Февраль/март 2025 г., Пол Маркс, Aerospace America
Созвездие космических спутников на солнечной энергии может быть готово уже в 2028 году к беспроводному питанию с лунной орбиты посадочных модулей и луноходов во время долгой лунной ночи с ее изнуряющим холодом. Пол Маркс рассказывает нам о прогрессе на сегодняшний день.
В рассказе Айзека Азимова 1941 года «Разум» повествование разворачивается на огромном, длиной в километры космическом корабле, размещенном около Солнца, роль которого заключается в преобразовании солнечной энергии в энергетический луч, передаваемый на Землю. Другими словами, именно Азимов первым задумал концепцию космических солнечных электростанций, технологию, которую Китай, Исландия, Япония и Великобритания рассматривают для внедрения в следующем десятилетии. Эти станции будут собирать солнечную энергию на массивах километрового масштаба, преобразовывать ее в микроволны и передавать гигаватты на земные антенны с геостационарной орбиты.
Но вот в чем дело: Земля может оказаться не первым получателем энергии от работающей космической солнечной энергетической системы. Первыми могут стать космические аппараты на поверхности Луны, и, возможно, уже в 2028 году.
Это цель канадского стартапа Volta Space Technologies. Эта небольшая компания из Монреаля планирует запустить на лунной орбите созвездие из 3–30 спутников, собирающих солнечный свет, каждый из которых будет направлять инфракрасную лазерную энергию на лунные роверы, посадочные модули, обитаемые жилые модули и научные платформы.
Зачем? Если космические державы собираются научиться жить на Луне, тщательно ее исследовать и добывать такие ресурсы, как водяной лед в некоторых из самых глубоких, самых темных полярных кратеров, они должны преодолеть одну из малоизвестных и наименее привлекательных способностей этого небесного тела: его досадную склонность прекращать миссии на поверхности Луны через две недели.
Здесь речь идет об уникальной лунной динамике. Одна и та же сторона Луны всегда обращена к нам на Земле, но Луна вращается относительно Солнца, поэтому ночь медленно наползает на ее поверхность каждый месяц. Ни одно место не получает больше 14 земных дней солнечного света, прежде чем снова погрузится во тьму (а постоянно затененные области кратеров вокруг южного полюса никогда не получают солнечного света).
И в этом заключается проблема. С наступлением лунной ночи температура резко падает с дневного пика в 120 градусов по Цельсию до явно низких минус 133 градусов. В постоянно затененных областях некоторых кратеров - минус 246 градусов, и ночью, и днем. При таких температурах батареи и электроника космических аппаратов становятся хрупкими, выходят из строя и не могут выжить, если не будут иметь достаточного запаса электроэнергии для питания и терморегулирования WEB (warm electronics boxes) — теплых электронных блоков.
«Однако дополнительная мощность означает дополнительные батареи, а при стоимости в 1 миллион долларов за килограмм полезного груза, доставленного на Луну, это редкая роскошь», — говорит Паоло Пино, главный технический директор и соучредитель Volta, который общался со мной по видеосвязи.
«Когда наступает эта длинная лунная ночь, у вас начинаются проблемы. Температура настолько низкая, что все замерзает, — говорит он. — Все миссии, которые недавно были на Луне, за очень немногими исключениями, боролись с этим, и они погибли. Итак, у вас есть этот актив стоимостью 200 миллионов долларов, который садится на Луне, а затем погибает через две недели».
Он имеет в виду три роботизированных посадочных модуля, которые совершили посадку на Луне в период с августа 2023 года по январь 2024 года: индийский Chandrayaan-3; японский Smart Lander for Investigating Moon, или SLIM; и базирующийся в Техасе Intuitive Machine IM-1. Chandrayaan-3 и IM-1 погибли сразу же после захода солнца, в то время как SLIM продержался некоторое время, трижды восстанавливаясь на восходе солнца, прежде чем его системы не выдержали изнуряющего холода.
Пино и его коллеги считают, что так быть не должно. В октябре на ежегодном Международном астронавтическом конгрессе в Милане они сообщили, что Volta занимается разработкой и наземными испытаниями лунной версии космической солнечной энергетической технологии.
Планы предусматривают, что созвездие, названное LightGrid (Световая решетка), изначально будет состоять из трех 300-килограммовых малых спутников, а затем их число возрастет до 30, и все они будут вращаться вокруг Луны на высоте 100 километров. Каждый малый спутник будет собирать солнечную энергию с помощью уже готовых недорогих коммерческих солнечных панелей.
