Любой космический аппарат, особенно предназначенный для длительной миссии, должен быть оснащен собственным источником энергии. В настоящее время широко используются солнечные батареи, фотовольтаические элементы и термоэлектрогенераторы. Однако им на смену уже скоро могут прийти наноспутники, оснащенные электродинамическими тросовыми системами.

Покорение глубокого космоса

Отправляясь в дальнее путешествие на машине, одним из важных аспектов будет постоянное слежение за наличием бензина. Конечно, необходимо тщательно просчитать маршрут, но базовая схема такова: как только его количество подходит к концу, нужно сделать остановку у ближайшей заправочной станции, запастись топливом и ехать дальше. До следующей заправки.

Ракеты и космические аппараты в этом ничем не отличаются от автомобилей – им тоже нужно топливо. Но есть одно «но» – заправок в космосе еще никто не построил. Что делать, если аппарат не просто нужно вывести на орбиту Земли, а совершить действительно длительное путешествие, за пределы Солнечной системы?

Сколько стоит отправить посылку в космос?

Если вы когда-нибудь зададитесь такой целью, вариантов решения проблемы на самом деле немного. Во-первых, можно пожертвовать всевозможным оборудованием на борту и отправить в космос действительно большой запас горючего. Скорее, это даже скорее просто будет гигантский летающий резервуар с топливом – настолько много его понадобится.

Сомневаемся, что вам такой способ придется по вкусу – каждый дополнительный килограмм веса при запуске ракеты обойдется вам очень и очень дорого. Если быть точнее, около десяти тысяч евро. Космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», относящиеся к так называемым «deep space probes» – космическим станциям, исследующим глубокий космос – бороздят Солнечную систему уже сорок лет. При всем желании отправить достаточно топлива для столь серьезных миссий у вас никак не получится по элементарным экономическим причинам. Да и о научной пользе от такого запуска говорить не придется, если от оборудования вроде камер, приемников и передатчиков информации придется по максимуму отказаться.

«Что значит, вы не были на Альфе Центавра?»

Технологии дозаправки в космосе действительно существуют, и в целом используются уже достаточно давно. Топливо доставляется на орбитальные космические станции и даже на отдельные спутники, хотя это сделать уже гораздо сложнее. В любом случае, речь идет именно об объектах, которые находятся на орбите Земли. Как только вы собираетесь преодолеть притяжение родной планеты и отправиться в глубокий космос, ни о какой дозаправке не может быть и речи. Космические заправочные станции – все еще удел научной фантастики, в реальности это и технологически и экономически сложно и крайне невыгодно. И клиентов будет немного.

Остается последний, третий вариант, в котором «каждый сам за себя»: вы каким-то образом вырабатываете энергию на борту своего космического аппарата самостоятельно.

Наследие Эйнштейна

На спутниках, находящихся на низких околоземных орбитах, имеющих высоту над поверхностью планеты в диапазоне от 160 км до 2000 км, или на геосинхронных орбитах, когда период обращения спутника вокруг Земли равен суткам, используются солнечные батареи. Их работа основана на фотовольтаическом (его еще называют фотогальваническим) эффекте, за счет которого при попадании света на некоторые вещества вырабатывается электрический ток.

Фотогальванические решетки имеют мощность от 100 ватт до 300 киловатт и являются относительно недорогим источником энергии с минимальными правилами безопасности при использовании.

Вездесущая радиация

Впервые фотовольтаическая энергия была использована 17 марта 1958 года, когда был запущен спутник «Авангард-1» с шестью солнечными панелями на борту. Они проработали более шести лет, вырабатывая 1 ватт мощности. При этом эффективность этих батарей, то есть отношение вырабатываемой энергии к тому количеству, которое в итоге реально может использоваться для питания приборов, была всего 10 %.

Фотогальванические ячейки необходимо устанавливать таким образом, чтобы покрыть максимальную возможную часть поверхности спутника. Требуется постоянно следить за их положением относительно Солнца – желательно всегда оставаться перпендикулярно падающему излучению, поскольку таким образом вырабатываемый ток будет наибольшим.

Также важно рассчитать, чтобы за время нахождения на Солнце спутник успел накопить достаточно энергии: 40-45% от всего времени путешествия по орбите аппарат находится в тени Земли и вырабатывать ток не может. В целом, на эффективность работы батарей влияет множество факторов, таких как зависимость от температуры, расстояние до светила, деградация электроники под действием постоянного излучения – их все необходимо не забывать принимать в рассмотрение при выборе конкретного типа фотовольтаических ячеек.

Тепло нашего Солнца

В космических аппаратах используются два типа приборов, преобразующих тепло в электроэнергию: статические и динамические. В основе статических термоэлектрогенераторов обычно лежит радиоактивный источник. В динамических термоэлектрогенераторах, активно внедряемых в спутниковых системах GPS, используют щелочные электрохимические ячейки.

