Skąd ta energia?

Zastanawialiście się kiedyś, skąd astronauci mają prąd bez żadnej elektrowni w pobliżu? Jak zapewnić ciągłość energii oraz dlaczego baterie nie są idealnym rozwiązaniem w kosmosie? Postaram się to wyjaśnić.

Ludzkość lata w kosmos już od ponad 60 lat. Każda misja wymaga określonego oprzyrządowania oraz zasobów. Jednym z nich jest energia elektryczna. Na Ziemi większość z nas jest podłączona do sieci energetycznej, jednak może być z tym niemały problem w kosmosie. Z tego względu wszystko, co wysyłamy na orbitę lub dalej, potrzebuje własnego systemu pozyskiwania energii. Jak dotąd, opracowano wiele rozwiązań, a kilka innych jest w trakcie rozwoju.

Fizyczne aspekty

Zacznijmy od tego, co to w ogóle znaczy “mieć” energię. Prawa fizyki mówią nam, że energii nie da się tak po prostu pozyskać z próżni (oprócz dziwnych przypadków fizyki kwantowej). Energia może być jedynie w pewien sposób zebrana lub zgromadzona. Rozróżniamy kilka rodzajów energii: chemiczna, potencjalna grawitacji, czy na przykład jądrowa. Mimo że wszystkie to w pewnym sensie to samo, niektóre z nich łatwiej nam gromadzić i przechowywać. Dla ludzi najbardziej użyteczna jest energia elektryczna, bo można ją zastosować bezpośrednio do zasilenia otaczających nas urządzeń. W jaki więc sposób możemy pozyskać lub zmagazynować tę energię?

Baterie

Baterie zasilające kosmiczny Teleskop Hubble’a.

Za pierwszy przykład niech posłuży pilot do telewizora. Zwykłe baterie, a właściwie baterie ogniw galwanicznych. To małe pojemniki z określonymi substancjami chemicznymi, które wskutek zachodzących reakcji utleniania i redukcji (w skrócie redoks) wytwarzają potencjał elektryczny. Reakcje te można utożsamiać z odrywaniem lub przyłączaniem elektronów do atomu. Różnica potencjałów uzyskanych z tych reakcji daje nam napięcia na stykach baterii, a to umożliwia przepływ prądu elektrycznego. Każdy pierwiastek czy związek chemiczny cechuje się różnymi wartościami tych potencjałów i można uzyskać sporo różnych napięć. Najczęściej spotykane to popularne paluszki AA o napięciu 1,5 V, ale równie często spotykamy baterie typu 18650 z napięciem 3,7 V. Chcąc uzyskać większe napięcie, musimy połączyć szeregowo wiele takich pojedynczych ogniw. Napięcia można bowiem sumować. Zazwyczaj taka bateria działa na zasadzie trzech warstw. Dwie odpowiedzialne są za redoks, natomiast między nimi często znajduje się elektrolit przewodzący tylko w jedną stronę (jony o określonym ładunku). Podobne wykorzystanie tej energii występuje w ogniwach paliwowych. Tu też występują reakcje redoksu, natomiast ładunki wytworzone podczas połowy tych przemian są wyłapywane przez polimerową błonę, a stąd bezpośrednio zamieniane na napięcie. Główna różnica między nimi polega na tym, że ogniwa galwaniczne są raczej łączone na stałe, a do paliwowych w celu uzyskania energii należy dostarczać oczywiście paliwa, na przykład wodoru i tlenu. Energia, która normalnie przekształciłaby się w temperaturę, tutaj może być ponownie wykorzystana.

Energia atomu

Kolejnymi zjawiskami, które pozwalają na pozyskać energię, są rozpady promieniotwórcze. Znane nam rozpady alfa i beta mogą propagować się w przestrzeni lub możemy wykorzystać ich energię kinetyczną do podniesienia temperatury. Rozróżniamy dwa przypadki: albo nie wtrącamy się w naturę i tylko czekamy na samorzutny rozpad pierwiastków, albo doprowadzamy do reakcji łańcuchowej. W pierwszym przypadku najczęściej stosuje się izotopy, dobierając je pod względem rodzaju emitowanego promieniowania, czasu połowicznego rozpadu oraz mocy, którą możemy pozyskać. Pierwiastki, które stosujemy w tego typu rozwiązaniach, to zazwyczaj uran, pluton, tor, polon i inne. W przemyśle kosmicznym najchętniej wykorzystuje się pluton 238, ponieważ rozpada się on, emitując cząstkę alfa. Właśnie ten typ promieniowania jest najłatwiejszy w użytku.

