Skip to content Skip to footer
Без чего не летают в космос: Радиоизотопные источники энергии

Космос — пустыня, единственным ресурсом в которой являются излучения. Космический корабль, спутник или автоматическую межпланетную станцию трудно представить себе без веера солнечных батарей, позволяющих использовать даровую энергию светила для питания бортовой аппаратуры. Но с дарителем приходится считаться. Это не всегда удобно. Исследования космоса требуют независимости. В том числе и от Солнца.

То, что даётся даром, обходится слишком дорого. Солнечные батареи должны быть постоянно повёрнуты к источнику света. В противном случае, они теряют эффективность. В земных условиях этим неудобством можно пренебречь, просто, увеличив площадь батарей и запасая энергию в аккумуляторах, пока Солнце расположено благоприятно. Но в космосе бесполезное утяжеление конструкции недопустимо. И приходится разворачивать аппарат, расходуя горючее, либо устанавливать гироскопы, позволяющие удерживать нужную ориентацию. Если же это не удастся, то системы навигации и связи окажутся обесточенными.

Естественно, солнечные батареи не действуют в тени планеты, и ночью, – последнее актуально для автономных станций, работающих на поверхности Марса и Луны. В вечном мраке укрытой облаками Венеры они будут бесполезны и днём.

Наконец, масса батарей приемлема, – да и то не всегда, – в условиях земной орбиты. Но на орбите Марса их площадь и вес должны быть увеличены в 2.5 раза. На орбите Юпитера – в 27 раз. На орбите Сатурна – в 91 раз. На орбите Нептуна – уже в 900 раз. Невозможно использовать энергию Солнца там, где оно – лишь самая яркая звезда.

Естественно, аккумуляторы, устанавливавшиеся на первых спутниках, а также генераторы, использующие энергию химических реакций, не могут рассматриваться в качестве альтернативы солнечным батареям. Уже на заре космической эры в качестве таковой виделись радиоизотопные источники.

Ещё в 1913 году Генри Мозли был изготовлен первый генератор, преобразующий энергию спонтанных ядерных реакций в электрический ток. Устройство, изумительное по своей простоте, представляло собой полую, посеребренную изнутри сферу, в центр которой помещалось некоторое количество радия. Излучённые радием электроны поглощались слоем серебра, что приводило к разделению заряда и возникновению разности потенциалов.

Несмотря на то, что энергия распада непосредственно трансформировалась в электрическую, КПД батареи Мозли оставался ничтожным. Источник производил почти исключительно тепло. Недаром капсулы с Полонием-210 в советских Луноходах служили именно для обогрева приборного отсека. Тем не менее, такие качества радиоизотопных генераторов, как предельная простота устройства, нетребовательность к обслуживанию и небольшой, по отношению к выделяемой энергии, вес, проявились уже тогда.

Позже – в середине прошлого века – конструкция радиоизотопных источников энергии усложнилась. Капсула с изотопом стала рассматриваться только как тепловыделяющий элемент. Электричество же вырабатывалось полупроводниковым термоэлектрогенератором, либо термоэмиссионным преобразователем, использующим эффект испускания электронов нагретыми телами. Современные генераторы используют для производства электроэнергии эффект Зеебека – разницу температур между кремниевой и германиевой пластинами. Устройства такого типа эксплуатируются с 1960 года, и применялись во время пилотируемых полётов на Луну.

Ядерные генераторы показали себя идеально подходящими для космических аппаратов источниками энергии, очень компактными и эффективными. Особенно высокой оценки заслуживает надёжность радиоизотопных батарей. Отказ возможен только в случае механического разрушения устройства. Но генератор представляет собой наиболее прочную часть конструкции спутника или межпланетной станции, способную уцелеть даже при падении космического аппарата.

Выбор изотопа для радиационного генератора энергии представляет собой решение задачи на оптимум. Изотопы с периодом полураспада исчисляемым тысячелетиями удобны и безопасны, но малоэффективны. Батарея на основе оружейного плутония (239) будет весить не килограммы, а тонны. С другой стороны, 10 килограммов Плутония-238 можно заменить всего 40 граммами Полония-210 (время жизни 138 суток). Но интенсивность распада в радиоизотопном генераторе будет спадать по экспоненте. И в случае применения короткоживущих изотопов потеря мощности окажется очень быстрой. Полониевые генераторы непригодны для длительных миссий. Идеальным является период полураспада, составляющий десятки лет.

Значение имеет также характер ядерных реакций. Например, Кобальт-60, Стронций-90 и Цезий-137 подвержены Бета-распаду, что означает выделение в три-четыре раза меньшей энергии, по сравнению с изотопами, испускающими Альфа-частицы. Так как в первом случае в ядре лишь происходит превращение одного нуклона (нейтрона в протон), а во втором – ядро разом покидают четыре нуклона.

Вне конкуренции в качестве перспективного источника энергии изотоп Уран-232 с периодом полураспада 67 лет, – немногим меньше, чем у Плутония-238. Но при этом уран выделяет в восемь раз больше энергии. Секрет заключается в восьмиступенчатом распаде, на каждом этапе которого образуется новый короткоживущий изотоп. Итогом является стабильное ядро свинца, шесть ядер гелия (Альфа-частиц) и ещё два лишних электрона (Бета-частицы) на бонус. Однако, технология промышленного получения этого изотопа находится лишь в стадии разработки.

Новые публикации также можно увидеть на Дзен-канале

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии