Игорь Бубнов - Обитаемые космические станции
Значительно лучшие характеристики дает другой немашинный способ генерирования электроэнергии — термоэлектронный. Принцип работы ядерной энергосистемы с таким генератором показан на рис. 36. Катод получает постоянный приток тепла от ядерного реактора, анод же отдает тепло во внешнюю среду с помощью радиационного излучателя. Нагретый до высокой температуры катод эмитирует, т. е. излучает электроны, которые попадают на холодный анод. Таким образом, возникает э.д.с., т. е. разность потенциалов. Пространство между анодом и катодом представляет собой глубокий вакуум. Подобное устройство напоминает простейшую электpоннyю лампу — диод.
Рис. 36. Схема термоэлектронного генератора: 1 — горячий катод; 2 — холодный анод
В таком генераторе параметры тока также зависят от максимальной температуры катода. К.п.д. термоэлектронного устройства может достигать довольно больших величин. Так, при температуре, катода 1250 °C и анода 550 °C был получен к.п.д. преобразования, равный 13 %. Считается, что к.п.д., равный 30 %, далеко не предел для термоэлектронных генераторов. Удельный вес таких преобразователей оценивается в 50-100 кг/квт без защиты, но в будущем предполагается получить 10 кг/квт, что позволит успешно применить термоэлектронные установки для энергоснабжения ОКС.
Хорошие весовые данные можно получить и от солнечной энергоустановки с термоэлектронным преобразователем, а также от установки, работающей на химическом топливе.
В настоящее время в зарубежной печати появляются сообщения о разработке принципиально новых, еще более эффективных бестурбинных электросистем с высоким к.п.д., например магнитогидродинамического генератора с к. п. д. 60 % и выше при относительно небольшом удельном весе.
Кроме немашинных схем получения электроэнергия, которые основаны на преобразовании тепловой энергии, существует еще один довольно перспективный способ получения небольших мощностей тока, основанный на применении так называемого топливного элемента, который является непосредственным преобразователем химической энергии в электрическую. В этом отношении данный способ во многом напоминает действие аккумулятора. Устройство топливного элемента схематически показано на рис. 37. Через емкость, заполненную электролитом, например раствором едкого калия, проходят электроды — полые стержни из специального пористого материала, например графита.
Рис. 37. Схема топливного элемента: 1 — пористые графитовые трубки; 2 — электролит
Через внутренние полости электродов под давлением пропускаются газы — водород и кислород. Диффундируя через пористую поверхность, они вступают в контакт с электролитом. На водородном электроде в результате химической реакции освобождаются электроны, которые по внешней электрической цепи поступают на кислородный электрод. Движущиеся между электродами ионы замыкают цепь, причем образующаяся в результате химической реакции вода уходит через полый электрод вместе со струей водорода.
Топливные элементы могут дать очень высокий к.п.д. — до 80 % (теоретически до 100 %) при мощности в несколько киловатт. Удельная мощность и расходы газов через топливный элемент зависят от температуры электролита и давления газов. Расход газообразного водорода через один элемент с напряжением 0,8 в — около 1100 л/час на каждый киловатт мощности. Удельный вес топливных элементов при мощности 1 квт оценивается в 30–60 кг/квт [32].
Как видим, в качестве основных рабочих компонентов для топливного элемента (а также для рассмотренных ранее химических источников энергии) применяются водород и кислород. Транспортировать эти газы в жидком состоянии на орбиту и хранить их на борту ОКС — весьма сложная задача. Но в этом и нет необходимости. Существует целый ряд способов получения газообразных водорода и кислорода непосредственно на орбите из различных «полуфабрикатов», транспортировка и хранение которых не представляют трудностей и не требуют очень больших емкостей. Водород, например, можно получать из воды разложением ее с помощью гидрида кальция или гидрида лития, а также разложением аммиака или углеводородов с помощью катализаторов. Очень выгодно получать сразу оба компонента — и кислород, и водород. Как известно, если воду подвергать фотоэлектролизу, то она будет разлагаться, выделяя газообразный водород и кислород. Этот способ очень удобен для применения на ОКС, так как солнечных лучей, ультрафиолетовая часть спектра которых служит отличным средством электролиза, на орбите вполне достаточно. При этом запасы воды на борту ОКС практически не расходуются, так как в результате реакции в топливном элементе снова образуется вода. Чувствительность исходного продукта — воды — к ультрафиолетовым лучам Солнца может быть повышена более чем в 10 раз специальными светочувствительными добавками — сенсибилизаторами.
