2-qism. Fazoviy energiya: kema va sun’iy yo‘ldoshlar qanday quvvatlantiriladi? to’liq malumot oling

Maqolaning 1-qismini bu yerda o‘qing → sinaps.uz/maqola/24295

Energiyani jamlang

Hatto gʻoya bosqichida ham Freedom stansiyasi (amalga oshirilgan koʻplab oʻzgarishlardan keyin XKS deb nomlangan) juda koʻp elektr energiyaga muhtoj boʻlishi aniq edi. 1989-yildagi hisob-kitoblar shuni koʻrsatdiki, quyosh kollektori quyosh panellaridan olinadigan energiya taʼminoti bilan solishtirganda 3-4 milliard dollarni (bugungi narxlarda 6-8 milliard) tejashi mumkin ekan. Xoʻsh, bu nima edi?

Yangicha qurilma qirralari olti burchakli quyosh konsentratorlaridir. Koʻzgular fokusda (markazda) joylashgan qabul qilg’ichda quyosh nurini toʻplaydigan paraboloid shaklida quriladi. Unda sovitish suvi qaynaydi, gaz turbinani aylantiradi, bu esa elektr energiyasini ishlab chiqaradi. Uning yonidagi panel issiqlik radiatori boʻlib, unda qaynagan sovitish moddasi yana qayta suyuqlikka aylanadi.

Freedom stansiyasi uchun ishlab chiqilgan koʻplab gʻoyalar singari bu gʻoya ham byudjetni qisqartirish qurboni boʻldi. Bugun XKSda faqatgina quyosh panellaridan foydalaniladi, shuning uchun xarajatlarni tejash imkoniyatlari qanday ekanini bilolmaymiz. Shunisi eʼtiborga loyiqki, quyosh kollektorlari Yerda ham qoʻllaniladi. Lekin ularning shakllari oddiy, koʻzgularsiz, koʻzgularning qoʻllanilishi xarajatlarni sezilarli darajada oshiradi.

Issiqlik va elektr energiyasi

Oyning yoritilgan tomonida harorat Selsiy boʻyicha 100 darajadan yuqoriga koʻtariladi. Ammo kechasi Oy yuzasi Selsiy boʻyicha -100 darajadan past haroratgacha sovib ketadi. Marsda oʻrtacha harorat Selsiy boʻyicha -60 daraja atrofida. Yupiter orbitasiga, yuqorida aytganimizdek, Quyosh Yerga beradigan energiyaning atigi 1/25 qismi yetib boradi. Xayriyatki, sayyoralar va sayyoralararo stansiyalar uchun fazoviy kemani isitish va elektr taʼminotini qulay tarzda taʼminlaydigan usullar mavjud.

Maʼlumki, bir xil moddada juda koʻp izotoplar boʻlishi mumkin. Undagi atomlar faqatgina yadrodagi neytronlar soni bilan farqlanadi. Shuningdek, har xil tezlikda barqaror va parchalanadigan izotoplar mavjud. Qulay yarim yemirilish davriga ega elementni tanlab olib, uni energiya manbai sifatida ishlatish mumkin.

Eng mashhur izotoplardan biri ₂₃₈Pu (plutoniy-238). Bir gramm sof plutoniy-238 taxminan 0,568 vatt issiqlik hosil qiladi va 87 yildan ortiq yarim parchalanish davriga ega. Demak, undan uzoq vaqt davomida energiya olsa boʻladi.

Agar yadroviy parchalanish issiqlik hosil qilsa, u qandaydir tarzda elektr energiyasiga aylanishi kerak. Buning uchun koʻpincha termojuftlik usuli qoʻllaniladi. Bu holatda juftlashtirilgan ikki xil metall notekis qizish natijasida elektr energiyasini ishlab chiqaradi. Radioizotopli termoelektr generatori (RITEG) ushbu tamoyilga muvofiq ishlaydi. Bu parchalanadigan radioaktiv izotoplar va termoelektrik konvertorlar koʻrinishidagi energiya manbaidir.