В основе данного способа получения энергии лежит эффект Зеебека. Он проявляется, когда соединяются два различных материала, при этом еще и находящиеся при разных температурах. Из-за этих разностей возникает поток электронов из более горячего конца к менее горячему – мы получаем электрический ток. Само устройство для получения энергии называется термоэлементом или термопарой.

У эффекта Зеебека существует и обратное явление, эффект Пельтье, в котором при пропускании электрического тока через сплав двух проводников или полупроводников в одну сторону место соединения нагревается, а в другую – охлаждается. Эффект Пельтье используется в космосе для охлаждения электронного оборудования: из-за отсутствия конвекции в вакууме это оказывается довольно проблематичной задачей.

Для использования эффектов Зеебека и Пельтье, разумеется, необходим источник тепла. Для этого специалисты NASA разработали стандартизированный радиоизотопный термоэлектрический генератор, работающий на плутонии-238 с периодом полураспада 87.7 лет. На данный момент 41 подобный генератор используется на 23 космических аппаратах, мощностью от 2 до 300 ватт. Принципиальный минус использования радиоактивных изотопов – возможность загрязнения окружающей среды, если запуск миссии пройдет неудачно.

Когда не работает GPS – во всем виноват SAMTEC

Более эффективными должны стать динамические электрогенераторы. Их главное отличие от статических состоит в способе превращения механической энергии в электрическую. Если в термоэлектрических элементах тепло напрямую превращается в электричество, то в электрохимических концентрационных элементах для этих целей используется энергия расширения паров натрия.

В спутниках GPS нового поколения были внедрены термоэлектрические преобразователи типа Solar AMTEC (solar alkali metal thermal-to electric conversion – преобразователь тепловой энергии солнца в электрическую на основе щелочных металлов), или, сокращенно SAMTEC.

В генераторах SAMTEC приемник солнечной радиации нагревает резервуар с жидким натрием, который испаряется. Пары натрия пропускаются через специальную мембрану, отделяющую газ высокого давления (температурой 800-1000 о С) от газа низкого давления (температурой 200-300 о С). Из-за разницы давления положительно заряженные ионы натрия скапливаются с одной стороны фильтра, а отрицательно заряженные электроны – с другой. Создаваемая разность потенциалов может генерировать электрический ток в подключенной внешней цепи.

Эффективность ячеек SAMTEC составляет 15-40%, при этом срок действия – 10-12 лет без понижения производительности в условиях постоянного облучения в космосе. Вырабатываемая мощность может варьироваться от нескольких ватт до киловатт.

Космические нити

Космический трос – тонкий металлический канат, прикрепленный к орбитальному или суборбитальному космическому аппарату – ракете, спутнику или космической станции. Длина космических тросов варьируется от нескольких метров до десятков километров (мировой рекорд – чуть более 32 километров). Тросы изготавливаются из особо прочных материалов, выдерживающих гигантские нагрузки.

Космические тросовые системы делятся на две категории – механические и электродинамические. Тросы первой категории используются, в частности, для обмена скоростями и соединения различных космических аппаратов между собой для движения как одно целое.

Для электродинамических тросовых систем используются специальные материалы, не только прочные, но и проводящие электрический ток (обычно алюминий или медь). При движении таких тросов в магнитном поле Земли, на свободные заряды в металлах действует электродвижущая сила, создающая электрический ток. Также вклад в данные процесс дают области ионизованного газа с различными плотностями и свойствами, присутствующие в космосе и наличие ионосферы у самой Земли.

Численные симуляции, подтвержденные экспериментально, показали, что для большого спутника электродинамический трос длиной десять километров может вырабатывать среднюю мощность в 1 киловатт с эффективностью превращения энергии 70-80%. Трос такой длины из алюминия будет весить всего 8 килограмм, что ничтожно по сравнению с весом среднего орбитального аппарата.

Нанокорабль

Космические генераторы разрабатываются и изучаются уже многие десятилетия. Они хорошо описаны с теоретический точки зрения, и подвергаются самым экстремальным земным условиям – но при этом развитие «внеземных» источников энергии идет гораздо медленнее, чем их земных собратьев. Удивительным образом, покорение космоса, идущее в авангарде технологий, оказывается весьма и весьма консервативной областью, в которой внедрение новых разработок происходит редко из-за множества рисков и экономических причин.

Однако мы находимся на заре развития совершенно новой области – наноспутников, и даже спутников гораздо меньшего размера. Они могут служить базой для космических тросовых систем и, запуская в космос сразу множество таких устройств, у нас получится вырабатывать гораздо больше электроэнергии. Возможно, именно им предстоит произвести революцию в области генерации энергии в космосе, расширить технологические возможности космических аппаратов и увеличить время их работы.

Это фотоэлектрические преобразователи - полупроводниковые устройства, преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток. Проще говоря, это основные элементы устройства, которое мы называем «солнечными батареями». С помощью таких батарей на космических орбитах работают искусственные спутники Земли. Делают такие батареи у нас в Краснодаре - на заводе «Сатурн». Руководство завода пригласило автора этого блога посмотреть на производственный процесс и рассказать о нем у себя в дневнике.

