Дармовая энергия: почему солнечные батареи не подходят для полетов на Марс

Когда в середине ХХ века футурологи и фантасты описывали грядущее стремительное освоение космоса, они почти не обсуждали технические проблемы, которые могут при этом возникнуть.

В частности, совсем забыли об энергетике. Но, как показала практика, именно отсутствие достаточно мощных генераторов энергии по сей день сдерживает развитие космонавтики.

Любой работающий механизм нуждается в энергии. Как ее получить в космосе? Ответ был известен еще в начале ХХ века. Пространство пронизано солнечным светом, и рациональнее всего использовать его дармовую энергию.

К примеру, калужский основоположник теоретической космонавтики Константин Циолковский утверждал, что солнечный свет в будущем станет источником, который удовлетворит все потребности человечества как на Земле, так и вне ее.

По аналогии с паровыми машинами он предложил устанавливать на орбитальных станциях котлы, вода внутри которых будет разогреваться сфокусированными лучами до состояния пара, вращающего затем турбину.

Однако, чтобы паровая машина продолжала работать, а не разрушилась от перегрева, в конце цикла пар нужно снова охлаждать. На Земле избыточное тепло забирает окружающая среда путем конвекции, но в пустоте конвекции нет.

Циолковский полагал, что проблему можно решить, разместив часть паровой машины в тени, то есть создать радиатор с прикрывающим щитом, который, нагреваясь, будет излучать тепло в космос.

Понятно, что в такой конструкции есть очевидный изъян: переизлучение солнечного тепла возможно только при относительно низких температурах, что делает космическую паровую машину малоэффективной.

Решение нашли в создании солнечных батарей — фотоэлектрических преобразователей на основе кремниевых элементов, которые сразу превращают солнечный свет в постоянный ток.

Сегодня мы привыкли к тому, что любой спутник, межпланетный аппарат и орбитальная станция снабжены большими раскрывающимися панелями батарей, которые и обеспечивают все системы энергией.

Впрочем, у этой технологии тоже имеются существенные недостатки. Если околоземная орбита спутника проходит через тень планеты, то часть времени он остается без света и должен работать от аккумуляторов.

Если космический аппарат улетает к Марсу или дальше, он получает все меньше и меньше энергии. При этом в обоих случаях солнечные батареи постепенно разрушаются под бомбардировкой заряженными частицами.

На орбите Земли на квадратный метр поверхности от Солнца поступает около 1,4 киловатта. Общая энергия, вырабатываемая четырьмя главными панелями солнечных батарей Международной космической станции, в начале эксплуатации составляла 120 киловатт при площади панелей 1 680 квадратных метров и массе 4,4 тонны. При этом на сборку панелей потребовалось 10 лет.

Выглядит впечатляюще, но, например, для межпланетного корабля с экипажем, который когда-нибудь полетит на Марс, потребуется для поддержания работы всех агрегатов, включая электроракетные двигатели, от 7 до 15 мегаватт энергии — то есть панели с площадью и массой на порядки больше.

Поэтому специалисты говорят, что при планировании дальних полетов от солнечных батарей придется отказаться, заменив их ядерными реакторами.

Антон Первушин