W większości naziemnych reaktorów jądrowych wykorzystuje się jednak zjawisko rozszczepienia jądra. W przypadku ciężkich izotopów, takich jak uran 235, łatwo nam je wykorzystać do pobudzenia innych jąder. Taki atom, rozpadając się, emituje neutron, który może zostać zaabsorbowany przez inny pobliski atom. Jednak uran 236, czyli z przyłączonym neutronem, nie jest aż tak stabilny i rozpada się niemal błyskawicznie po absorpcji. Rozpad ten pociąga za sobą produkcję dwóch lżejszych pierwiastków, jak na przykład krypton i bar oraz paru neutronów, które znowu wchodzą w cykl. Reakcję taką można regulować za pomocą wyłapywania neutronów przez pręty grafitowe. Energią uzyskaną z tych przemian podgrzewamy wodę, a ta paruje i napędza ogromne turbiny.

Wykres średniej energii wiązania na nukleon w zależności od liczby nukleonów.

Ostatni sposób, w którym korzystamy z energii wiązań w jądrze atomowym, to fuzja. Wykorzystujemy ją jedynie w przypadku lekkich pierwiastków takich jak wodór czy hel. Okazuje się, że hel uzyskany z paru protonów i neutronów ma mniejszą masę od sumarycznej masy substratów. Reszta tej „utraconej” masy została zamieniona w energię, jak opisał to Einstein słynnym wzorem E = mc2. Zjawisko to nazywamy deficytem masy i jest ono cechą wspólną przemian jądrowych. Ilustruje to wykres energii wiązania przypadającej na nukleon. Możemy z niego wyczytać, że pierwiastki lżejsze od żelaza będą oddawać energię podczas fuzji, natomiast cięższe podczas rozpadu.

Przed chwilą powiedzieliśmy sobie, w jaki sposób energia termiczna jest wykorzystywana przez elektrownie, jednak w kosmosie raczej nie spotkamy tego rozwiązania. Korzystamy z innego zjawiska – efektu Seebecka. Polega on na tym, że przewodnik, którego końce umieścimy w różnych temperaturach, wytworzy pewne określone napięcie. Zależy ono przede wszystkim od różnicy temperatur oraz współczynnika charakteryzującego dany materiał. Sprawność tego procesu nie jest oszałamiająca, wynosi bowiem zaledwie od 5 do 7 %, ale mając wiele takich urządzeń, o wdzięcznej nazwie termopara, jesteśmy w stanie zyskać sensowną ilość energii. Jeżeli będziemy przy tym używać półprzewodników, efekty będą jeszcze lepsze.

Zaprzęgnąć Słońce

Ostatnie istotne zjawisko wykorzystywane do pozyskiwania energii to efekt fotoeletryczny wewnętrzny, czyli wszystko, co związane z panelami słonecznymi. Na Ziemi wykorzystujemy dwa rodzaje paneli słonecznych: wodne i fotowoltaiczne. Pierwsze z nich wcale nie powodują wytworzenia napięcia, tylko służą do podgrzewania wody. Te drugie, bardziej interesujące, korzystają ze specjalnego układu na styku dwóch półprzewodników typu „n” oraz „p”. W obu tych materiałach możemy wyróżnić nośniki oddziaływań. W jednym to elektrony, w drugich dziury elektronowe, czyli braki elektronów, które zachowują się jak cząstka pozytywnie naładowana. Jeśli na takie połączenie nakierujemy światło o dostatecznie dużej energii, wytworzy się napięcie elektryczne.

