CatScience

Хотя когда речь заходит о получении электричества в космосе, на ум первым делом приходят солнечные панели. Растопырил их в пространстве и летишь себе довольный, пока Солнце делает всю работу за тебя!

Казалось бы, в космосе солнечным батареям и погода не помешает, и смена дня и ночи тоже.

Идеальные условия!

Но тут как в анекдоте, есть нюанс — Солнечная система на поверку оказывается не такой уж солнечной.

Это зависит от того, куда именно мы летим.

Если мы собираемся лететь куда-нибудь к Юпитеру или ещё дальше от Солнца (Уран, Нептун, Плутон и далее в сторону облака Оорта) — то солнечной энергии нам может уже и не хватить.

Например, от Солнца до Земли около 149 миллионов километров (это расстояние называют астрономической единицей, AU), а до Юпитера — уже 778 миллионов километров, то есть в пять раз больше.

Значит, солнечные панели на орбите Юпитера будут давать в двадцать пять раз меньше электроэнергии, чем на орбите Земли.

Хотя прогресс не стоит на месте и уже сейчас идут разговоры о том, что современные солнечные панели (со всякими примочками вроде солнечных концентраторов с циркуляцией теплоносителя) могут позволить космическим аппаратам нормально питаться и около Юпитера.

Но всё равно, чем дальше от Солнца улетаем — тем печальней. Для аппарата нам нужно получать определённую мощность и солнечные панели в таком случае приходится делать всё большего и большего размера.

А большая площадь солнечных батарей для космического корабля значит что? Правильно, что при запуске их придётся держать в сложенном виде, а раскрывать уже как-нибудь потом.

Беда в том, что свёрнутое заранее в решающий момент может попросту не раскрыться. И ладно если такие панели предназначены для обитаемой станции, где есть специально обученные космонавты — а если проблема возникнет у автоматического аппарата, помочь которому в космосе будет некому?

И такие случаи уже были — например, с зондом «Люси» у НАСА в 2021 году, когда одна из солнечных панелей не раскрылась полностью из-за того, что трос привода запутался на катушке (прям как нитка на шпульке швейной машинки).

Но и это полбеды. Ведь даже если мы не улетели от родного светила слишком далеко, поймать его лучи получается не всегда.

Спутники Земли, например, можно держать на так называемой солнечно-синхронной орбите в плоскости терминатора (то есть, как раз на полосе закатов/восходов) — тогда аппарат будет постоянно освещаться лучами Солнца и его батареи, соответственно, тоже.

А что если нам нужна другая орбита? На ней в какой-то момент планета закроет спутник от солнечного света — и тогда вся надежда на аккумуляторы. А они со временем, к сожалению, начинают деградировать.

И солнечные панели, кстати, тоже с возрастом деградируют — даже на Земле они постепенно устают от ультрафиолетового излучения, хотя и очень медленно, а в космосе ещё и страдают от космической радиации и при солнечных вспышках.

Также батареи могут быть повреждены микрометеоритами или космическим мусором, если совсем уж не повезёт.

Что же, что же придёт нам на помощь? Да, вы угадали.

Итак, вы ведь помните, чем хорош РИТЭГ? Надёжностью.

Он работает десятилетиями и не требует обслуживания — а это как раз то, что в космосе и нужно.

Здесь нам как раз пригодится плутоний-238 — его высокая цена в рамках стоимости космического аппарата оказывается не такой уж и высокой.

На фото - таблетки с топливом для радиоизотопного термоэлемента. Да, это наш дорогой плутоний-238. В РИТЭГи на орбитальной станции Кассини таких положили целых 82 штуки. А на спускавшемся с неё на Титан зонде Гюйгенс — всего 35 таблеток. Фото из архива НАСА, ну вы в курсе

РИТЭГ успешно использовали на многих спутниках и космических станциях — например, на Кассини-Гюйгенс или на Новых горизонтах (New Horizons).

А ещё на зондах Вояджер (и на первом, и на втором) стояло по три РИТЭГа общей мощностью в 470 ватт. И улетели с ними далеко-далеко.

Очень далеко — на 25 миллиардов километров от родной Земли! Какой ещё источник питания может таким похвастаться, а? Вот то-то же.