ЧТО ЖЕ ЛУЧШЕ?
Мы рассмотрели несколько способов получения электроэнергии, которые могут найти применение для космической станции. В табл. 4[31, 32] приведены некоторые параметры различных источников тока. Разумеется, приведенные цифры нельзя считать окончательными, так как известно еще слишком мало успешно работающих конструкций космических электростанций.
Таблица 4
Табл. 4 свидетельствует о преимуществах ядерных и солнечных тепловых установок перед остальными, особенно в отношении максимальной мощности и ресурса, что прежде всего важно для применения на ОКС.
Если недостатками ядерных систем являются потребность в защите и эксплуатационные трудности, то недостатками солнечных систем являются необходимость развертывания в космосе огромных солнечных рефлекторов, сложность их постоянной ориентации на Солнце с высокой точностью, а также неэффективность работы в неосвещенной части орбиты. Кроме того, длительное воздействие потока микрометеоров на зеркальное покрытие рефлектора приведет со временем к ухудшению свойств отражающей поверхности.
Такой показатель, как удельный вес, сам по себе еще не определяет пригодности системы для данного летательного аппарата. Зато очень важны такие показатели, как надежность и стабильность работы.
С точки зрения надежности несомненные преимущества имеют немашинные генераторы электроэнергии — у них нет вращающихся в тяжелых температурных условиях узлов, каким является турбина. Они хороши для небольших энергоустановок длительного действия. Из немашинных способов наиболее перспективен с точки зрения весовой отдачи термоэлектронный источник, но он требует более высоких температур и сложен в конструктивном отношении.
Для малых мощностей очень перспективны радиоактивные изотопы и топливные элементы.
Применение электролиза воды под действием солнечных лучей может выдвинуть топливные элементы в ряд самых перспективных источников тока для небольших ОКС.
ОТ ПРОБЛЕМ К ПРОЕКТАМ
В 1903 г. К.Э.Циолковский предложил начать непосредственное освоение космоса с создания «эфирного поселения», т. е. околоземной обитаемой станции, на орбите высотой 1000–2000 км. По существу это была первая попытка проектирования орбитального корабля.
Циолковский поставил и решил целый ряд технических задач по созданию ОКС. Большинство идей Циолковского отличается оригинальностью и смелостью решения и, несмотря на низкий уровень техники того времени, сохраняет свое значение до сих пор. Например, для регулирования температуры в помещении космического аппарата Циолковский предложил систему, состоящую из специальных жалюзи, имеющих с одной стороны хорошо отражающую блестящую поверхность, а с другой — темную, хорошо поглощающую солнечные лучи. Изменением излучающей способности теневой стенки и отражающих (поглощающих) свойств стенки, обращенной к Солнцу, можно регулировать температуру внутри герметической кабины. Циолковский предложил замкнутую систему обмена веществ, которую предполагал осуществить с помощью специальных растений, выращиваемых на космическом корабле и дающих плоды для питания. Эти растения должны поглощать углекислый газ и производить кислород. Для создания небольшой искусственной тяжести — Циолковский считал, что полная, земная, она и не нужна в космосе, — станция будет вращаться с определенной угловой скоростью. Для работы вне станции им были предусмотрены специальные скафандры с запасом сжатого кислорода. Источником энергии на орбитальном корабле, по мнению Циолковского, должно быть Солнце.
ПЕРВЫЕ ПРОЕКТЫ ОКС
С 20-х годов идеи Циолковского получили широкое распространение на Западе, особенно в Германии.
