К ВОПРОСУ О ДИСТАНЦИОННОМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИИ НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ В ПОСТОЯННО ЗАТЕНЁННЫХ РАЙОНАХ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Введение     

В настоящий момент Луна находится в центре внимания ведущих космических держав как объект научных исследований и освоения, первый потенциальный форпост в дальнем космосе [2]. Большой интерес вызывают приполярные регионы Луны, где на дне постоянно затенённых кратеров обнаружены залежи воды, которые могут быть использованы в интересах развёртывания обитаемой лунной базы [3]. В рамках создания подобной базы может быть решено множество научных и прикладных задач, в том числе, поверхность Луны рассматривается как перспективное место для развёртывания радиоастрономической обсерватории [1,4,5].  Современный этап в развитии астрономии и астрофизики характеризуется многоканальным характером получения информации об объектах исследования: помимо наблюдений во всём диапазоне электромагнитного спектра (от радио- до гамма-излучения), эксплуатируются наземные нейтринные и гравитационно-волновые обсерватории, а также детекторы частиц высоких энергий [6]. Фиксация излучения в широком диапазоне спектра стала возможной благодаря выносу приёмников за пределы земной атмосферы. Тем не менее, до сих пор существует диапазон длин волн электромагнитного излучения, где наблюдения практически не проводятся – это длинноволновое радиоизлучение, с длинами волн от десятков метров до километров. Прохождение данного излучения сквозь ионосферу Земли крайне затруднено, также присутствует высокий уровень техногенных шумов. Вместе с тем, астрономические наблюдения в данном диапазоне спектра представляют огромный интерес: благодаря космологическому красному смещению именно в эту область сдвинуто излучение первых объектов во Вселенной, сформировавшихся вскоре после завершения эпохи рекомбинации. В этой связи, предлагается создать космические радиоастрономические обсерватории низкочастотного диапазона, идеальным местом размещения которых может стать лунная поверхность (либо обратная сторона, либо – дно глубокого кратера в приполярной области) [4,5]. Эксперименты в этом направлении уже проводятся, в частности, на борту китайской автоматической лунной станции «Чанье-4» [4]. Области электромагнитного диапазона на стыке радио- и инфракрасного (ИК) диапазона (субтерагерцовый диапазон, дальний ИК-диапазон) также уделено недостаточное внимание. Это связано со сложностями проведения наблюдений – поглощением земной атмосферой, необходимостью устранения тепловых шумов, в том числе за счёт охлаждения приёмника до криогенных температур. При этом к числу источников излучения в указанном диапазоне относятся объекты, представляющие первостепенный интерес – области звездообразования, протопланетные диски, экзопланеты, органические молекулы в составе межзвёздной среды и т.п.  Российскими специалистами предложен концептуальный проект лунной обсерватории, функционирующей в данном диапазоне [1].

В работе [1] рассматривается как относительно простой вариант размещения наблюдательного комплекса (в приполярной зоне на освещаемом Солнцем участке), так и более сложный, с точки зрения энергообеспечения, но и более перспективный – размещение всего комплекса антенных решёток внутри тёмного кратера, в который не проникают солнечные лучи. Это позволяет снизить нагрузку на криогенные системы охлаждения научных приборов, но усложняет вопросы электропитания. Для решения указанной проблемы предлагается использовать специальный служебный модуль, который совершит посадку в зону, освещаемую Солнцем [1]. Помимо генерации и передачи электроэнергии для научного оборудования в кратере, он мог бы осуществлять обмен научными и служебными данными между обсерваторией и Землёй (возможно использование ретранслятора на орбите Луны).

В рамках настоящей работы предлагается рассмотреть возможность использования беспроводного канала передачи энергии от служебного модуля на валу кратера потребителям, находящимся в зоне вечной тени. Возможно энергоснабжение не только антенных модулей обсерватории, но также и робототехнического комплекса для её развёртывания (например, системы мини-роверов для размещения на лунной поверхности антенн). Кроме того, в подобных полярных кратерах, параллельно с решением указанной главной задачи, могут проводиться и другие изыскания – например, геологическая разведка залежей воды и летучих элементов с помощью нескольких микро- и мини-роверов с дистанционным энергоснабжением, которые в этом случае не должны прерывать работу и возвращаться к служебному модулю для подзарядки.

