Производство энергии в космосе. Насколько важна температура спутника?
В последние месяцы много говорилось о яркости спутников Starlink, запущенных компанией SpaceX для создания системы спутникового интернета для глобального покрытия. Их присутствие в небе рассматривается многими астрономами, как профессионалами, так и энтузиастами, как начало ближайшего будущего, в котором световое загрязнение ночного неба будет иметь еще большее значение.
Об этом факте было сказано так много и вполне обоснованно, что Илону Маску пришлось представить, а затем и запустить новый прототип космического аппарата DarkSat, покрытый черной краской на корпусе, чтобы максимально избежать отражения в сторону земли. Однако он по-прежнему утверждает, что увеличение числа спутников на орбите неизбежно и что поэтому на орбите должно быть все больше и больше телескопов, таких как старый Хаббл или совершенно новый телескоп Джеймса Уэбба.
Что происходит на орбите?
Что же такого в спутнике, что делает его настолько заметным с Земли, что он мешает получению изображений с телескопов? Наиболее распространенное объяснение заключается в том, что солнечные панели и антенны отражают солнечный свет, и это верно, но частично... Это объясняет эффект, который мы видим, но не то, что происходит на самом деле. На самом деле, солнечное излучение - это не единственный "тепловой поток", воздействующий на поверхности панелей и спутников. Различные излучения, даже те, которые относятся к невидимым частотам, способствуют нагреву спутника. Поэтому вычисление температуры не является элементарным решением; именно поэтому для решения проблем светового загрязнения недостаточно было создать DarkSat.
Проблема температуры имеет решающее значение для каждого аспекта жизни спутников, особенно для таких частей, как солнечные батареи, цель которых буквально улавливать как можно больше радиации. Большое неудобство, учитывая, что чем выше поднимается температура, тем ниже производительность панели.
К сожалению, недостаточно рассчитать площадь поверхности ячеек, умножить на солнечную энергию на квадратный метр, а затем умножить на КПД ячейки (30% для самых современных ячеек). Эти факторы эффективности можно обобщить в виде короткого списка:
- Затенение, т.е. когда одна или несколько ячеек в панели находятся в тени, возможно, потому, что они находятся за самим спутником. Это условие требует большого внимания со стороны инженеров-электриков, поскольку другие ячейки освещены, и поэтому производят ток, который также будет пытаться пройти через затененные ячейки. Если последние не оснащены защитным обходным путем, они будут оказывать резистивный эффект, нагреваясь и повышая температуру.
- Если спутник наклонен к солнечным лучам, он получит меньше излучения, чем если бы лучи были перпендикулярны активной поверхности.
- Монтажные потери, связанные с прохождением тока в неидеальных кабелях и проводке.
- Факторы окружающей среды, которые необходимо рассчитать в конце жизни. Не вдаваясь в подробности, солнечная панель подвергается воздействию космической среды в течение периода времени, варьирующегося от 2 до 15 лет. Это означает, что электрически заряженные частицы, высококоррозионный атомарный кислород и космический мусор постоянно повреждают его. Со временем некоторые ячейки выходят из строя, портя термооптические свойства и снижая эффективность. Необходимо даже увеличить размер панели, исходя из оценки мощности, которую она сможет производить в конце своего срока службы, то есть по прошествии всех лет, предусмотренных в космосе. Именно на этой мощности в конце срока ее службы измеряется полное энергопотребление спутника. Таким образом, вы знаете, что это может работать даже после многих лет деградации первичного источника. Следовательно, в начале своего срока службы спутник будет производить больше энергии, чем необходимо, и от нее придется избавляться.
- Рабочая температура. Из этого списка это переменная, наиболее представленная в качестве числового входа, поскольку она существует просто потому, что панель работает. От этой потери никуда не деться.
От чего зависит температура спутника?
На спутник действуют тепловой поток Солнца, тепловой поток альбедо (солнце, отраженное от Земли) и тепловой поток инфракрасного излучения Земли; более того, даже изнутри, если есть электронные компоненты в работе, может поступать тепловой поток, называемый внутренней генерацией.
Потоки окружающей среды и внутренняя генерация входят в тело спутника и должны быть сбалансированы на выходе излучением спутника, который, как и все несветящиеся тела, излучает тепло в инфракрасном диапазоне. Следует также помнить, что в космосе нет конвекции. Это означает, что если бы вы находились в космосе без скафандра, то, помимо того, что вы были бы мертвы, в одно и то же время ваш нос мог бы находиться при температуре -180 °C, а спина - при +120 °C;
После зимней прогулки может показаться, что на Земле все так же, но это не так. Когда это происходит, это связано с тем, что у вашего организма проблемы с терморегуляцией, и кровь предпочитает согревать важные части тела, которые подвергаются воздействию холода, а не нос. Но если вы распахнете куртку, то через десять секунд ваша спина тоже станет холодной, потому что воздух стремится выровнять вашу температуру. В космосе этого не происходит.
Этот факт - палка о двух концах. Мы можем решить нагреть часть спутника, зная, что воздух не сможет выровнять температуру, но мы должны быть очень осторожны, чтобы перегретая часть была теплоизолирована от более хрупких частей... Если бы это было не так, тепло передавалось бы по теплопроводности и поджарило бы все на своем пути.
Ошибочное решение DarkSat
Солнечные батареи обычно являются самыми горячими точками на любом зонде. Их тепловые контакты должны быть выполнены правильно: они должны отводить как можно больше своего тепла, но не становиться для него предпочтительной полосой движения внутрь спутника. Это означает, что температура должна быть точно рассчитана для каждого момента миссии с учетом возможных положений спутника-солнца-планеты.
Очень шаткое равновесие, которое легко изменить, если покрасить весь спутник в черный цвет. Фактически, DarkSat не был разработан с нуля с учетом черных поверхностей; это окрашенный Starlink. Черный цвет обладает чрезвычайно сильными термооптическими характеристиками: он поглощает и испускает излучение на всех длинах волн. Он называется плоским поглотителем. Таким образом, черный цвет создает условия для идеального теплообмена.
Вот почему выбор черной краски для DarkSat создал больше проблем, чем решит. Если направить его в сторону открытого пространства, он будет рассеивать все возможное тепло, но если направить его в сторону солнца, он будет поглощать все излучение звезды, не отражая его. Это сделает DarkSat невидимым, но невероятно повысит его температуру, что приведет к критическим сбоям в работе.