Разговор о Вояджере нельзя вести без упоминания прекрасной фотографии Pale Blue Dot. Видите эту маленькую точку справа, на коричневой полоске? Это наша Земля. Вояджер-1 на тот момент улетел уже на шесть миллиардов километров. И три РИТЭГа улетели вместе с ним, не забывайте

А в 1971 году РИТЭГ SNAP-27 побывал на Луне вместе с миссией Аполлон-14.

А ещё улучшенную версию таких генераторов ставят на марсоходы (например, на Кьюриосити и Персеверанс — солнечные панели этих аппаратов не дают достаточно энергии во время пылевых бурь, что может поставить под угрозу всю миссию. И тут тоже нужна надёжность.

Ну ладно, тут тоже не всё гладко было (А где вообще так бывает?) — вы не поверите, но нам опять пришли портить всю малину злые экоактивисты.

Вернее… ну да кто не без греха. Был с запуском РИТЭГ в космос один очень неприятный инцидент — эх, и стоило нам, как говорится, всего один раз…

21 апреля 1964 года при запуске ракеты с навигационным спутником Transit 5BN-3 произошла авария. Спутник развалился на части и сгорел на высоте около пятидесяти километров где-то к северу от Мадагаскара.

Внутри спутника был РИТЭГ SNAP-9A в котором находилось чуть меньше килограмма плутония-238. И конечно же его расщепило в пыль и раскидало по атмосфере. Определённое повышение радиационного фона зафиксировали измерительные станции по всей Земле. Беда.

Это происшествие станет серьёзным аргументом против запуска РИТЭГ в космос на долгие годы. Впрочем, использовать-то их всё равно не перестанут — солнечные батареи это, конечно, хорошо, но если они нам вдруг не подходят, то что ж делать-то? Совсем в далёкий космос не летать? Скука!

Но между прочим, потерявшая один из спутников при таких трагических обстоятельствах Transit (она же NAVSAT, от англ. Navy Navigation Satellite System, навигационная система военно-морского флота) — это первая в мире спутниковая система навигации. Да, охватывала не всю территорию Земли, да время доступа было ограничено — но работало с середины шестидесятых до самой середины девяностых!

Срок, достойный РИТЭГ. Даже нет, не так. Срок достойный, РИТЭГ!

Современные РИТЭГи для космической отрасли содержат ядерное топливо в капсуле, способной выдержать даже взрыв ракеты-носителя при неудачном пуске — инженеры умеют учиться на своих ошибках, знаете ли.

И всё равно скепсис со стороны общественности приходится учитывать — радиофобия бывает распространена и среди лиц, принимающих решения.

Но так или иначе, в космосе РИТЭГ, судя по всему, ждёт большое будущее — ведь чем дальше от Солнца отправляется космический аппарат, тем меньше надежды на солнечные панели. Кроме того, такие источники питания пригодятся и на лунных базах, когда мы до них дорастём, или даже на Марсе — как минимум, в качестве надёжного резерва.

Такой источник энергии на долгие десятилетия — это здорово, а космических мародёров, к счастью, на горизонте пока ещё не видно. Хоть где-то повезло!

Автор - Александр Алещенко

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

И вот осиротевшие маяки довольно быстро стали посещать сомнительные личности в погоне за цветным металлом.

Логика мародёров проста — если на территории объекта стоит что-то непонятное, значит, оно наверняка ценное (и в чём-то они были правы). С части РИТЭГов просто обрезали электрические кабели (тоже нехорошо, режим холостого хода для них нежелателен), а часть вскрывали, (откручивая болты соединений или пытаясь прорезать толстый металл газовыми резаками).

Мы уже знаем, что внутри аппарата есть капсула с ядерным топливом, которая жесточайше фонит. А вот для некоторых охотников за металлом это был сюрприз.

Как правило, радиоактивные элементы попросту выбрасывали на месте — скорее всего, для здоровья выбрасывавших бесследно это не прошло.