Praktyka

Wszystkie te sposoby to jedynie teoretyczne modele zjawisk fizycznych. Jak wygląda jednak ich zastosowanie w praktyce? Zacznijmy od baterii, czyli energii chemicznej. Już pierwszy sztuczny satelita, Sputnik, korzystał z ogniw galwanicznych. Od tego czasu stały się nierozłączną częścią każdej misji kosmicznej. W porównaniu do innych źródeł baterie są bardzo tanie. Budowa statku kosmicznego pochłania mnóstwo pieniędzy, więc twórcy oszczędzają jak tylko można. Minusem jest jednak to, że baterie magazynują stosunkowo mało energii. Gęstość energii baterii w porównaniu do energii jądrowej wypada bardzo słabo.

Schemat radioizotopowego generatora termoelektrycznego (RTG) NASA.

Standardowym sposobem na użycie rozpadu jądrowego, jest zgromadzenie pobranej z niego energii i wykorzystanie wypromieniowanych cząstek do podwyższenia temperatury danego materiału. Takie zapasy radioaktywnego izotopu są otaczane setkami termopar, a te kawałkiem blachy służącym za radiator. Dzięki temu mamy zapewnioną różnicę temperatur potrzebną do działania termopary. Takie generatory były używane już od dawna na przykład w sondach Voyager, misjach Apollo i wielu innych. Ten sam można dostrzec w filmie p.t. Marsjanin (2015, reż. Ridley Scott). Okres połowicznego rozpadu pierwiastków użytych w tych generatorach wynosi zazwyczaj kilkadziesiąt lat, więc Voyagery wciąż mogą wykorzystać połowę początkowej mocy.

Schemat modułu GPHS.

W kosmosie od roku 1965 nie pojawił się reaktor opierający się na rozszczepieniu jąder. W 2018 roku NASA prowadziła jednak badania nad projektami Kilopower oraz KRUSTy. Pierwszy zawiera się w drugim. W ich ramach prowadzi się rozwój technologii silników Stirlinga, które miałyby zastąpić tradycyjną parę wodną i turbiny. Od wielu lat takie reaktory mogłyby trafić poza Ziemię, a docelowo będą one służyć zarówno na innych ciałach niebieskich, takich jak Księżyc czy Mars, a także podczas lotu. Silniki Stirlinga również próbuje się wykorzystać w generatorach radioizotopowych, w celu zwiększenia sprawności.

Ostatnim, ale jednym z najpowszechniejszych źródeł prądu są panele fotowoltaiczne. Omówiliśmy już zasadę ich działania, teraz parę technicznych detali. Są one praktycznie na każdej satelicie okrążającej Ziemię, jednak mają swoje ograniczenia. Po pierwsze ich moc zależy od odległości od Słońca. Im dalej, tym mniejszą moc uzyskamy. Najdalszy obiekt korzystający z tej technologii jest obecnie na orbicie Jowisza. Możemy policzyć, że moc w pobliżu orbity Ziemi jest około 27 razy większa od tej uzyskanej koło Gazowego Giganta (strumień maleje z kwadratem odległości). Z tego powodu wszystkie misje, które celują dalej, nie korzystają z paneli – byłyby one jedynie utrudnieniem. Wraz z liczbą paneli rośnie bowiem koszt oraz masa wynoszona poza Ziemię.

Prototypowy reaktor jądrowy projektu Kilopower.

Jeśli chodzi o reaktory fuzyjne, to jeszcze przyjdzie nam na nie poczekać. Mamy problem z utrzymaniem wydajności tego procesu tu na Ziemi, a co dopiero w kosmosie. Koniec budowy reaktora ITER przewiduje się na około 2025 rok, a komercyjny użytek przyjdzie jeszcze później. W najbliższej przyszłości raczej nie zaznamy korzyści tej technologii.

Podsumowując, wybierając się w kosmos, należy rozpatrzeć wiele czynników związanych z pozyskiwaniem energii. Ważny jest koszt, ilość, trwałość, czas dawania tej energii, moc i wiele innych. Znalezienie odpowiedniego rozwiązania nie jest proste, lecz po krótkiej analizie można znaleźć przynajmniej ogólne odpowiedzi.

Autor

Michał Stefanik