1. Предприятие в Краснодаре входит в структуру Федерального космического агентства, но владеет «Сатурном» компания «Очаково», которая в буквальном смысле спасла это производство в 90-е годы. Владельцы «Очаково» выкупили контрольный пакет акций, который чуть было не ушел к американцам. «Очаково» вложила сюда большие средства, закупила современное оборудование, сумела удержать специалистов и теперь «Сатурн» - один из двух лидеров на российском рынке производства солнечных и аккумуляторных батарей для нужд космической отрасли - гражданской и военной. Вся прибыль, которую получает «Сатурн», остается здесь, в Краснодаре, и идет на развитие производственной базы.

2. Итак, всё начинается здесь - на участке т.н. газофазной эпитаксии. В этом помещении стоит газовый реактор, в котором на подложке из германия в течение трех часов выращивается кристаллический слой, который будет служить основой для будущего фотоэлемента. Стоимость такой установки - около трех миллионов евро.

3. После этого подложке предстоит пройти еще долгий путь: на обе стороны фотоэлемента нанесут электрические контакты (причем, на рабочей стороне контакт будет иметь «рисунок-гребенку», размеры которой тщательно рассчитываются, чтобы обеспечить максимальное прохождение солнечного света), на подложке появится просветляющее покрытие и т.д. - всего более двух десятков технологических операций на различных установках, прежде чем фотоэлемент станет основой солнечной батареи.

4. Вот, например, установка фотолитографии. Здесь на фотоэлементах формируются «рисунки» электрических контактов. Машина производит все операции автоматически, по заданной программе. Здесь и свет соответствующий, который не вредит светочувствительному слою фотоэлемента - как раньше, в эпоху аналоговой фотографии, мы пользовались «красными» лампами.

5. В вакууме установки напыления с помощью электронного луча наносятся электрические контакты и диэлектрики, а также наносятся просветляющие покрытия (они увеличивают ток, вырабатываемый фотоэлементом на 30%).

6. Ну вот, фотоэлемент готов и можно приступать к сборке солнечной батареи. К поверхности фотоэлемента припаиваются шины, чтобы потом соединить их друг с другом, а на них наклеивается защитное стекло, без которого в космосе, в условиях радиации, фотоэлемент может не выдержать нагрузок. И, хотя толщина стекла всего 0,12 мм, батарея с такими фотоэлементами будет долго работать на орбите (на высоких орбитах больше пятнадцати лет).

6a

6b

7. Электрическое соединение фотоэлементов между собой осуществляется серебряными контактами (их называют шинками) толщиной всего 0,02 мм.

8. Чтобы получить нужное напряжение в сети, вырабатываемое солнечной батареей, фотоэлементы соединяются последовательно. Вот так выглядит секция последовательно соединенных фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей - так правильно).

9. Наконец, солнечная батарея собрана. Здесь показана только часть батареи – панель в формате макета. Таких панелей на спутнике может быть до восьми, в зависимости от того, какая нужна мощность. На современных спутниках связи она достигает 10 кВт. Такие панели будут смонтированы на спутнике, в космосе они раскроются, как крылья и с их помощью мы будем смотреть спутниковое телевидение, пользоваться спутниковым интернетом, навигационными системами (спутники «Глонасс» используют краснодарские солнечные батареи).

9a

10. Когда космический аппарат освещается Солнцем, вырабатываемая солнечной батареей электроэнергия питает системы аппарата, а избыток энергии запасается в аккумуляторной батарее. Когда космический аппарат находится в тени от Земли, аппаратом используется электроэнергия, запасенная в аккумуляторной батарее. Никель-водородная батарея, обладая высокой энергоемкостью (60 Вт ч/кг) и практически неисчерпаемым ресурсом, широко используется на космических аппаратах. Производство таких батарей - еще одна часть работы завода «Сатурн».

На этом снимке сборку никель-водородной аккумуляторной батареи производит кавалер медали ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени Анатолий Дмитриевич Панин.

10a

11. Участок сборки никель-водородных аккумуляторов. Начинка аккумулятора подготавливается к размещению в корпусе. Начинка - это положительные и отрицательные электроды, разделённые сепараторной бумагой - в них и происходит преобразование и накопление энергии.

12. Установка для электронно-лучевой сварки в вакууме с помощью которой изготавливается корпус аккумулятора из тонкого металла.

13. Участок цеха, где корпуса и детали аккумуляторов испытываются на воздействие повышенного давления.
В связи с тем, что накопление энергии в аккумуляторе сопровождается образованием водорода, и давление внутри аккумулятора повышается, испытания на герметичность - неотъемлемая часть процесса изготовления аккумуляторов.

14. Корпус никель-водородного аккумулятора - очень важная деталь всего устройства, работающего в космосе. Корпус рассчитан на давление 60 кг·с/см 2 , при испытаниях разрыв произошел при давлении 148 кг·с/см 2 .

