Международная космическая станция (МКС), как и другие искусственные орбитальные объекты, энергию получает благодаря излучению Солнца. Для преобразования солнечного света в электроэнергию на МКС установлены восемь пар основных панелей солнечных батарей, изготовленных на основе кремния – самого распространённого полупроводника на Земле (30% от всех веществ в земной коре).
Общая площадь всех 16 панелей составляет 1680 квадратных метров. До Солнца в среднем 150 миллионов километров. На таком расстоянии каждый квадратный метр панелей солнечных батарей может дать не более 1000 ватт мощности. Длина крыла одной панели МКС составляет 35 метров, ширина – 11,6 метров, полезная площадь – 298 квадратных метров.
На приведённой здесь фотографии хорошо видны конструкции, похожие на уменьшенные солнечные батареи. Но это не фотоэлементы, а радиаторы для рассеивания излишнего тепла.
16 раз за одни сутки МКС входит в земную тень. И в эти моменты, заряжённые солнечной энергией никель-кадмиевые и никель-водородные аккумуляторы, начинают питать все системы МКС.
Значение выдаваемой мощности солнечными батареями меняется в зависимости от положения Солнца относительно космической станции. Изначально суммарная вырабатываемая мощность составляла 124 киловатта, а затем, вследствие воздействия ионизирующих излучений, происходит деградация панелей. И мощность упала до 80 киловатт. При этом коэффициент полезного действия (КПД) солнечных батарей невелик и составляет порядка 8-13%.
Для увеличения их КПД в три раза исследовательская группа Ван Сент из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в США, в 2017 году предложила наносить на кремниевую подложку арсенид галлия или галлиево-индиевый фосфид. Последнее вещество, после испытаний на МКС, оказалось более устойчивым к радиации и перепадам температуры – агрессивным факторам космоса.
Солнечные батареи генерируют первичное постоянное напряжение от 115 до 173 вольт.
Интересно, что станция состоит из 15 модулей, принадлежащим разным странам, которые требуют различные напряжения в розетках. Американский, европейский сегменты питаются напряжением 124 вольт, японский – 50 вольт, российский – 28 вольт.
Солнечные батареи не являются парусами, подгоняющими как корабль в океане. Они, наоборот, тормозят движение МКС о верхние разряжённые слои атмосферы Земли. Поэтому время от времени включаются реактивные двигатели коррекции, которые поднимают МКС снова на высоту до 400 километров над Землёй.
Насколько важны солнечные батареи в космосе, можно судить по экспедиции космонавтов В.П. Савиных и В.А. Джанибекова, связанной со спасением станции «Салют-7» в 1985 году. Подлетев на корабле «Союз Т-13» и приблизившись к «мёртвой» станции, космонавты обратили внимание на то, что не работала система ориентации солнечных батарей, что повлекло за собой отключение системы энергопитания «Салюта-7».
Их первой задачей стало разворачивание солнечных батарей к Солнцу при помощи двигателей «Союза Т-13». Долго и кропотливо космонавты-спасатели разбирались с химическими батареями на борту, вышедшей из-под контроля, станции, без которых нельзя было начать зарядку солнечных. Если бы батареи не ожили, «Салют-7» пришлось бы покинуть, а затем затопить в Тихом океане. Но всё получилось. И станция «Салют-7» плодотворно отработала ещё шесть лет на орбите.
Энергия Солнца – важнейший источник энергии для земной жизни и жизни людей на космических станциях.
Методист Детского космического центра им. В.П.Савиных
ЛАМАНОВ Виталий Владимирович