Международная космическая станция (МКС) получает множество посылок с Земли: топливо для маневров, питание для космонавтов, оборудование и расходные материалы. Однако в одном ресурсе — электричестве — она практически автономна: его станция получает от Солнца.
Солнечные «крылья»
По человеческим меркам Солнце — неисчерпаемый источник энергии. Атмосфера Земли поглощает и отражает значительную часть его света. Это хорошо, ведь стопроцентное солнечное излучение было бы опасно для обитателей планеты. Однако из-за этого солнечные панели на Земле работают менее эффективно. На околоземной орбите действие атмосферы сильно ослабевает и путь энергии от нашей звезды почти ничего не преграждает. Солнечные батареи МКС могут поглощать максимум света — 1,37 киловатта энергии на квадратный метр.
В 1924 году изобретатель Константин Циолковский предложил получать электрический ток в космосе из «солнечной теплоты». В то время еще не было подходящих материалов и технологий. Спустя четверть века на орбиту вышел советский «Спутник-3» — первый космический аппарат со всеми системами, которые есть у современных аппаратов. Он был оборудован солнечными панелями.
Гигантские солнечные панели — самая заметная часть МКС. Первая пара «крыльев» появилась в 2000 году, потом число панелей выросло до 16. Каждое «крыло» достигает 35 метров в длину и 12 метров в ширину, в составе десятки тысяч солнечных ячеек. В 2021 году на станцию начали доставлять более мощные панели и устанавливать их поверх «крыльев». Сегодня шесть новых пар работают вместе со старыми — так мощность энергосистемы выросла со 160 до 215 киловатт (для сравнения, на стандартную квартиру подается 5–11 киловатт электричества). Такой мощности хватает, чтобы поддерживать работу всего оборудования станции. В год «крылья» вырабатывают до 735 тысяч киловатт энергии.
Космические солнечные панели отличаются от земных. Они прочнее, выдерживают резкие перепады температуры — до 300 градусов — и разрушающее воздействие солнечных лучей, почти не стесненных влиянием атмосферы. При этом состав от обычных батарей отличается: в основе старых панелей МКС — кремний, новых — арсенид галлия. Эти соединения применяют и в коммерческих земных аналогах. За счет высококачественных материалов и внутренней структуры КПД новых панелей станции превышает 30%. Аналогичный КПД и у земных панелей такого состава, но вбирать много света им могут мешать атмосфера, пасмурная погода и осадки.
16 дней и ночей в сутках
Космонавты на МКС придерживаются земного ритма с длительностью суток 24 часа. Станция успевает сделать за это время 16 оборотов вокруг планеты — по 45 минут под Солнцем и в тени Земли. Когда «крылья» оказываются на свету, излишек энергии накапливается в литийионных аккумуляторах, а затем расходуется во время 45-минутной «ночи».
Аккумуляторы разрабатывали специально для МКС. От земных их отличает длинный срок службы — 60 тысяч перезарядок, или 10 лет работы. Свежие батареи поставили на станцию в 2021 году. До этого энергию запасали в никель-водородные аккумуляторы, которые служили по 6–8 лет.
МКС использует топливо, но не для энергоснабжения, а для корректировки движения. Станция движется в верхних разреженных слоях атмосферы Земли, солнечные панели играют роль тормозных «парусов», поэтому МКС постепенно притягивается к планете. Периодически приходится использовать реактивные двигатели, чтобы держаться на высоте 400 километров.
В систему энергоснабжения МКС входят приборы автоматического регулирования и контроля. Они следят за сменой «дня» и «ночи» и отвечают за то, чтобы аккумуляторы вовремя переключались с режима запасания на режим траты энергии. Это помогает всем системам станции работать без перебоев.
Чтобы починить солнечные панели или заменить батареи, космонавты выходят в открытый космос. Такие миссии длятся несколько часов. Например, на обновление аккумуляторов и замену нескольких внешних камер в 2021 году ушло почти 5,5 часа.
Энергия для жизни, науки и здоровья
На космической станции нет привычных розеток — они не соответствуют повышенным требованиям безопасности. Внешне розетки МКС напоминают разъемы S-Video — такие есть на телевизорах для вывода сигнала на экран. Ток на розетки подается постоянный, а не переменный. Причем разного напряжения: 28 вольт — в российском сегменте станции, 50 вольт — в японском, 124 вольт — в американском и европейском.
Большую часть энергии потребляют системы жизнеобеспечения станции — те, что производят кислород, очищают воздух и воду, поддерживают нужные уровни влажности и температуры. Энергию расходуют и более 100 компьютеров и почти 2000 различных терминалов и устройств, в том числе оборудование в лабораториях.
Почти 13 километров проводов соединяют все системы МКС.
Энергия солнца помогает космонавтам оставаться здоровыми в невесомости. Чтобы быть в форме, они по два часа в день занимаются на силовом тренажере, велосипеде и беговой дорожке. Спортивное оборудование снабжено электроприводами — они создают нагрузку и делают тренировки эффективными.