Эти спутники будут отслеживать положение любого лунохода или посадочного модуля, который запросит подачу энергии, а затем передавать энергию через управляемый инфракрасный лазер на закрепленный на них LightPort, фотоэлектрический приемник энергии, созданный Volta. Полученная затем энергия будет помогать в проведении операций на поверхности, поддерживать критически важную электронику в тепле и/или заряжать батареи, не позволять машине замерзать и выходить из строя.
По словам Пино, такое питание лунных объектов имеет преимущества по сравнению с использованием тепла от распадающихся ядерных источников энергии в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе, как это делают марсоходы Curiosity и Perseverance от NASA. Во-первых, LightPort обеспечивает в пять раз большую удельную мощность, то есть мощность на единицу массы, чем РИТЭГ, и обеспечивает «многие сотни ватт» по сравнению со 110 ваттами от только что заправленного РИТЭГа. Во-вторых, поскольку РИТЭГи требуют контролируемых ядерных материалов, они сталкиваются с проблемами цепочки поставок, ограничениями по обработке, нормативными проблемами, вопросами безопасности и необходимостью радиационной защиты на космическом аппарате, говорит Пино.
«Это замечательная технология, но у нее много ограничений», — говорит он о РИТЭГах.
Это не значит, что альтернативная технология от Volta не представляет собой множество многогранных инженерных задач для ее научно-исследовательской и опытно-конструкторской группы. К ним относятся разработка лазера, способного производить нерасходящийся инфракрасный энергетический луч; точная система слежения, способная направлять лазер на объекты на поверхности Луны с быстро движущегося спутника; и разработка LightPort.
По словам Пино, архитектура LightGrid требует луча мощностью 1800 Вт и диаметром 50 сантиметров, для которого Volta разрабатывает — частично с помощью гранта Канадского космического агентства — инфракрасный волоконный лазер и телескопическую оптику для генерации и коллимации луча, чтобы его энергия оставалась четко сфокусированной и нерасходящейся.
«Мощные лазеры, особенно в космосе, сталкиваются с определенными проблемами, связанными с радиацией, а также с экстремальными температурами, поэтому нам пришлось создать систему, способную справиться с этими проблемами».
Для достижения требуемой стойкости оптическое волокно химически легируется, чтобы выдерживать ожидаемые вблизи Луны термические и радиационные условия. Полупроводниковый лазерный диод запускает инфракрасный свет в волокно для генерации луча. В ходе серии испытаний ионизирующим излучением, которые Volta провела на «специализированном и сертифицированном испытательном полигоне радиации в Европе» в 2023 и 2024 годах, инженерная модель лазера претерпела всего лишь 5%-ное ухудшение производительности после воздействия 18 килорад. Это эквивалентно десятилетнему воздействию окололунной радиации.
По словам Пино, лазерная инженерная модель сейчас находится на уровне технологической готовности 6 по шкале, используемой NASA и американскими военными для оценки технологий. «Она прошла все основные испытания на воздействие окружающей среды, включая радиацию, удары и вибрацию, термовакуум, испытание на долговечность и термоциклирование».
Но к концу 2026 года, когда компания надеется запустить лазер в ходе испытаний по передаче энергии с испытательного спутника на низкой околоземной орбите на Землю, он должен будет достичь TRL 9, другими словами, быть готовым к работе на орбите.
В конце января компания Volta опубликовала запрос предложений по космическому аппарату, на котором будет запущен испытательный лазер.
«За последние несколько месяцев мы вели переговоры с несколькими поставщиками спутниковых платформ, хотели бы принять решение о партнерстве и начать летать как можно раньше в этом году», — говорит Пино.
Создание лазера — это одно, а вот направить его луч диаметром 50 см на поверхность Луны с движущегося спутника — совсем другое. Для этого спутнику и лазерной установке нужно будет маневрировать.
«Спутник меняет ориентацию, но наша система также имеет внутреннюю систему наведения и слежения», — говорит Пино.
В июне Volta начала испытания лазерной оптической центровки на сельскохозяйственных угодьях в Сен-Мишеле, к югу от Монреаля. «Мы проверили центровку на расстоянии 800 метров, идея состояла в том, чтобы действительно убедиться, что мы можем распространять и отправлять фотоны с очень, очень высокой точностью», — говорит Пино.