Более того, ещё в 1983 году произошла одна неприятная история. На Чукотке по пути к месту установки один РИТЭГ умудрились серьёзно повредить — и персонал скрыл этот факт от руководства, понадеявшись, что на удалённом объекте заметят нескоро. В общем-то так и получилось — повреждение обнаружила комиссия Госатомнадзора, но произошло это только в 1997 году. Человеческий фактор неистребим, что тут скажешь.

В конце девяностых незавидным положением РИТЭГов на постсоветском пространстве заинтересовалось МАГАТЭ — Международное агентство по атомной энергии, организации из системы ООН с широкими полномочиями по регулированию мирного (и не очень) использования атомной энергии.

Господа, мы тут режим нераспространения ядерных материалов изо всех сил блюдём, а у вас по всему Северу капсулы со стронцием раскиданы?! А если вдруг их найдут совсем нехорошие люди и сделают с ними совсем-совсем нехорошую грязную бомбу? Вы об этом подумали?

А вообще-то утечка радиации может произойти и без людей, знаете ли — вы ведь РИТЭГи побросали чёрт знает как и чёрт знает где, мало ли что там случается, от землетрясений до производственного брака!

Короче, прекратить немедля, давайте избавляться от этих штук!

Так в начале двухтысячных в рамках международной программы МАГАТЭ по утилизации РИТЭГов начался титанический труд по их поискам. Информацию о местоположении объектов собирали по крупицам, а большую часть аппаратов оказалось возможно вывезти только вертолётом.

Но по итогу из тысячи с лишним РИТЭГов отправили на хранение или разборку почти все.

Не нашли две штуки — и с ними не всё однозначно. Один (Шмидтовский район, Чукотка, река Кывэквын) считается замытым в песок в результате сильного шторма, второй уронили в Охотское море ещё в 1987, когда перевозили вертолётом. Оба усиленно ищут до сих пор.

А всего в СССР было создано 1007 РИТЭГов наземного базирования — это не считая тех, что улетели в космос (упс, ещё один небольшой спойлер к продолжению серии).

Но данные о численности поголовья взяты у того же МАГАТЭ, а собирали их, как упоминалось выше, с большим трудом.

Маяки Северного морского пути и остальные объекты в труднодоступных местах постепенно перевели на альтернативные источники электропитания. Занимался этим Курчатовский институт — и задача оказалась сложной.

В итоге в качестве замены использовали фотоэлектрические системы питания, состоящие из солнечных панелей, мощных аккумуляторных батарей и сложной системы автоматики, которая отвечает за надёжность энергоснабжения и посылает необходимые данные в обслуживающую организацию.

Но часть проблем всё ещё актуальна — чем северней расположен маяк, тем хуже обстоит дело с работой солнечных панелей и тем длиннее полярная ночь. В суровых условиях аккумуляторы (даже специально подготовленные) деградируют слишком быстро. Солнечные батареи могут поддерживаться ветрогенераторами, но тогда установку придётся часто обслуживать.

Да, РИТЭГ получился хорошим и расставаться с ним больно. Может быть, отправим его куда-нибудь подальше, где до него не доберутся злые охотники за цветметом?

[Продолжение следует]

Автор - Александр Алещенко

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

Нам нужно поставить маяк где-то на Новой Земле среди снегов и камней? Смотритель не нужен, пусть оборудование на объекте работает автоматически, а для электроснабжения мы ставим новенький РИТЭГ в стоящий рядом сарай, протягиваем провода — и он выдаёт достаточную для работы приборов мощность в течении гарантийного срока (десять лет), не требуя взамен вообще ничего.

Более того, в процессе эксплуатации выяснилось, что РИТЭГ даже на изотопах стронция может проработать и пятнадцать лет. И даже двадцать пять, если прижмёт (правда, мощности он при этом выдаёт уже вдвое меньше — не забываем про полураспад).

Просто праздник какой-то! Движущихся частей в аппарате нет вообще, а значит нет быстрого износа из-за силы трения и вибраций (обслуживать штуку, где ничего не вращается, нужно гораздо реже, уж поверьте монтёру) — последнее позволяет использовать его для питания чувствительной к колебаниям сейсмической аппаратуры. Также РИТЭГ не создаёт радиопомехи, которые могут мешать оборудованию.