15. Проверенные на прочность аккумуляторы заправляют электролитом и водородом, после чего они готовы к работе.

16. Корпус никель-водородной аккумуляторной батареи изготавливается из специального сплава металлов и должен быть механически прочным, легким и обладать высокой теплопроводностью. Аккумуляторы устанавливаются в ячейки и между собой не соприкасаются.

17. Аккумуляторы и собранные из них батареи подвергаются электрическим испытаниям на установках собственного производства. В космосе уже невозможно будет ничего поправить и заменить, поэтому здесь тщательно испытывают каждое изделие.

17a

17b

18. Вся космическая техника подвергается испытаниям на механические воздействия с помощью вибрационных стендов, которые имитируют нагрузки при выведении космического аппарата на орбиту.

18a

19. В целом завод «Сатурн» произвел самое благоприятное впечатление. Производство хорошо организовано, цеха чистые и светлые, народ работает квалифицированный, общаться с такими специалистами - одно удовольствие и очень интересно человеку, хоть в какой-то степени интересующемуся нашим космосом. Уезжал с «Сатурна» в отличном настроении - всегда приятно посмотреть у нас на место, где не занимаются пустой болтовней и не перекладывают бумажки, а делают настоящее, серьезное дело, успешно конкурируют с такими же производителями в других странах. Побольше бы в России такого.

Фотографии: © drugoi

P.S. Блог вице-президента по маркетингу компании «Очаково»

Изобретение относится к энергетическим системам космических объектов, основанным на прямом преобразовании лучистой энергии Солнца в электричество, и может быть использовано при создании экономичных солнечных батарей большой площади. Сущность: в космической солнечной батарее, содержащей несущий каркас, размещенные на нем фотоэлементы, включающие два проводящих электрода, разделенных зазором, один из которых выполнен светопроницаемым, на внутренней поверхности размещено покрытие из материалов с работой выхода, меньшей работы выхода материала электрода, причем величина зазора не превышает длины свободного пробега фотоэлектронов. 5 ил.

