Для будущих баз на Луне одной из главных проблем станет не только доставка людей и оборудования, но и обеспечение их надежным источником энергии. Солнечные панели хорошо работают при освещении, однако на Луне существуют продолжительные периоды темноты, а в некоторых районах солнечный свет практически недоступен. Кроме того, экспедициям в дальний космос потребуется энергетическая система, не зависящая от земной атмосферы.
Американская компания Teledyne Energy Systems совместно с NASA собирается испытать именно такую технологию. Речь идет о водородной топливной системе HEPS (Hydrogen Electrical Power System), которая способна вырабатывать электричество без использования окружающего атмосферного воздуха. Теперь разработчики намерены повысить степень технологической готовности системы с TRL 5 до TRL 7 — то есть перейти от испытаний в условиях, приближенных к космическим, к демонстрации полноценного прототипа в эксплуатационной среде.
Как работает топливный элемент без воздуха
Обычный топливный элемент превращает химическую энергию топлива непосредственно в электричество. В случае водородных систем в реакции участвуют водород и кислород. В результате образуются электрический ток, тепло и вода.
Для наземной энергетики кислород обычно можно брать непосредственно из окружающего воздуха. В космосе такой вариант невозможен: там попросту нет атмосферы, из которой можно было бы постоянно получать необходимый окислитель.
HEPS изначально создается как независимая от атмосферного воздуха энергетическая система. Это означает, что она не должна рассчитывать на окружающую среду как на источник кислорода и может работать там, где обычная воздушная инфраструктура отсутствует.
Для Луны это особенно важно. Лунная поверхность практически лишена атмосферы, а будущая инфраструктура будет вынуждена самостоятельно обеспечивать себя всеми необходимыми ресурсами.
По сути, разработчики хотят создать энергетическую установку, которую можно привезти с собой, подключить к необходимым запасам реагентов — и использовать для автономного производства электричества.
Почему NASA заинтересовалась HEPS
Teledyne Energy Systems уже много лет занимается энергетическими технологиями для аэрокосмической отрасли. В ее разработках есть топливные элементы, системы производства водорода, накопители энергии и другие источники питания.
Теперь компания заключила соглашение с NASA, в котором участвуют Исследовательский центр Гленна и Космический центр имени Джонсона. Их задача — проверить, насколько хорошо HEPS сможет работать в условиях, близких к тем, с которыми система столкнется во время будущих космических миссий.
Для подобных проектов особенно важна так называемая шкала технологической готовности TRL (Technology Readiness Level). Она позволяет оценивать, насколько далеко технология продвинулась от лабораторной идеи до готовой к эксплуатации системы.
Сейчас HEPS находится на уровне TRL 5. Это означает, что ключевые компоненты или макет системы уже проверены в соответствующей, но еще не полностью эксплуатационной среде. Переход на TRL 7 предполагает демонстрацию прототипа уже в реальных или максимально приближенных к реальным эксплуатационных условиях.
Иными словами, речь идет не о запуске готовой электростанции на Луну в ближайшее время. Сначала инженерам предстоит доказать, что технология действительно способна выдержать требования космической эксплуатации.
Зачем Луне автономная энергетика
По мере развития лунных программ требования к энергоснабжению будут расти. Небольшому автоматическому аппарату достаточно ограниченного количества электроэнергии. Совсем другое дело — постоянная или длительная база.
Ей придется обеспечивать электричеством жилые модули, научные приборы, системы связи, оборудование для добычи и переработки ресурсов, транспорт и множество других устройств.
Причем энергоснабжение должно быть стабильным. Если на Земле временное отключение электричества можно компенсировать подключением к другой электростанции или аварийной сетью, то на Луне подобной инфраструктуры изначально не будет.
Поэтому будущие лунные поселения, скорее всего, будут использовать сразу несколько источников энергии и систем накопления. Водородный топливный элемент может стать одним из элементов такой архитектуры, обеспечивая электричество тогда, когда другие источники оказываются недоступны или работают недостаточно эффективно.
От Луны — к дальнему космосу
Потенциальная область применения HEPS не ограничивается естественным спутником Земли. Та же проблема возникает практически в любой длительной космической экспедиции: чем дальше аппарат или база удаляются от Земли, тем меньше возможностей рассчитывать на внешнюю инфраструктуру.
Надежный автономный источник энергии становится буквально вопросом выживания оборудования. На борту космического аппарата нельзя просто заменить вышедшую из строя энергетическую систему или подключиться к внешней электросети.
Именно поэтому разработчики рассматривают HEPS как технологию для длительных миссий на Луне и в дальнем космосе. Teledyne заявляет, что система должна обеспечивать эффективное и масштабируемое энергоснабжение для таких задач.
При этом нынешний этап проекта посвящен именно совершенствованию технологии, а не непосредственной подготовке ее к конкретной космической миссии. Следующим важным шагом станет подтверждение характеристик HEPS на более высокой ступени технологической готовности.
Почему это важно
Лунная энергетика может оказаться одной из тех инженерных задач, которые определят реальную продолжительность будущего присутствия человека за пределами Земли. Построить посадочный аппарат — одно дело. Обеспечить его, а затем целую базу энергией на протяжении месяцев и лет — совершенно другая задача.
Водородный топливный элемент без зависимости от земного воздуха предлагает один из возможных вариантов решения этой проблемы. Пока HEPS остается развивающейся технологией, и до ее практического использования на Луне еще предстоит пройти несколько этапов испытаний.
Однако переход от TRL 5 к TRL 7 станет важной проверкой: сможет ли система, рассчитанная на автономную работу, превратиться из перспективной разработки в реальный элемент будущей космической энергетической инфраструктуры? Ответ на этот вопрос инженеры Teledyne и NASA собираются получить в ходе предстоящих испытаний.