RITEGlar “Apollon” fazogirlari tomonidan Oyda qoldirilgan ilmiy asbob-uskunalar modullari uchun elektr energiyasini ishlab chiqardi, sovet “Lunoxod”lari esa izotoplarning parchalanishi natijasida isitildi, Viking Mars stansiyalari RITEGlardan elektr energiyasini oladi va Curiosity roveri Marsda uning yordamida sayohat qilmoqda. RITEGlar Quyosh tizimidan tashqariga uchadigan transport vositalari – “Pionerlar”, “Voyajerlar”, “Yangi gorizontlar” va boshqalar uchun muntazam elektr energiyasi manbai hisoblanadi.

Amerikaning Viking 2 fazoviy kemasi Marsga qoʻngandan soʻng yuborgan surati / NASA

Vikingʻning Marsga qoʻnishi boʻyicha Yerdagi model / NASA / JPL-Caltech / Arizona Universiteti

RITEGlardan foydalanish qulay, chunki ular hech qanday boshqaruvni talab qilmaydi, harakatlanuvchi qismlarga ega emas va oʻnlab yillar davomida ishlashga qodir. Misol uchun, elektr energiyasi ishlab chiqarish kamaygani tufayli baʼzi uskunalarni oʻchirish zarurligiga qaramay, “Voyajerlar” qirq yildan ortiq vaqt davomida ishlab kelmoqda. Afsuski, RITEGlarning kamchiliklari ham bor. Eng asosiylari – past energiya zichligi (kuchli RITEG juda ogʻir boʻladi) va yoqilgʻining yuqori narxi. Qoʻshma Shtatlarda plutoniy-238 ishlab chiqarishning toʻxtatilishi va narxlarning oshishi “Yunona” sayyoralararo stansiyasining Yupiter tomon ulkan quyosh panellari bilan uchishiga olib keldi.

Yadro texnologiyasidan foydalanish xavfsizlik bilan bogʻliq muammolarni ham keltirib chiqaradi. 1964-yilda RITEG bilan boshqariladigan sunʼiy yoʻldosh joylashtirilgan Amerika raketasining halokati butun sayyorada radiatsiyaviy fonning sezilarli darajada oshishiga olib kelganidan soʻng va keyingi baxtsiz hodisalar sodir boʻlganda iz qoldirmasligi uchun ular atmosferaga kirishga bardosh beradigan kapsulalarga joylashtirila boshlandi.

Oʻzgartirishdagi qiyinchiliklar

Termoelektr generator issiqlikni elektrga aylantirishning yagona varianti emas:

• Termoemission konvertorlarda vakuum lampasidagi katod isitiladi. Elektronlar anodga “sakrab” boradi va elektr tokini hosil qiladi.
• Termofotoelektrik konvertorlar issiqlikni infraqizil nurga aylantiradi, keyin esa nurlar elektr energiyasiga (quyosh paneliga oʻxshash) aylanadi.
• Ishqoriy metallarning termoelektrik konvertorlari natriy va oltingugurt tuzining elektrolitidan foydalanadi.
• Stirling dvigateli harorat farqlari tufayli harakatga keladi, keyin esa generator elektr energiyasini ishlab chiqaradi.

Bosh ustida turgan reaktorlar

Insoniyatga maʼlum boʻlgan barcha boshqariladigan energiya manbalari ichida yadro yoqilgʻisi eng yuqori zichlikka ega. Bir gramm uran ikki tonna neft yoki uch tonna koʻmir beradigan energiyani bera oladi. Shu sababli fazoviy kemani uzoq vaqt davomida katta miqdordagi energiya bilan taʼminlash zarur boʻlganda, yadro reaktorlari istiqbolli variant hisoblanadi.

Fazoviy reaktorlar ustidagi ilmiy ishlar 1960-yillarda boshlangan. Amerikaning SNAP-10A kemasi fazoga birinchi boʻlib chiqqan, orbitada 43 kun ishlagan va reaktor bilan bogʻliq boʻlmagan tizim nosozligi tufayli ishdan chiqqan. Shundan soʻng estafetani SSSR oʻz qoʻliga oldi. Amerika samolyot tashuvchisi zarba guruhlari harakatini kuzatish uchun yaratilgan “Legenda” nishonni belgilash tizimining US-A sunʼiy yoʻldoshlari bortida “Buk” yadro reaktorini olib yurgan. U faol radar tizimini energiya bilan taʼminlagan. Bunday yoʻldoshlardan oʻttizdan ortigʻi orbitaga yuborilgan. 1980-yillarning oxirida kamroq yadro yoqilgʻisidan foydalanadigan va yuqori samaradorlikka ega boʻlgan Topaz reaktori fazoga ikki marta uchirilgan. Topazning 150 kilovatt issiqlik quvvati olti kilovatt elektr energiyasini ishlab chiqargan (“Buk” esa mos ravishda 100 kilovatt quvvat bilan uch kilovatt elektr energiyasini chiqargan). Bunga, xususan, boshqa turdagi energiya konvertori – termoelektrik oʻrniga termoemission usul yordamida erishilgan. Ammo 1988-yildan keyin bortida yadro reaktorlari boʻlgan sunʼiy yoʻldoshlar qayta uchirilmagan.