Какого-либо серьёзного обслуживания он тоже не потребует, ведь капсула герметично запаяна. Из-за того, что для достаточной радиозащиты корпус всё равно нужно делать прочным и массивным, РИТЭГ также неприхотлив к климатическим воздействиям — немалая часть его модификаций предполагала работу под открытым небом (главное, подготовить достаточно ровную площадку и оградить её забором).

Поэтому СССР в своё время наклепал более тысячи РИТЭГов разных модификаций. Большая часть (около 850 штук) отправилась обеспечивать морскую или речную навигацию (в основном на Северный морской путь, в суровые условия). 50 штук было отправлено на автоматические метеостанции (и на полярные станции в Антарктиду). Пригодились и на радиорелейных станциях для дальней радиосвязи, забирали их для своих нужд и военные.

Где-то полторы-две сотни таких установок создали и в США — строго говоря, первый РИТЭГ там и разработали в 1954 году. Применяли для тех же целей — навигация, электропитание арктического оборудования и радиолокационных систем в суровых условиях где-нибудь на Аляске или военные нужды.

Очевидная проблема — само ядерное топливо, стоимость которого составляет около 90 % от цены РИТЭГ. Упомянутые стронций-90 и плутоний-238 (как правило) производят в ядерных реакторах, что уже значительно сокращает число претендентов на их получение.

Кроме того, простота конструкции не гарантирует простоту производства.

В корпусе РИТЭГ для радиозащиты используется обеднённый уран (он хорошо блокирует радиоактивность из-за своего высокого атомного веса). Оболочка должна быть очень прочной, чтобы избежать разгерметизации радиоизотопного источника.

А термоэлектрический преобразователь нужно делать максимально качественным, чтобы его надёжности хватило на весь срок службы аппарата (напомню, что речь идёт о десятилетиях).

И вот сотни маяков, радиомаяков, метеостанций и прочих далеко стоящих штук запитаны нашими славными РИТЭГами.

Да, электрическая мощность РИТЭГ, в зависимости от модели, составляет всего лишь десятки ватт. Но для интересующего нас навигационного оборудования этого хватит.

Всё, победа прогресса над трудностями? Празднуем очередной триумф науки и техники?

Нет. Пришли нехорошие люди и всё испортили.

[Продолжение следует]

Автор - Александр Алещенко

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

Ну, теперь мы сделаем маленький ядерный реактор? Нет.

Беда в том, что совсем уж маленьким реактор в любом случае не будет, а ещё его нужно постоянно контролировать. Мы же решили, что персонал рядом с установкой оставлять не будем — тем более, что инженер по ядерной технике это птица редкая, на каждый маяк не напасёшься.

И всё-таки ядерный реактор — это сложно.

Но есть и другой способ получить тепло из ядерного топлива — использовать энергию, которая выделяется при его естественном радиоактивном распаде.

Получившийся аппарат конструктивно будет гораздо проще и надёжнее реактора. И в работе автономен, обслуживания не потребует вовсе.

Его не нужно контролировать, ведь цепной реакции внутри не происходит. А вот выработка тепла происходит постоянно — до тех пор, пока по прошествии определённого времени топливный элемент не деградирует окончательно, перестав поддерживать нужную нам температуру.

Кстати, а какое именно топливо мы выберем? Здесь есть дилемма — нам хочется и тепла побольше, и длительность полураспада подольше, чтобы аппарат работал долго и эффективно.

Изначально я хотел просто написать, что улучшая (увеличивая) один показатель мы неминуемо ухудшаем другой — ну, если ядерное топливо выделяет много тепла, то и его полураспад происходит слишком быстро.

С одной стороны — будто бы логично звучит. Закон Гейгера — Неттолла и все дела. А с другой — это огромное упрощение, на грани с некорректной информацией.

Но всё не так просто. Возьмём, например, уран-232 с периодом полураспада длиной почти в 70 лет и сравним со стронцием-90, период полураспада которого меньше 30 лет.

Нет, потому что у урана-232 очень длинная цепь распада с нуклидами-излучателями жёстких гамма-квантов. Он и распадается дольше, и энергии выделяет гораздо больше. Прости, стронций-90, но здесь без шансов.

