NASA продолжает разработку новых топливных элементов для будущих лунных и марсианских миссий. Инженеры агентства считают, что эта технология способна стать одним из ключевых источников энергии для долговременного присутствия человека на других небесных телах. Новая система создается при участии Центра космических полетов имени Гленна и может использоваться как в пилотируемых миссиях, так и в автоматических аппаратах.
Главная задача проекта — обеспечить стабильное и надежное энергоснабжение в условиях, где солнечная энергия работает ограниченно, а доставка топлива с Земли крайне дорога.
Почему энергия — одна из главных проблем космических миссий
Практически любая космическая программа напрямую зависит от источников энергии.
Электричество необходимо для:
- систем жизнеобеспечения;
- связи;
- научных приборов;
- компьютеров;
- обогрева;
- добычи ресурсов;
- передвижения техники.
На Земле энергетическая инфраструктура развивалась столетиями. В космосе все значительно сложнее.
Любая система должна быть:
- максимально надежной;
- компактной;
- легкой;
- устойчивой к радиации;
- способной работать годами без ремонта.
Солнечные панели подходят не всегда
Сегодня большинство космических аппаратов используют солнечные батареи.
Однако у этой технологии есть серьезные ограничения.
Например, на Луне:
- ночь длится около 14 земных суток;
- температура падает до экстремально низких значений;
- солнечная энергия временно становится недоступной.
На Марсе ситуация тоже сложная:
- солнечный свет слабее земного;
- пылевые бури могут длиться месяцами;
- пыль покрывает панели и снижает эффективность.
Именно поэтому NASA ищет альтернативные источники энергии.
Что такое топливные элементы
Топливный элемент — это устройство, преобразующее химическую энергию топлива напрямую в электричество.
Наиболее распространенная схема основана на реакции:
- водорода;
- кислорода.
В процессе образуются:
- электричество;
- тепло;
- вода.
Главое отличие от обычных аккумуляторов состоит в том, что топливные элементы не накапливают энергию, а производят ее непрерывно, пока поступает топливо.
NASA использует топливные элементы уже десятилетия
Эта технология не является новой для космонавтики.
Топливные элементы применялись:
- в программе Apollo;
- на космических шаттлах Space Shuttle;
- в ряде экспериментальных систем NASA.
(nasa.gov)
Во время миссий Apollo они одновременно:
- снабжали корабль электричеством;
- обеспечивали экипаж водой.
Вода образовывалась как побочный продукт химической реакции.
Новая система предназначена для долговременных миссий
Современные проекты NASA значительно отличаются от кратковременных полетов прошлого.
Агентство готовится к:
- строительству лунных баз;
- длительным миссиям на Марс;
- работе тяжелой техники;
- добыче ресурсов на других мирах.
Для этого необходимы системы, способные работать месяцами и даже годами.
Главная идея — создание замкнутого энергетического цикла
Одной из ключевых особенностей новой разработки является возможность создания регенеративной системы.
Она работает по циклу:
- Топливный элемент вырабатывает электричество.
- В результате образуется вода.
- Вода расщепляется электролизом на водород и кислород.
- Газы снова используются для генерации энергии.
Фактически система способна многократно перерабатывать собственные ресурсы.
Для космоса это особенно важно, поскольку доставка каждого килограмма груза чрезвычайно дорога.
Технология поможет переживать лунную ночь
Одним из главных применений топливных элементов NASA считает работу на Луне.
Лунная ночь длится примерно две недели.
В этот период:
- солнечные панели практически бесполезны;
- температура может опускаться ниже −170 °C;
- оборудование требует постоянного обогрева.
Топливные элементы могут обеспечивать энергией:
- жилые модули;
- научные станции;
- луноходы;
- системы связи;
- добывающую технику.
Технология особенно важна для программы Artemis
Новые энергетические системы напрямую связаны с программой Artemis program.
NASA планирует:
- вернуть людей на Луну;
- создать устойчивое присутствие на поверхности;
- построить инфраструктуру для будущих марсианских миссий.
Для реализации этих целей необходимо круглосуточное энергоснабжение.