Изобретение относится к энергетическим системам космических объектов, основанным на прямом преобразовании лучистой энергии Солнца в электричество, и может быть использовано при создании космических солнечных батарей (СБ) большой площади. Известны солнечные батареи, содержащие каркас, размещенные на нем фотоэлементы, включающие два проводящих электрода, разделенных зазором, один из которых выполнен светопроницаемым Солнечные батареи на основе полупроводниковых структур различного типа обладают достаточно высоким КПД преобразования солнечной энергии. Недостатками известных СБ, основанных на внутреннем фотоэффекте, являются сложность структуры ФЭП с использованием в ней дефицитных материалов, например арсенида галлия; принципиальная ограниченность снизу толщины ФЭП ввиду многослойной, особенно варизонной, структуры преобразователя с применением подложек,различных оптических и защитных покрытий и вследствие этого относительно большая масса ФЭП, превышающая массу каркаса СБ, выполненного из высокопрочных материалов; чувствительность к воздействию космической среды, в частности к корпускулярным излучениям, что вызывает быструю деградацию рабочих характеристик,снижающую ресурс. В итоге данные недостатки приводят к высокой стоимости электроэнергии, вырабатываемой подобными СБ. Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является выбранная в качестве прототипа космическая солнечная батарея, содержащая несущий каркас, размещенные на нем фотоэлементы, включающие два проводящих электрода, разделенных зазором, один из которых выполнен светопроницаемым В качестве токогенерирующей области, образуемой между поверхностями ФЭП, в такой СБ используется гомо- или гетероструктурный слой (слои), на который нанесены электроды (например,оптический и барьерный) и необходимые покрытия. Токосъемные элементы могут быть выполнены в виде тонких проводящих сеток, образованных на поверхностях электродов. Несущий каркас представляет собой ферменную конструкцию из высокопрочных, например углепластиковых, стержневых элементов, на которую натянут ФЭП в виде гибких панелей на сетчатой подложке, закрепленных на каркасе по периферии. Известная СБ обладает достаточно высоким КПД (практически до 15-20%) и небольшой толщиной гибких панелей СБ (до 100-200 мкм), облегчающей хранение, транспортировку и развертывание СБ в рабочее состояние, например, из рулона. Недостатками известной СБ являются уже отмеченные выше, типичные для полупроводниковых ФЭП. Эти недостатки, в итоге, выражаются в недостаточно высоких удельных энергетических характеристиках (мощность не превышает 0,2 кВт/кг или 0,16 кВт/м 2) и эксплуатационно-технологических характеристиках (значительная за счет ФЭП удельная масса СБ, сложность изготовления, чувствительность к космическим воздействиям и др.), что приводит к повышенной стоимости выработки электроэнергии СБ данного типа. Целью изобретения является повышение удельной электрической мощности на единицу массы при одновременном повышении стойкости к внешним воздействиям в условиях космического пространства. Указанной цель достигается тем, что в космической солнечной батарее, содержащей несущий каркас, размещенные на нем фотоэлементы, включающий два проводящих электрода, разделенных зазором, один из которых выполнен светопроницаемым, на внутренней поверхности одного из электродов размещено покрытие из материала с работой выхода, меньшей работы выхода его материала, причем величина зазора не превышает длины свободного пробега фотоэлектронов. Сущность изобретения состоит в использовании в конструкции предлагаемой СБ в отличие от традиционных принципа внешнего фотоэффекта, при этом один из проводящих электродов выполняет функции фотокатода, из которого фотоэлектроны могут выбиваться преимущественно либо в направлении падающего света с теневой поверхности пленки, либо во встречном направлении с освещенной поверхности пленки. Фотоэлектроны захватываются другой пленкой с проводящим электродом, выполняющей функции анода. Поскольку катодная и анодная пленки выполнены из материалов с различной работой выхода электронов, то при воздействии на СБ светового потока между пленками устанавливается некоторая равновесная разность потенциалов (ЭДС порядка 0,6-0,8 В) при условии, что зазор между пленками меньше длины свободного пробега фотоэлектронов в среде зазора (это условие выполняется для космического вакуума при слабом внешнем магнитном поле). Наиболее существенно то, что проводящие (в том числе металлические) пленки могут быть выполнены гораздо более тонкими, чем полупроводниковые панели СБ порядка 0,5 мкм и менее, так что удельные характеристики предлагаемой СБ оказываются гораздо выше, чем у традиционных СБ. Кроме того, чувствительность электрофизических характеристик предлагаемой СБ к воздействию факторов космической среды (микрометеоритам, корпускулярным излучениям) является значительно более слабой. Производство пленок и сборка из них СБ на несущем каркасе технологически просты, а условия малой гравитации (невесомости) позволяют создавать легкие СБ весьма большой площади, а следовательно, и мощности. Преимущественным вариантом исполнения предлагаемой СБ является конструкция, где каждая из пленок с проводящим электродом выполнена в виде изолированных друг от друга полос, причем полосы разных пленок попарно образуют секции фотоэлектрического преобразователя, объединенные в последовательную цепь, в которой каждая тыльная полоса одной из секций преобразователя электрически связана с ориентируемой к Солнцу полосой соседней секции преобразователя, а токосъемные элементы электрически связаны с тыльной полосой на одном конце цепи и с ориентируемой к Солнцу полосой на противоположном конце цепи. Данная конструкция обладает повышенной технологичностью при построении СБ большой площади. При этом такая конструкция СБ позволяет уменьшить величину тока, протекающего по секциям ФЭП, в расчете на единицу вырабатываемой мощности и тем самым уменьшить толщину пленок, т.е.