Возможные варианты энергоснабжения научного оборудования в затенённом кратере, преимущества и недостатки дистанционной передачи энергии

Обеспечение длительного автономного энергоснабжения оборудования в зоне вечной тени на поверхности Луны возможно только при использовании радиоизотопных генераторов (например, термоэлектрических – РИТЭГ). Несмотря на ряд достоинств (высокая надёжность, большой ресурс), принципиальным недостатком РИТЭГ является весьма низкий КПД, что приводит к выделению большого количества тепловой энергии при умеренной электрической мощности. Так, РИТЭГ MMRTG, используемый в составе системы электропитания марсохода Curiosity, при полезной электрической мощности около 110 Вт выделяет в окружающую среду около 2000 Вт тепловой энергии [7].  Соответственно, возникают значительные проблемы, связанные с изоляцией криогенного оборудования лунной обсерватории от потока теплового излучения. Кроме того, в подобном РИТЭГ используется 4 кг радиоактивного изотопа – ²³⁸Pu, с чем связана его относительно высокая стоимость и необходимость решения вопросов радиационной безопасности.

Применение служебного модуля с солнечными батареями, размещаемого на освещённом валу кратера, очевидно, предполагает использование кабельной сети длиной от нескольких километров до десятков километров. Данный вариант возможен, но связан с использованием кабеля достаточно большой массы (в зависимости от передаваемой мощности), а также необходимостью развёртывания кабельной сети и обеспечения её надежной работы.

В качестве альтернативы может быть рассмотрена дистанционная передача энергии в лазерном канале от служебного модуля потребителям внутри кратера. В этом случае на борту служебного модуля устанавливается лазерный излучатель с системой формирования и наведения пучка излучения на фотоэлектрический приёмник, размещаемый в составе потребителя энергии.

Возможность дистанционного энергоснабжения потребителей в космосе рассматривалась в ряде работ, в том числе и применительно к задачам исследования Луны и планет [8-11].

Преимуществами системы дистанционного энергоснабжения являются:

- отсутствие необходимости в использовании радиоактивных изотопов и протяжённой кабельной сети;

- возможность снабжения разветвленной сети потребителей от одной станции;

- возможность обеспечение высокой энерговооружённости небольших посадочных аппаратов.

Для потребителей с криогенным оборудованием принципиально важно отсутствие источников тепла большой мощности и с высокой температурой. В силу конечного КПД фотоэлектрического приёмника на нём может рассеиваться от 50 до 80% мощности лазерного пучка, однако, данное энерговыделения будет существенно ниже, чем при использовании РИТЭГ. При этом приёмник может быть изолирован от криогенного оборудования системой отражающих экранов.

В работе [11] была достаточно подробно рассмотрена система дистанционного энергоснабжения потребителей на поверхности Луны с борта её искусственного спутника. Предлагаемые здесь основные технические решения аналогичны [11]: использование оптоволоконных лазеров с КПД около 35% (длина волны -1,06 мкм), низкотемпературных систем обеспечения теплового режима на основе тепловых труб, фотоэлектрических приёмников на основе Si фотоэлектрических преобразователей с КПД до 25%.

Соответственно, очевидны и недостатки подобной системы:

- низкий общий КПД передачи энергии (около 7%), что приводит к относительно большой требуемой проектной мощности солнечных батарей служебного модуля;

- использование достаточно сложного оборудования в канале передачи энергии.

Тем не менее, рассматриваемая система будет существенно отличаться от описанной в [11], поскольку ориентирована на непрерывную передачу энергии на расстояние до 10 км при относительной неподвижности излучателя и приёмника. Система, предложенная в [11] предполагает передачу энергии с борта искусственного спутника Луны на поверхность до расстояний 100 – 300 км в течение коротких (около 5 минут) сеансов. Соответственно, система дистанционного энергоснабжения лунной обсерватории будет значительно проще и дешевле: апертура главного зеркала системы формирования пучка не превысит 0,1 м (против 0,5 – 1,0 м для орбитальной системы), не потребуется использование сложной, высокоточной (ошибка – не более 1 мкрад) системы наведения и поворотной платформы; при одинаковой средней передаваемой мощности проектная мощность лазера будет существенно ниже, в составе системы отвода тепла не потребуется использовать низкотемпературный тепловой аккумулятор специальной конструкции.

