Секретный космический самолет выведет уникальный солнечный эксперимент на орбиту
AstroNews.ru - 15 Мая 2020 14:25:04
Ожидается, что ВВС США запустят свой секретный космический самолет X-37B для длительной миссии на низкой околоземной орбите. Роботизированный орбитальный аппарат выглядит как уменьшенная версия космического челнока. Он провел почти восемь из последних 10 лет в космосе, проводя секретные эксперименты для военных. Почти ничего не известно о том, что там делает X-37B, но перед своим шестым запуском ВВС представили некоторые редкие подробности о его грузе.
В дополнение к своему обычному набору секретных военных технологий, X-37B также проведет несколько несекретных экспериментов во время своего предстоящего пребывания в космосе. НАСА направляет два эксперимента для изучения воздействия радиации на семена, а Военно-воздушная академия США использует космический самолет для развертывания небольшого исследовательского спутника. Но настоящей звездой программы является небольшая солнечная панель, разработанная физиками из Военно-морской исследовательской лаборатории, которая будет использоваться для проведения первого орбитального эксперимента с космической солнечной энергией.
«Это серьезный шаг вперед», - говорит Пол Джаффе, инженер-электроник в Военно-морской исследовательской лаборатории и ведущий исследователь проекта. «Это первый раз, когда компонент предназначенный для спутниковой системы, работающей на солнечной энергии, будет испытываться на орбите».
Космическая солнечная энергия - это передача солнечной энергии на Землю независимо от погоды или времени суток. Основная идея состоит в том, чтобы преобразовать энергию солнца в микроволны и направить ее вниз. В отличие от наземных солнечных панелей, спутники на достаточно высокой орбите могут находиться в темноте только в течение нескольких минут в день. Если бы эта энергия могла быть захвачена, она могла бы обеспечить неиссякаемый источник энергии, независимо от того, где вы находитесь на планете.
Это идея, выдуманная писателем-фантастом Айзеком Азимовым в 1940-х годах. С тех пор эксперименты с лучевой энергией были успешно проверены на Земле несколько раз. Но эксперимент на X-37B будет первым, когда основные технологии, лежащие в основе микроволновой солнечной энергии, будут испытаны на орбите.
«Наука о микроволновом излучении энергии полностью понята; именно инженерные проблемы, связанные с масштабированием известных технологий до размеров, никогда ранее не встречавшихся на орбите, должны развиваться», - говорит Ян Кэш, директор International Electric Company Limited, которая разрабатывает космическую солнечную платформу под названием CASSIOPeiA. «Но каждое начинание должно начинаться с первого шага».
Эксперимент, построенный Джаффе и его коллегами из NRL, - это то, что он называет «сэндвич»-модулем. Это трехуровневая система для преобразования солнечного света в электричество, а затем преобразования электричества в микроволны. Обычно система преобразования находится между высокоэффективной солнечной панелью и антенной, которая используется для передачи энергии. Но в этой миссии Джаффе и его коллеги не будут излучать энергию из космоса на Землю, потому что радиосигнал будет мешать другим экспериментам на орбите. Вместо этого сэндвич-модуль будет отправлять радиосигналы по кабелю, чтобы исследователи из NRL могли изучить выходную мощность системы.
Весь эксперимент NRL может поместиться в коробке для пиццы и не даст достаточно энергии даже для питания лампочки. Но Джаффе говорит, что эксперимент является критически важным шагом на пути к свободному космическому спутнику. «Было много работы по изучению и анализу, и гораздо меньше работы по фактическому прототипированию», - говорит Джаффе. «Это не обязательно самая изысканная версия того, что может быть достигнуто, но главной целью было подняться в космос с доказательством этой концепции».
Джаффе более 10 лет работал над космической солнечной энергией в NRL и впервые представил свой прототип сэндвич-модуля в 2014 году. Этот проект должен был решить ряд задач, которые преследовали космические исследования солнечной энергии в течение многих лет. Одна из самых больших проблем состоит в том, что солнечные панели на орбите должны быть массивными, чтобы собирать достаточно солнечного света, чтобы быть полезным для применений на Земле. Даже если бы эти структуры могли быть построены в принципе, они были бы невероятно дорогими и сложными для запуска.
«Было бы слишком большим и громоздким делом запускать эту законченную систему», - говорит Крис ДеПума, инженер электроники NRL и руководитель программы эксперимента. «Сэндвич-модуль - это способ уменьшения массы и модульности системы, чтобы ее можно было собрать на орбите». Но прежде чем роботы начнут строить гигантские солнечные фермы в космосе, есть ряд фундаментальных проблем с самими панелями, которые необходимо решить.
Джаффе говорит, что одной из самых сложных задач является управление температурой. В космосе солнечная панель, обращенная к солнцу, может достигать температуры до 150 градусов по Цельсию, в то время как электроника, направленная в сторону от нее, должна работать при температуре на несколько градусов выше абсолютного нуля. Эта электроника находится всего в нескольких сантиметрах друг от друга, поэтому Джаффе и его коллегам пришлось выяснить, как приспособиться к обеим крайностям. Джаффе говорит, что в основном это связано с заменой материалов и изменением конструкции модуля, чтобы солнечная панель была изолирована от электроники, которая работает лучше при более низких температурах. Предстоящая миссия X-37B подвергнет испытаниям эту версию сэндвич-модуля.
Полет на секретном космическом самолете ВВС сопровождался некоторыми компромиссами. Если бы такой эксперимент проводился на спутнике, он был бы размещен на орбите, где почти всегда был бы доступен солнечный свет. Но X-37B будет летать по низкой околоземной орбите, что означает, что он будет проходить сквозь тень планеты примерно каждые 90 минут. Тем не менее преимущества этого полета на космическом самолете стоят компромиссов. «Нам нужно больше сосредоточиться на нашем эксперименте, а не на разработке двигательной установки и всего остального, что есть у спутника», - говорит он. «Аппарата будет просто собирать наши данные и отправлять их нам в виде результатов».
Если все пойдет хорошо, говорит Джаффе, то следующим шагом будет разработка экспериментального космического спутника по приему солнечной энергии и передаче энергии с орбиты на Землю. Он признал, что для этого потребуется убедить Министерство обороны в том, что время и деньги стоят усилий. Но военные явно заинтересованы в технологиях. В октябре прошлого года Исследовательская лаборатория ВВС объявила о программе стоимостью 100 миллионов долларов для разработки оборудования для спутника на солнечной энергии.
Джаффе видит использование космической солнечной энергии, первоначально позволяющую использовать ее для беспилотников, которые никогда не должны приземляться, или для круглосуточного питания удаленных военных баз. Но он видит и еще большие вещи для этой технологии. «Космическая солнечная энергетика решает самую большую проблему масштабирования существующих наземных возобновляемых источников энергии, а именно хранения», - говорит он. «При значительном сокращении затрат, которое даст космический запуск многоразового использования, космическая солнечная энергия вполне может стать самым дешевым источником непрерывной безуглеродной энергии».
Джаффе любит сравнивать космическую концепцию солнечной энергии с GPS. Если бы вы сказали кому-то несколько десятилетий назад, что сеть спутников, загруженных атомными часами, станет опорой современного общества, они бы подумали, что вы сошли с ума. Но сегодня GPS делает все, от услуг совместного использования до ядерных боеголовок. Фактически, многие из его наиболее важных приложений даже не проектировались, когда был запущен первый спутник GPS. Джаффе полагает, что то же самое может оказаться верным для космической солнечной энергии. Передача солнечной энергии из космоса на Землю звучит экстравагантно, эзотерически и невозможно - пока это не так.