еще более снизить массу СБ. В предлагаемой СБ на поверхность пленки с проводящим электродом (фотокатода) нанесено покрытие, уменьшающее величину работы выхода электронов из этой пленки. Это можно осуществить, например, путем оксидирования соответствующей металлической (например,алюминиевой) пленки. При расположении анода над фотокатодом первый должен быть светопроницаемым,поэтому в данном варианте предлагаемой СБ проводящая пленка, ориентируемая к Солнцу, может быть выполнена перфорированной или сетчатой структуры с минимально возможным затенением катодной пленки. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема СБ с пленочным фотокатодом, ориентированным к Солнцу; на фиг.2 показана схема СБ с фотокатодом на тыльной поверхности; на фиг.3 показана принципиальная схема СБ с секционированием; на фиг.4 представлена эквивалентная электрическая схема СБ; на фиг.5 представлен вариант конструктивного исполнения СБ. Как показано на фиг.1, СБ содержит размещенные на несущем диэлектрическом каркасе 1 проводящие пленки, одна из которых служит фотоэмиссионным катодом 2, а другая анодом 3. Пленка 2 расположена вдоль поверхности, ориентируемой к солнечному световому потоку 4. Через токосъемные элементы 5 проводящие пленки могут быть подключены к нагрузке 6. По другому варианту исполнения СБ, показанному на фиг.2, фотокатод 2 может располагаться вдоль тыльной поверхности, а анодная пленка 3 выполнена светопроницаемой, в частности перфорированной или изготовленной в виде тонкопроволочной сетки. Материалами электродов могут служить такие металлы, как алюминий, серебро, золото, платина, некоторые сплавы, оксиды щелочных металлов и другие соединения. Различная работа выхода электронов получена для пленок из одного и того же металла за счет оксидирования одной из них или иной поверхностной обработки. Как показано на фиг.3, катодная и анодная пленки могут быть выполнены в виде изолированных друг от друга полос 7 и 8, причем полосы одного типа (анодные) электрически связаны с полосами другого типа (катодными) по контактным стыкам (швам) 9 так, что здесь ФЭП большой площади представляет собой систему (цепь) последовательно связанных электрогенерирующих секций 10 меньших размеров. Каждая секция увеличивает напряжение, подаваемое на нагрузку 6, в соответствии с эквивалентной электрической схемой цепи, показанной на фиг.4. Как показано на фиг.5, конструктивно СБ со схемой по фиг.3 может содержать раскладной или сборный каркас с продольными 11 и поперечными 12 несущими элементами. Фрагменты ФЭП 13 в виде состыкованных разнотипных полос натянуты на каркас с пропусканием их через поперечные элементы 12 и закреплением по кромкам на тех же элементах 12, например, с помощью диэлектрических эластичных полотен (сеток, расчалок и т.п.) 14. Жесткость СБ в развернутом состоянии обеспечивается растяжками 15, стягивающими концы продольных стержневых элементов 11, шарнирно сочлененных в их центральных частях. Функционирование и эксплуатация СБ согласно изобретению осуществляется следующим образом. В космическое пространство выводится либо вся СБ в сложенном виде, либо ее фрагменты, собираемые затем в единую систему. Развернутая в рабочее состояние СБ ориентируется на Солнце одной из своих пленочных поверхностей в зависимости от типа фотокатода (см. фиг.1 и 2). Вследствие возникающей при этом электронной эмиссии в зазоре между пленками появляется электрическое поле, создающее разность потенциалов анодной и катодной пленок, равную разности работ выхода этих пленок. При подключении к СБ через токосъемные элементы 5 некоторой нагрузки 6 в цепи ФЭП возникает электрический ток, обеспечивающий питание нагрузки необходимой электроэнергией. Преимущественная область применения предлагаемых СБ высокие, в частности геостационарные, орбиты, где минимально воздействие атмосферы, магнитного поля планеты и ее гравитационного градиента, что позволяет создавать СБ весьма большой площади, а следовательно, большой мощности. Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения может быть подтверждена следующими оценками. Известно, что КПД энергопреобразования при внешнем фотоэффекте составляет 2-10% Учитывая, что мощность солнечного светового потока у Земли составляет примерно 1,4 кВт/м 2 , электрическая мощность, вырабатываемая единицей поверхности СБ, составит порядка 0,051400 70 Вт/м 2 , если принять КПД 5% Этот показатель заметно хуже, чем у серийных кремниевых СБ, где достигается 110 Вт/м 2 . Однако толщина пленок может быть доведена до 0,5 мкм. Тогда масса 1 м 2 пленки, например, из алюминии составит 110,510 -6 2,710 3 1,3510 -3 кг 1,35 г для толщины 0,5 мкм. Отсюда удельная электрическая мощность (по массе ФЭП) с учетом использования двух пленок составит Для ФЭП с удельной массой 25 10 г/м 2 и каркаса с такой же в среднем удельной массой, т. е. если удельная масса солнечной батареи примерно 20 г/м 2 , удельная электрическая мощность СБ составит Этот основной показатель предлагаемой СБ почти в 20 раз превышает такой же показатель для перспективных полупроводниковых СБ, достигающий 200 Вт/кг, причем для реализации предлагаемой СБ не требуется дефицитных материалов и сложных технологий, поскольку получение очень тонких проводящих пленок является практически освоенным процессом. Стоимость создания предлагаемых СБ следует ожидать на уровне стоимости их выведения на орбиту, а поскольку последняя пропорциональна массе СБ, то выигрыш в стоимости выработки электроэнергии с помощью предлагаемых СБ становится достаточно очевидным. Кроме того, предлагаемые СБ характеризуются более длительным ресурсом и менее жесткими эксплуатационными требованиями. Предлагаемые СБ допускают возможность их эффективного использования в качестве управляющих (солнечно-парусных) органов ориентации и коррекции орбиты космических объектов. Перспективы совершенствования предлагаемых СБ связаны в основном с созданием особо тонких проводящих пленок (менее 0,1 мкм) и сверхлегких несущих каркасов. Соответствующие исследования ведутся в области устройств типа "солнечный парус". Источники информации 1. Колтун М.М. Солнечные элементы. М. Наука, 1987 г. стр.136-154. 2. Грилихес В.А. и др. Солнечная энергия и космические полеты. М. Наука, 1984г. стр.144 (прототип).