Узнав из этого, как улучшить оптику лазера и управление тепловой нагрузкой, они затем попытались выполнить ограниченное отслеживание цели на меньшей дальности. Причина? «На открытом воздухе ряд факторов играет против мощного луча, например, атмосфера, влажность и ветер, а мы должны оптимизировать его для лунных условий, — говорит Пино. — Поэтому нам пришлось поработать на меньшем расстоянии, чтобы увидеть, как все взаимодействует, выполнив некоторое отслеживание на расстоянии около 170 метров с приемником, который двигался из стороны в сторону, на 20–30 сантиметров, на опорной раме».
В ноябре испытания были перенесены в помещение промышленного склада в Боарнуа, к юго-западу от Монреаля. Здесь более новая модель лазера проецировала луч на прототип мини-лунохода, находившийся в 200 метрах, к которому был прикреплен приемник LightPort размером 10 см на 10 см. Этот эксперимент с использованием ровера, построенного Canadensys, аэрокосмической фирмой из Онтарио, «продемонстрировал, что приемник может подавать энергию в аккумулятор, заряжать его и поддерживать работу ровера», говорит Пино.
Для реальных лунных операций Volta планирует построить более крупный вариант LightPort размером 30 см на 30 см, чтобы принимать луч диаметром 50 см. Вся сборка LightPort имеет массу 2 кг и изначально будет обеспечивать мощность 100 Вт или больше, если этого захотят клиенты.
Когда спутник LightGrid будет пролетать над лунной поверхностью на высоте 100 км, его ИК-лазер сканирует область, где, как он ожидает, будет находиться луноход или посадочный модуль. После срабатывания LightPort посылает на спутник сигнал подтверждения «you got me» (ты поймал меня). Затем космический аппарат отслеживает этот объект и начинает посылать четырехминутный импульс мощности через лазер. Затем дополнительные проходы спутника обеспечивают еще большую мощность.
«Мы считаем, что, начав всего с трех спутников, мы дадим клиентам окно для зарядки примерно каждые 40 минут, — говорит Пино. — Это минимально жизнеспособная группировка».
Он добавляет: «Созвездие из 30 спутников — это своего рода конечная цель, которая позволяет нам по сути обеспечить постоянное покрытие определенной области. Клиент на южном полюсе, где, как мы ожидаем, будет происходить большая часть активности, увидит спутник в любое время».
Воплотятся ли планы Volta в жизнь, во многом зависит от того, готовы ли клиенты платить за их энергоснабжение как за услугу. Компания заявляет, что коммерческие предпосылки хорошие. Выражения заинтересованности поступили от компаний, планирующих разрабатывать постоянно затененные кратеры и каньоны южного полярного региона.
Одна компания уже заключила выгодную сделку с Volta: ispace-US из Денвера хочет, чтобы LightGrid обеспечил возможность «выжить ночью» для ее запланированных проектов по исследованию поверхности Луны и использованию ресурсов на месте (in-situ). Технологии, которые «позволяют выживать в экстремальных лунных условиях, имеют решающее значение для постоянного присутствия человека на Луне», — говорит генеральный директор ispace-US Рон Гаран.
Консультант по космическим технологиям Джон Мэнкинс из Сан-Луис-Обиспо, Калифорния, специализирующийся на изучении архитектур космических солнечных электростанций, считает, что технология Volta выглядит осуществимой.
«Их самая большая дилемма будет заключаться в их бизнес-модели: за последние четыре года в этот сектор вошло множество компаний, планирующих предложить доставку лазерной энергии из космоса в космос или из космоса на землю. Смогут ли они вырваться вперед и стать первыми? Посмотрим».
Первой или нет, потребность в технологии выживания в лунной ночи становится все более острой. В январе был запущен лунный модуль Blue Ghost компании Firefly Aerospace с 10 приборами NASA. Планируется, что он будет работать в течение пяти часов в лунную ночь на батарейном питании, говорит директор по маркетингу Риза Шнауц. «Это в первую очередь необходимо для сбора данных о том, как оборудование работает в условиях лунной ночи. Firefly работает над созданием собственной возможности выживания в ночное время, и мы будем поддерживать ее по мере необходимости, если этого потребуют наши клиенты, предоставляющие полезную нагрузку», — говорит она.
Космическая солнечная энергетика — весьма актуальная тема, даже спустя 84 года после того, как ее задумал Азимов.
«Когда вы смотрите на космическую солнечную энергетику, вы всегда видите изображения гигантских космических аппаратов, требующих сборки на орбите, требующих многократных запусков на ракетах-носителях, которые еще не существуют, — говорит Пино. — Так что Volta пытается здесь перейти к другой парадигме, где мы говорим, что это действительно возможно сейчас.
Это больше не научная фантастика».
Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: Beating the fear of darkness
Автор: tarlakovsky