На Марсе топливные элементы тоже могут стать критически важными
Марсианская среда создает дополнительные проблемы.
Пыльные бури способны закрывать Солнце на недели и даже месяцы. Именно из-за нехватки энергии NASA потеряло связь с марсоходом Opportunity в 2018 году. (nasa.gov)
Топливные элементы позволяют снизить зависимость от солнечного света.
Они могут использоваться:
- в жилых комплексах;
- транспортных системах;
- научных лабораториях;
- автономных роботах.
Вода становится стратегическим ресурсом
Для топливных элементов особенно важна вода.
Она нужна:
- для получения водорода;
- для замкнутого энергетического цикла;
- для жизнеобеспечения экипажей.
Современные исследования показывают, что лед присутствует:
- на полюсах Луны;
- под поверхностью Марса;
- в некоторых затененных кратерах.
Если будущие миссии смогут добывать воду на месте, это резко снизит необходимость доставки топлива с Земли.
Использование местных ресурсов — ключ к колонизации
NASA и другие агентства активно развивают концепцию ISRU — In-Situ Resource Utilization.
Она предполагает использование местных ресурсов для:
- производства топлива;
- получения воды;
- создания кислорода;
- строительства инфраструктуры.
Топливные элементы хорошо вписываются в эту стратегию.
Разработка ведется в Центре Гленна
Ключевую роль в проекте играет NASA Glenn Research Center.
Центр специализируется на:
- энергетических технологиях;
- двигательных установках;
- авиационных системах;
- космической энергетике.
Именно здесь NASA разрабатывает многие системы для будущих межпланетных миссий.
Технология должна быть максимально надежной
В космосе ремонт сложнейших систем крайне ограничен.
Поэтому инженеры уделяют особое внимание:
- долговечности;
- устойчивости к экстремальным температурам;
- надежности мембран;
- эффективности преобразования энергии;
- защите от деградации материалов.
Даже небольшая неисправность на Луне или Марсе может стать критической для миссии.
Топливные элементы рассматриваются и для мобильной техники
Одно из перспективных направлений — питание лунных и марсианских транспортных систем.
Будущие аппараты могут использовать топливные элементы для:
- дальних экспедиций;
- перевозки грузов;
- автономной работы в темных регионах;
- исследований полярных областей Луны.
Это особенно важно для районов, куда почти не попадает солнечный свет.
NASA рассматривает несколько энергетических технологий одновременно
Топливные элементы — лишь часть более широкой энергетической стратегии.
Параллельно агентство развивает:
- солнечные системы нового поколения;
- ядерные реакторы;
- радиоизотопные источники энергии;
- компактные энергетические установки.
Например, проект Fission Surface Power предполагает создание малых ядерных реакторов для Луны.
Космическая энергетика становится отдельной отраслью
По мере подготовки к длительным межпланетным миссиям энергетические технологии превращаются в один из важнейших элементов космической инфраструктуры.
Будущие базы потребуют:
- непрерывного электроснабжения;
- хранения энергии;
- резервных систем;
- переработки ресурсов;
- автономной работы без постоянной поддержки Земли.
Разработка NASA может повлиять и на земные технологии
Многие космические энергетические системы впоследствии находят применение на Земле.
Технологии топливных элементов уже используются:
- в автомобилях;
- резервных электростанциях;
- автономных системах питания;
- промышленной энергетике.
Космические разработки часто ускоряют развитие более эффективных и компактных энергетических решений.
Будущие миссии будут зависеть от автономной энергетики
Полет на Марс или создание постоянной базы на Луне невозможны без надежных источников энергии.
Новая программа NASA показывает, что агентство постепенно переходит от кратковременных экспедиций к созданию полноценной внеземной инфраструктуры.
Топливные элементы рассматриваются как одна из технологий, способных обеспечить:
- долговременную автономность;
- устойчивое энергоснабжение;
- использование местных ресурсов;
- снижение зависимости от поставок с Земли.
Если разработки окажутся успешными, именно подобные системы могут стать энергетической основой первых постоянных баз человечества на Луне и Марсе.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