В 1945 году были получены данные разведки об использовании в армии США радиопереговорных устройств. Об этом было доложено И.В. Сталину, который незамедлительно организовал выпуск постановления об оснащении Советской армии средствами радиосвязи. Был создан Элементный электро-гальванический институт, впоследствии названный "Квант". За короткое время коллективу института удалось создать широкую серию источников тока, необходимых для средств радиотехнической связи.

Николай Степанович Лидоренко возглавлял Научно-производственное предприятие (НПП) "Квант" с 1950 по 1984 годы.

С 1950 года институт занимался созданием электрогенерирующих систем для проекта "Беркут". Суть проекта состояла в создании системы противоракетной обороны Москвы с использованием зенитных ракет. Н.С. Лидоренко был вызван в Третье главное управление при Совете Министров, и ему было предложено возглавить работы по данной тематике, в то время секретной. Необходимо было создать систему обеспечения электроэнергией зенитной установки и самой ракеты в полете. Использование генерирующих устройств на основе обычных кислотных электролитов в ракете было невозможно. Н.С. Лидоренко поставил задачу проработать источники тока с солевыми (не водосодержащими) электролитами. Соль как электролит упаковывалась в сухом виде. Во время пуска ракеты внутри аккумулятора в нужный момент срабатывал пиропатрон, тепло расплавляло соль, и только после этого вырабатывался электрический ток. Этот принцип был использован в системе С-25.

В 1950 году к Н.С. Лидоренко обратился Сергей Павлович Королев, работавший над ракетой Р-2. Полет многоступенчатой ракеты превращался в сложный технологический процесс. Коллективом, руководимым Н.С. Лидоренко, были создны автономные системы энергообеспечения ракеты Р-2, а впоследствии, и для ракеты следующего поколения Р-5. Требовались источники питания большой мощности: необходимо было обеспечить питанием не только электросхемы самой ракеты, но и ядерные заряды. Для этих целей предполагалось использовать тепловые батареи.

В сентябре 1955 года было начато строительство атомной подводной лодки К-3 "Ленинский комсомол". Это был вынужденный ответ на введение в строй в январе 1955 американской атомной подводной лодки "Наутилус". Одним из самых уязвимых звеньев оказались аккумуляторы. В качестве источников ток Н.С. Лидоренко предложил использовать элементы на основе серебра и цинка. Энергоемкость аккумулятора была увеличена в 5 раз, так что устройства способны были давать порядка 40000 ампер/часов, с 1 млн Дж в пучке. Уже через два года "Ленинский комсомол" вышел на боевое дежурство. Были продемонстрированы надежность и эффективность созданных под руководством Н.С. Лидоренко аккумуляторных устройств, которые оказались в 3 раза мощнее их американского аналога.

Следующим этапом деятельности Н.С. Лидоренко была разработка электрических батарей для торпед. Сложность состояла в необходимости самостоятельных источников питания при малом объеме, однако она была успешно преодолена.

Особое место занимают работы над созданием знаменитой Королёвской "семерки" - ракеты Р-7. Исходным пунктом в проведении масштабных работ по ракетной тематике было Постановление Совета Министров СССР от 13 мая 1946 года, подписанное И.В. Сталиным. В наше время некоторые журналисты тенденциозно пытаются объяснить то внимание, которое уделяло руководство нашей страны космическим проектам, в первую очередь военными интересами. Это далеко не так, о чем свидетельствуют имеющиеся документальные материалы того времени. Хотя, безусловно, бывали и исключения. Так, Н.С. Хрущев несколько раз с недоверием читал докладные записки С.П. Королёва, но вынужден был отнестись к проблеме серьезно только после сообщения Председателя КГБ о неудачном запуске американской ракеты "Ред Стоун", из которого следовало, что американская машина способна вывести на орбиту спутник размером примерно с апельсин. Но для самого Королёва гораздо более существенно было то, что ракета Р-7 способна была лететь в Космос.

4 октября 1957 года был произведен успешный запуск Первого в мире искусственного спутника Земли. Автономная системы энергопитания спутника была разработана Н.С. Лидоренко.

Второй советский спутник был запущен с собакой Лайкой на борту. Системы, созданные под руководством Н.С. Лидоренко, обеспечивали жизнедеятельность на спутнике с множеством источника тока различного назначения и конструкции.

В этот период Н.С. Лидоренко пришел к пониманию возможности использования в то время нового, бесконечного источника питания - Солнечного света. Солнечная энергия преобразовывалась в электрическую с помощью фотоэлементов на основе кремниевых полупроводников. В то время был завершен цикл фундаментальных работ по физике, и были открыты фотоэлементы (фотопреобразователи), работающие по принципу преобразования падающего солнечного фотонного излучения.

Именно этот источник - солнечные батареи - был основным и практически бесконечным источником энергии для третьего Советского искусственного спутника Земли - автоматической орбитальной научной лаборатории, весившей около полутора тонн.

Началась подготовка к первому полету в Космос человека. Бессонные ночи, долгие часы напряженной работы... И вот, настал этот день. Вспоминает Н.С. Лидоренко: "Всего за день до Гагаринского старта, на Совете Главных конструкторов, решается вопрос... Молчат. Королев: "Ну так, еще раз, какое ваше мнение?" Опять зал молчит. "Так я принимаю мочание за знак согласия". Королёв расписывается, и мы все - двенадцать подписей сзади, и полетел Гагарин..."

За месяц до полёта Гагарина - 4 марта 1961 года - в первые в истории был осуществлен перехват боеголовки стратегической ракеты. Источником питания принципиально нового вида техники - противоракеты В-1000 - была батарея, созданная объединением "Квант".

В 1961 году началась также работа над созданием космических аппаратов класса "Зенит" - со сложными системами единого питания из больших блоков, в которые входило от 20 до 50 батарей.

