних місій. На сьогодні апарати, які отримували електроенергію в подібний спосіб, побували майже біля кожної планети Сонячної системи. У 2015 році New Horizons, який живився від MMRTG, пролетів повз Плутон, а за чотири роки після цього, 1 січня 2019-го, він же дістався об’єкта поясу Койпера Аррокот (2014 MU69, або Ультіма Туле). Попри поважний вік, NASA не квапиться відправляти MMRTG на пенсію. Місія Dragonfly, що має доставити летючий космічний апарат до супутника Сатурна, Титана, також буде оснащена MMRTG. Генератор дозволить Dragonfly функціонувати в умовах низьких температур та за відсутності сонячного світла на поверхні Титана.

Чекайте на продовження цього матеріалу. Згодом ми розкажемо про найбільш розповсюджений спосіб електрогенерації для супутників, що перебувають на навколоземній орбіті — виробництво за допомогою висувних сонячних панелей, а також розглянемо майбутнє енергетики у космосі.