Необходимо отметить, что близкий к предлагаемому концепт системы дистанционного энергоснабжения лунохода дли изучения затенённых кратеров рассматривало Европейское космическое агентство [12].

 Выводы

1. Рассмотрена возможность дистанционного энергоснабжения научного оборудования (прежде всего, антенных станций лунной обсерватории) в вечно затененных кратерах на лунной поверхности от служебного модуля с солнечными батареями, размещаемого на освещённом валу кратера.

2. Предложены базовые технические решения, рассмотрены принципиальные достоинства и недостатки указанного способа энергоснабжения.

3. Важным преимуществом дистанционного энергоснабжения является возможность отказаться от РИТЭГ в качестве источников энергии и снизить внешний тепловой поток к криогенному оборудованию.

1. Лихачев С.Ф., Рудницкий А.Г., Андрианов А.С., Андрианов М.Н., Архипов М.Ю., Барышев А.М., Вдовин В.Ф., Голубев Е.С., Костенко В.И., Ларченкова Т.И., Пилипенко C.В., Подобедов Я.Г., Разананирина Ж.К., Третьяков И.И., Федорчук С.Д., Худченко А.В., Черный Р.А., Щуров М.А. Перспективы и направления развития субтерагерцовой астрономии в Российской Федерации // Космические исследования. – 2024. – Т. 62. – №1. – C. 121-138. doi: 10.31857/S0023420624010116.
2. Луна – шаг к технологиям освоения Солнечной системы/ Под научной ред. В.П. Легостаева и В.А. Лопоты. М.: РКК «Энергия». 2011. 584 с.
3. Митрофанов И.Г., Санин А.Б., Литвак М.Л. Вода в полярных областях Луны: результаты картографирования нейтронным телескопом ЛЕНД // Доклады Академии наук. 2016. Т. 466 .№ 6. С. 660-663.
4. Wang Mingyuan, Ping Jinsong, Zhang Mo, Chen Linjie, Marc Klein Wolt   Prospect of planetary radio emission based on low frequency detection of Chang’E-4// Abstr. 10th Moscow Solar System Symp. 10M-S3. Space Research Institute, Moscow, Oct.7–11, 2019. V.1. P.137.
5. Mimoun, D., Wieczorek, M.A., Alkalai, L., et al., Far-side explorer: Unique science from a mission to the far-side of the Moon, Exp. Astron., 2012, vol. 33, nos. 2–3, pp. 529–585.
6. Черепащук А.М. Многоканальная астрономия. – Эл. изд. / А.М. Черепащук. – Москва: ДМК Пресс, 2022. – 546 с. – ISBN 978-5-89818-228-1. – URL: https://ibooks.ru/bookshelf/384741/reading (дата обращения: 27.08.2024). – Текст: электронный.
7. Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) [Электронный ресурс]//сайт NASA/ URL: https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/4_Mars_2020_MMRTG.pdf (дата обращения: 27.08.2024).
8. Takeda K., Tanaka M., Hashimoto K., Miura S. Laser power transmission for the energy supply to the rover exploring ice on the bottom of the crater in the lunar polar region. Proc. SPIE, 4632, 2002, pp. 223–227. doi: 10.1117/12.469770.
9. Hyde L., Papadopoulos D.P., Murbach M.S. Combining Laser Communications and Power Beaming for use on Planetary Probes.
10. Евдокимов Р.А., Корнилов В.А., Лобыкин А.А., Тугаенко В.Ю. Космическая технологическая система с дистанционным энергоснабжением по лазерному каналу// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2018, №9, с. 82 – 92.
11. Евдокимов Р.А., Тугаенко В.Ю. Дистанционное энергоснабжение потребителей на поверхности Луны// Известия РАН. Энергетика – 2019. – № 5 – С.3 – 19.
12. Laser-powered rover to explore Moon’s dark shadows [Электронный ресурс] // сайт ESA / URL: https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/Laserpowered_rover_to_explore_Moon_s_dark_shadows (дата обращения: 27.08.2024).

Все статьи автора «Евдокимов Роман Александрович»