khimie.ru

Оставив за собой гигантский огненный хвост, космический корабль устремился ввысь. Вот отделяется ракета-носитель, и космонавты берут курс на цель − Марс? Венеру?..

Представим теперь себе, читатель, что мы находимся в кабине космического корабля. Первое, что нам бросилось бы в глаза,− это, видимо, мягко светящийся главный пульт управления: светло-серая приборная доска, полумесяцем огибающая всю кабину, со множеством различных переключателей, датчиков, счетчиков, циферблатов, шкал, индикаторов и других приборов. Даже стены космической каюты усеяны сотнями разных переключателей и кнопок.

Сложное хозяйство у космонавтов. Необходимо собирать и передавать на Землю разнообразные данные. Должны быть на борту также устройства, поддерживающие в кабине тепло и уют, хотя снаружи температура может колебаться от плюс 120 до минус 150 градусов Цельсия.

И вся эта орава приборов − радиоприемное и радиопередающее оборудование, приборы для научных исследований и экспериментов, контроля параметров самого корабля, бортовая ЭВМ и так далее − требует электроэнергии. Где ее взять? Какой тип бортового источника энергии выбрать?

Непростые вопросы! Элементарные оценки показывают: чем длительнее полет, тем (если ориентироваться, скажем, на обыкновенное химическое топливо) больший запас «горючего» должны брать с собой космонавты.

Для полета к Марсу бортовые источники электрического питания потребовали бы 200 тонн (!) ракетного топлива.

Когда 4 октября 1957 года был запущен первый советский спутник, более 38 процентов его общего веса составили химические источники тока. И все ж этих запасов хватило только на три недели.

Для маленьких спутников, весящих сотни граммов, требовались ватты энергии. Космические же корабли с человеком на борту нуждаются в гораздо большем − в киловаттах. А обитаемые космические станции требуют десятки и сотни киловатт. Где ее черпать?

Первый, вполне доступный, надежный и неисчерпае­мый источник ее − Солнце. Правда, тут есть одно «но»: плотность солнечной радиации очень низка. Как известно, солнечный свет не зажжет даже спички, если его предварительно не сфокусировать. Тем не менее, этот источник считается безусловно перспективным, и для его использования разрабатываются (или уже практически разработаны) различные устройства: гелиоустановки, в которых путем концентрации повышается плотность солнечной радиации, полупроводниковые фотоэлектрические генераторы (солнечные батареи), пригодные как раз для автономного энергопитания космических летальных аппаратов.

Кпд фотоэлементов пока еще не слишком велик − что-то около 10 процентов. Чтобы получить достаточную для космического аппарата энергию, надо фотоэлементами покрыть значительную поверхность.

Кроме того, солнечные батареи работают в трудных условиях  и потому довольно быстро разрушаются.

Космические пылинки — крошечные метеориты, словно мыши, грызут поверхность солнечных батарей, ее также портят безжалостные потоки космической радиации.

Учтем также, что солнечные батареи должны быть постоянно в нужном направлении ориентированы на Солнце, а это требует дополнительных расходов энергии…

Солнечные батареи, конечно, не единственный источник электричества для космического корабля. Обсуждаются проекты и радиоизотопных, и ядерных энергоустановок. Однако при их использовании экипаж необходимо защитить от радиации. А это значит − толстые, тяжелые защитные стенки. Поэтому для коротких полетов, какие человек предпринимал до сих пор, эти источники энергии непригодны.

Можно также поставить на космический корабль (есть и такие проекты) термоэлектрические или термо-ионные преобразователи: они непосредственно преобразуют тепло в электрический ток. Но кпд их невелик, и требуют они высокотемпературной зоны – 700-1200 градусов Цельсия. А это уже сложная техническая задача; для рассеивания избыточного тепла необходимы специальные радиаторы и многое иное.

Этот список конкурентов можно было бы продолжить, но мы не будем этого делать. Добавим только, что основные показатели при выборе энергетической установки для космического корабля − ее масса и объем. Они, естественно, должны быть (в расчете на единицу мощности) минимальными. Какая же энергоустановка будет удовлетворять этому требованию? Это зависит, прежде всего, от необходимой мощности источника и продолжительности работы во время полета.

Сравнительный анализ и расчеты показывают, что каждый из рассматриваемых источников имеет свою область применения. Если же говорить о топливных элементах, то их наиболее выгодно использовать при полетах от нескольких дней до нескольких недель и когда нужна не очень большая мощность примерно до 10 киловатт.

Когда в США встал вопрос о выборе энергоустановки для космических кораблей «Джемини» − они должны были вращаться вокруг Земли в течение двух недель,− все решили сравнительно простые оценки.

Космический полет требовал 200 киловатт-часов электроэнергии. Чтобы ее обеспечить, самая совершенная батарея аккумуляторов − серебряно-цинковых − должна была весить 1,5 тонны при объеме 0,5 кубического метра. Батарея солнечных элементов — 335 килограммов и объем 1,12 кубического метра, а вот энергоустановка из водородно-кислородных топливных элементов имела расчетный вес лишь 225 килограммов и объем 0,45 кубического метра.

Эти цифры (в космосе каждый килограмм и каждый кубометр на учете) и склонили чашу весов в пользу топливных элементов.

Конечно, топливные элементы имели в космосе и другие преимущества. В отличие от солнечных батарей они вырабатывают электроэнергию в любое время суток, независимо от освещенности. Топливные элементы компактны, могут иметь любую геометрическую конфигурацию в соответствии с требованиями космического аппарата. Они нечувствительны к ударам, вибрации, радиации, выдерживают кратковременные перегрузки до 100 процентов номинальной мощности, не имеют вредных выбросов (вселенная космической кабины очень мала: ее нельзя загрязнять!), бесшумны, не дают радиопомех и вредных излучений, действуют при температурах, близких к комнатной,..

Вот так и получилось, что первое практическое применение топливные элементы нашли не на Земле, а в космосе. Жалкая пария на Земле, топливный элемент расцвел в космосе. Там его достоинства засверкали яркими красками.

Наконец-то для топливных элементов наступили славные времена. (Ведь мы помним, каким чрезвычайно сложным оказалось становление этих устройств, растянувшееся на столетие.) А все потому, что в них появилась настоятельная нужда.

В 1963-1964 годах только в США на исследования по топливным элементам ежегодно шли десятки миллионов долларов. И такие исследования велись во всех развитых странах мира.

Ведь одно дело − создать остроумное устройство, действующее ограниченное время в лабораторных условиях, и совсем другое − построить надежный генератор электрического тока, какого прежде и видано не было и который бы не подвел космонавтов, обеспечил им успех,

В середине 60-х годов в США проблемой топливного элемента занималось около 60 организаций. Например, в крупной американской промышленной фирме «Пратт − Уитни», работавшей тогда на космос, над созданием электрохимических генераторов (так еще называют топливные элементы, если их рассматривать вкупе с автоматикой, системами отвода тепла, продуктов химических реакций и прочими вещами, неизбежными, если речь идет о мощных автономных источниках энергии),− над ЭХГ трудилось около тысячи ученых и инженеров. Для изготовления топливных элементов эта фирма располагала специальным заводом площадью в 16 тысяч квадратных метров, А за участие в проекте «Аполлон» фирма получила от НАСА 100 миллионов долларов.

Невольно приходит на память время, когда над решением этой проблемы бились в одиночку, как, например, наш Яблочков.