Планы по освоению дальнего космоса
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и другие космические агентства нацелены на Марс, Венеру и другие объекты в глубоком космосе. Для этого необходимы надёжные системы энергоснабжения, которые будут обеспечивать достаточное количество энергии для приборов и двигательных систем космических аппаратов, сокращая таким образом общее время перелёта.
Радиоизотопные системы энергоснабжения
С этой целью NASA рассматривает возможность использования радиоизотопных систем энергоснабжения (RPS), которые используются агентством уже более 60 лет. Наиболее свежие примеры — марсоходы Curiosity и Perseverance, а также предстоящая миссия Dragonfly, предназначенная для Титана.
Альтернативный источник тепла
Исторически для RPS использовался плутоний-238 в качестве источника тепла, который генерирует тепло за счёт медленного радиоактивного распада. Однако NASA сталкивается с потенциальным дефицитом этого изотопа, поскольку Министерство энергетики США (DoE) прекратило его производство после окончания Холодной войны, а запасы истощаются.
Для решения этой проблемы Отделение тепловой энергетики Исследовательского центра Гленна NASA и Университет Лестера совместно исследуют возможность использования америция-241 в качестве альтернативного источника тепла. Этот элемент может стать дополнительным источником тепла для RPS, обеспечивая энергией будущие длительные миссии к объектам, находящимся далеко за пределами системы Земля — Луна.
Исследования в Университете Лестера
Более 15 лет исследователи из Университета Лестера являются лидерами в разработке RPS на основе америция и нагревательных блоков. С момента достижения соглашения в январе эти исследователи работают с учёными NASA над оценкой возможностей испытательного стенда генератора Стирлинга, работающего на двух электрически нагреваемых симуляторах америция-241.
Университет Лестера предоставил нагревательные блоки и корпус генератора, в то время как Исследовательская лаборатория Стирлинга в NASA Glenn предоставила испытательную станцию, аппаратуру Стирлинга и вспомогательное оборудование.
Ханна Сарджент, научный сотрудник Университета Лестера, сказала: «Особенностью этой конструкции является то, что она способна выдержать выход из строя преобразователя Стирлинга без потери электроэнергии. Эта функция была успешно продемонстрирована в ходе испытаний и подчёркивает надёжность и безотказность генератора Стирлинга на основе америция-радиоизотопа для потенциальных будущих космических полётов, включая длительные миссии, которые могут работать в течение многих десятилетий».
Успешные испытания
Эти испытания достигли поставленных целей по производительности и эффективности, продемонстрировав, что RPS на основе америция может стать жизнеспособным источником энергии для будущих миссий.
Китай также планирует отправить пилотируемые миссии на Луну к 2030 году и на Марс в следующем десятилетии. С этой целью они также разрабатывают двигатели Стирлинга для ядерных систем энергоснабжения, чтобы удовлетворить энергетические потребности длительных миссий.
Недавно группа китайских учёных создала аналитическую модель для оценки конструкции и производительности системы энергоснабжения космического ядерного реактора (SNRPS) с двигателем Стирлинга. В 2023 году экипаж корабля «Шэньчжоу-15» провёл первые в стране испытания термоэлектрического преобразователя Стирлинга на борту космической станции «Тангонг».
Будущие шаги
Команда NASA Glenn работает над следующей версией испытательного стенда, который будет легче и точнее, и подвергает его испытаниям в различных условиях. Сальватор Орити, инженер-механик в NASA Glenn, сказал: «Концепция началась как просто дизайн, и мы довели её до уровня прототипа, близкого к лётной версии генератора. Ещё более впечатляет то, как быстро и недорого мы это сделали, что стало возможным благодаря отличной синергии между командами NASA и Университета Лестера».