Если упростить, то из доступных нам веществ мы можем выбирать между стронцием-90 (период полураспада 29 лет, изначально выделяет около 0.45 Вт тепловой энергии на грамм вещества) и плутонием-238 (полураспад за 88 лет и 0.54 Вт тепловой энергии на грамм соответственно).

Итак, плутоний очень хорош, но он гораздо дороже (оставим его на особый случай, когда аппарату нужно работать максимально долго), так что в качестве топлива возьмём стронций-90. Поместим его в нашу капсулу.

А теперь объединим термоэлектрический преобразователь (раз уж мы решили работать с ним) и радиоизотопный источник тепла через теплопереход, поместим их в толстый корпус с радиационной защитой и герметично закроем крышкой.

Теперь осталось насадить на этот корпус радиатор для отвода тепла (помним, что нам нужна пресловутая разность температур), подключить к выводам провода — и вуаля, мы получаем радиоизотопный термоэлектрический генератор, сокращённо РИТЭГ.

Вот он, главный герой статьи, ну наконец-то. С РИТЭГ всё пойдёт гораздо веселей.

[продолжение следует]

Автор - Александр Алещенко

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

Применение полупроводников серьёзно увеличило КПД термопары… который всё равно остался низким, в лучшем случае пять-десять процентов.

Но с этим уже можно работать.

Во Вторую мировую войну лаборатория термоэлектрических свойств полупроводников, которую возглавлял Маслаковец (в 1941 её вместе с Ленинградским физико-техническим институтом эвакуировали в Казань), работала над созданием термоэлектрических источников питания для партизанских и диверсионных отрядов.

В итоге было придумано устройство термоэлектрического генератора ТГ-1 — «котелок Иоффе».

В цепь соединяли несколько десятков термопар из сурьмянистого цинка (антимонид цинка, SbZn) и константана (сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца).

Их погружали в наполненный водой сосуд, который ставили на костёр. Дно котелка нагревалось до 250-300 °C и его касались “горячие” части термопар. А кипящая вода, как мы знаем, имеет температуру 100 °C, ей (внезапно) остужались “холодные” части.

Мощность аппарата была невелика, но её хватало для питания батарей переносной радиостанции. От ручной динамо-машины наш ТГ-1 выгодно отличался тем, что не требовал каких-либо усилий от радиста, кроме поддержания огня и периодического долива выкипающей воды.

В мирное время работы над термогенераторами продолжились. Были созданы несколько аппаратов на древесном угле, с воздушным или водяным охлаждением (по сути своей это было что-то вроде небольшой печки, к топке которой шёл в комплекте термогенератор).

Но ведь удобнее применять не уголь, а жидкое топливо — например, керосин.

И тут можно совместить приятное с полезным — пусть источником тепла для нашего термогенератора будет керосиновая лампа! В то время в местах, где до сих пор были проблемы с электричеством, помещение освещали именно керосинками — а раз так, то термогенератор, который можно поставить прямо на неё, будет очень удобен.

Зажёг вечером керосиновую лампу и заодно включил радио. Прекрасно!

Именно ТГК-1 или его потомка ТГК-3 (расшифровывается как термогенератор керосиновый мощностью 3 ватта) и мог повстречать вживую кто-нибудь из читателей. Хотя бы в качестве диковинки, лежащей на дальней полке.

В своё время ТГК сыграли важную роль в радиофикации сельской местности — до тех пор, пока в ней не появилось полноценное электроснабжение.

[продолжение следует]

Автор - Александр Алещенко

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

Если проводники будут из одинакового металла, то магии не получится — электрические напряжения между концами термопары попросту взаимно уравновесятся.

Хотя существуют наноразмерные термопары, которые обходят это ограничение одним интересным способом, но о них как-нибудь в другой раз.

Зеебек полагал, что под действием разности температур металлы каким-то образом намагничиваются (появляется некий “свободный магнетизм”), а электрический ток тут вообще ни при чём.

Но возникающий в этом процессе ток потом заметил французский физик Жан Шарль Пельтье, именем которого назван обратный эффект.