XXI asrda yadroviy reaktorlarga qiziqish qayta jonlandi. Gʻarbda bu ishlab chiqarishning qisqarishi va RITEG uchun plutoniy-238 narxining oshishi bilan bogʻliq. AQShda RITEGning muqobiliga aylanishi mumkin boʻlgan Kilopower reaktori ishlab chiqilmoqda. Uning qiziq xususiyati shundaki, reaktor oʻzini oʻzi boshqarish uchun moʻljallangan va faollashtirilgandan soʻng RITEG kabi nazoratni talab qilmaydi. Rossiyada megavatt toifali atom uskunasi ishlab chiqilmoqda. Elektr reaktiv dvigatellari bilan birgalikda prinsipial jihatdan yangi imkoniyatlarga ega boʻlgan yangi qurilma – samarali orbital tortuvchi hosil boʻlishi kerak.

Ushbu mavzuga doir video: youtu.be/DcdfMcjUy_U

Reaktorlarning xavfsizligi RITEGlardan farqli tamoyillarga asoslanadi. Ishga tushirishdan oldin reaktor toza (uran zaharli, ammo uni qoʻlqop bilan ushlash xavfsiz) boʻladi, shuning uchun avariya yuz berganda, aksincha, uni atmosferaning zich qatlamlarida ishonchli tarzda yoʻq qiladigan gaz generatorlari oʻrnatiladi. Bu Yerdagi radiatsiyaviy fonga salbiy taʼsir qilishning oldini oladi. Ammo ishga tushirilganidan soʻng xavfli izotoplar reaktorda toʻplana boshlaydi va avariya yuz bergan taqdirda, Sovet US-A sunʼiy yoʻldoshlari reaktorni baland orbitaga yoʻq qilish uchun olib chiqqan. Buzilgan reaktorlar haligacha boshimiz uzra uchib yuribdi, ammo orbitaviy aylanish davriyligini hisobga olsak, kelajakdagi “fazoviy tozalovchi”lar reaktorlarning atmosferaga tushib, yonib ketishidan oldin ularga yetib boradi va foydali mahsulotlarni ajratib, ularni demontaj qiladi.

Trosdan generator

Yerning magnit maydoni allaqachon fazoviy kemalarni yoʻnaltirish tizimlarida qoʻllanmoqda, ammo boshqa usulni qoʻllashga umid bor. Agar biror uzun trosni olsangiz, qurilmani tormozlash orqali elektr energiyasini ishlab chiqarish yoki tros orqali oqim oʻtkazish bilan tezlashtirish mumkin.

Hozircha fazoviy chiqindilar miqdorini kamaytirish uchun troslar bilan fazoviy transport vositalarini sekinlashtirish gʻoyasi keng muhokama qilinmoqda. Ammo uzoq vaqt davomida boʻlmasa ham sunʼiy yoʻldoshni shu tarzda quvvat bilan taʼminlash texnik jihatdan imkonli ishdir.

Fazoviy kemalarning elektr taʼminoti tizimlari faol ravishda takomillashtirilmoqda. Quyosh panellari va batareyalar samaraliroq boʻlib bormoqda va fazoviy yadro reaktorlari ustida ishlarning qayta tiklanishi kuchli, yangi elektr manbalarining paydo boʻlishiga umid bermoqda.

Muallif: Olga Dobrovidova. Ushbu maqola nplus1.ru saytidagi “Энергетика в космосе. Как заряжают корабли и спутники” nomli maqolaning tarjimasi.
Muqova surat: freepik.com