В ответ на событие 12 апреля 1961 года, президент США Джон Кеннеди заявил: "Русские открыли это десятилетие. Мы закроем его". Он сообщил о намерении отправить человека на Луну.

В США всерьез начали думать о размещении оружия в космосе. В начале 60-х американские военные и политики строили планы милитаризации Луны - идеального места для командного пункта и военной ракетной базы. Из слов Стэнли Гарднера, командующего ВВС США: "Через два или три десятилетия Луна по своему экономическому, техническому и военному значению будет иметь в наших глазах не меньше ценности, чем те или иные ключевые районы на Земле, ради обладания которыми происходили основные военные столкновения".

Физик Ж. Алферов провел серию исследований по свойствам гетероструктурных полупродников - рукотворных кристаллов, созданных методом послойного напыления различных компонентов в один атомный слой.

Н.С. Лидоренко принял решение о немедленном внедрении в масштабный эксперимент и технику этой теории. На Советском автоматическом космическом аппарате - Луноходе впервые в мире были установлены солнечные батареи, работающие на арсениде галлия и способные выдерживать высокие температуры свыше 140-150 градусов Цельсия. Батареи были установлены на откидной крышке Лунохода. 17 ноября 1970 года в 7 часов 20 минут по Московскому времени Луноход-1 коснулся поверхности Луны. Из Центра управления полётом поступила команда на включение солнечных батарей. Долгое время от солнечных батарей не было отклика, но затем сигнал прошел, и солнечные батареи прекрасно показали себя за всё время работы аппарата. За первый день Луноход прошел 197 метров, за второй - уже полтора километра.. Через 4 месяца, 12 апреля, возникли трудности: Луноход попал в кратер... В конце концов было принято рискованное решение - закрыть крышку с солнечной батареей и пробиваться вслепую назад. Но риск оправдался.

Коллективом "Кванта" была примерно в это же время решена задача создания прецизионной системы термолигулирования повышенной надёжности, которая допускала отклонения температуры в помещении не более 0,05 градуса. Установка успешно работает в Мавзолее В.И. Ленина уже более 40 лет. Она оказалась востребованной и в ряде других стран.

Важнейшим этапом деятельности Н.С. Лидоренко было создание систем энергообеспечения пилотируемых орбитальных станций. В 1973 году на орбиту была выведена первая из таких станций - станция "Салют" - с огромными крыльями солнечных батарей. Это было важным техническим достижением специалистов "Кванта". Солнечные батареи были составлены из панелей из арсенида галлия. Во время работы станции на освещенной Солнцем стороне Земли избыток электроэнергии переводился в электрические аккумуляторы, и эта схема давала практически неиссякаемое энергоснабжение космического корабля.

Успешная и эффективная работа солнечных батарей и основанных на их использовании систем энергообеспечения на станциях "Салют", "Мир" и других космических аппаратах подтвердила правильность стратегии развития космической энергетики, предложенной Н.С. Лидоренко.

В 1982 году за создание систем космической энергетики коллектив НПП "Квант" был награжден Орденом Ленина.

Созднные коллективом "Кванта", руководимым Н.С. Лидоренко, источники электропитания питают практически все военные и космические системы нашей страны. Разработки этого коллектива называют кровеносной системой отечественного оружия.

В 1984 году Николай Степанович оставил пост Главного конструктора НПО "Квант". Он оставлял цветущее предприятие, которое называли "Империя Лидоренко".

Н.С. Лидоренко решил вернуться к фундаментальной науке. В качестве одного из направлений он решил использовать свой новый способ прикладного решения проблемы преобразования энергии. Отправной точкой стал тот факт, что человечество научилось использовать только 40% от вырабатываемой энергии. Имеются новые подходы, позволяющие увеличить надежду повысить эффективность электроэнергетики на 50% и более. Одна из основных идей Н.С. Лидоренко состоит в возможности и необходимости поиска новых фундаментальных элементарных источников энергии.

Источники материала: Материал составлен на основе данных, ранее неоднократно опубликованных в печати, а также на основе кинофильма "Ловушка для Солнца" (режиссер - А. Воробьев, эфир 19.04.1996)

Успешная и эффективная работа солнечных батарей и основанных на их использовании систем энергообеспечения космических аппаратов - подтверждение правильности стратегии развития космической энергетики, предложенной Н.С. Лидоренко.

Солнечная батарея на МКС

Солнечная батарея - несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος , Helios - ). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

История

Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичаном.

25 апреля 1954 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании - Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 году, в США был запущен первый с солнечными батареями - Vanguard 1. Спустя всего пару месяцев, 15 мая 1958 года в СССР был запущен Спутник-3, также с использованием солнечных батарей.

Использование в космосе

Солнечные батареи - один из основных способов получения электрической энергии на : они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и .

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой ) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к и , напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу (AM0), составляет около 1366 ватт на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9-24 %. При этом цена батареи составит около 1-3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях.

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд.

В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26-30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния.

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4х4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 %. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46%.

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.

Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200-300 нм) светом (т. е. электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85%.

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Производство

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.