Правда, он тоже объяснил физику процесса не совсем верно — связал его вообще не с термоэлектричеством, а с твёрдостью и электрическим сопротивлением проводников. Пельтье очень нравилась идея о том, что в разных проводниках тепло выделяется по-разному, а потому он с радостью применил её и здесь.

В итоге правильно понял, что вообще происходит, российский физик Эмилий Христианович Ленц. Он провёл опыт с двумя стержнями из висмута и сурьмы — спаял их вместе, капнул водой в углубление на стыке и начал прогонять электрический ток туда-сюда. При одном направлении тока капля замерзала, а при другом — оттаивала обратно.

Зафиксируем: На стыке двух разных проводников (в термопаре он называется спай), в зависимости от направления тока может выделяться или поглощаться тепло (теперь уже точно, Ленц подтверждает).

Такой вот получился термоэлектрический интернационал.

Кстати, а что они так долго думали-то? Эх, тоже мне, учёные. Дело-то плёвое, возьми два разных штыря и соедини между собой, потом один конец нагревай, а другой остужай да получай ток. Зачем тут сразу три физика?

Ну, вся штука в том, что простота обманчива. Появление термоэлектричества (а вернее сказать, термоЭДС — электродвижущей силы) это довольно сложный процесс.

Смотрите — мы уже поняли, что в одном контакте нашей термопары выделяется тепло, а другим контактом оно поглощается. Назовём его теплотой Пельтье.

Выше упоминали закон Джоуля — Ленца.

Его суть в том, что при прохождении тока через проводник (не важно, в каком направлении) он сопротивляется, а потому часть тока превращается в тепло (и чем больше сопротивление, тем выше будет нагрев).

Это верно и для термопары — вуаля, теперь мы знаем, что в ней возникает и джоулево тепло.

И как будто этого мало, внутри каждого неравномерно нагретого проводника (проводника, в котором имеется градиент температуры) выделяется ещё одна теплота, которая пропорциональна скорости изменения температуры. Ну или поглощается, это зависит от направления тока.

А это явление называется эффектом Томсона (да, ещё один физик, на этот раз британский — интернационал, говорю же, всем миром над термоэлектричеством работали). И вот у нас появляется теплота Томсона.

На фото внизу — Уильям Томсон. Он же, кстати, лорд Кельвин (да-да, в честь него температуру по Кельвину и назвали). На фотографии он опирается на нактоуз и держит в руках морское азимутальное зеркало. А если не по-морскому, а по-русски — стоит около судового магнитного компаса

Разной теплоты в этом процессе как в средних размеров коте — очень много.

Итак, эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона в определённой мере связаны между собой — и все они изменяют знак в зависимости от направления тока, то есть, являются обратимыми (могут нагревать, а могут и охлаждать).

И всё бы было хорошо, но вот в законе Джоуля — Ленца про обратимость ничего не сказано. Там всегда выделяется только тепло, в какую сторону ток ни направляй.

Ну и что? Мы теперь научились переводить тепловую энергию в электрическую! С помощью термопары! А это не хухры-мухры!
Плевать нам теперь на этих ваших Джоулей-Ленцов!

Радоваться рано, сейчас эти ребята нанесут ответный удар. Не пренебрегайте физикой (и физиками).

Проблема в том, что КПД такой схемы очень уж мал — в электрическую энергию переходит слишком малая часть энергии тепловой. Во многом из-за того, что в ходе работы термопары в ней возникают побочные необратимые (то есть, только нагревающие) процессы.

И джоулево тепло это полбеды, хотя оно тоже портит дело.

В металлах в принципе будет довольно быстро происходить перенос тепла от горячего контакта к холодному. Очень быстро — теплопроводность у них хорошая (за редкими исключениями), на то они и металлы.

А нам же нужна разность температур, помните? Но в таких условиях она слишком быстро уходит. Потому и КПД у термопары из металлов обычно получается… менее одного процента.

То есть как это меньше процента?! Блин, ну это же совсем никуда не годится.

Как индикатор какой-нибудь, может, пойдёт и так — температуру измерять. А вот для генератора такой КПД это ну прям совсем плохо.

[как эту проблему решили советские физики - в сделующей части]

Автор - Александр Алещенко

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!