Latest News

מקורות האנרגיה של לוויינים וחלליות

מקורות האנרגיה הדרושות לשילוח לוויינים וחלליות
חלליות ולוויינים צריכות כמה מקורות אנרגיה שונים. האנרגיה העיקרית הנדרשת כדי לשגר את הלוויין או החללית. את רוב המהירות החללית מקבלת מהטיל שמשגר אותה. הלוויין משוגר באמצעות כלי שיגור המביא אותו אל החלל ולמסלול שלו. כלי השיגור מצויד ברקטות המניעות אותו. בדרך כלל, המשגר מורכב ממספר שלבים על מנת להשאיר את היחס בין הדלק למסה במהלך השיגור, ולאפשר את האצת הטיל למהירות הנדרשת. כאשר הדלק אוזל בשלב שפועל באותו הרגע, השלב ניתק מגוף המשגר ונופל לכדור הארץ. בעתיד מעוניינים שהשלב ייאסף בחזרה על מנת לעשות בו שימוש חוזר כמו, לדוגמה, ה-SRB (המאיצים של מעבורות החלל) (כיום חלק מן השלב נשרף בשכבות האטמוספרה והרוב נופל לאוקיינוס). כאשר מדובר בגוף שבא להקיף את כל הארץ (כמו לוויין, למשל) ולא להישאר בתת מסלול אז השלב האחרון של המשגר נועד להעניק לגוף מהירות גבוהה בכיוון ניצב לפני כדור הארץ כך שהלוויין ייכנס למסלול שתוכנן עבורו.
האתרים העיקריים לשיגורי לוויינים בעיקר גיאוסטציונרים הם: Canaveral cape בפלורידה ארה”ב Kourou, בגיניה הצרפתית, Xicahng בסין Tansgashima, ביפן ו-Baikonur ברוסיה.

טבלה 1: שיטות הנעה של חלליות ולוויינים

טבלה 1: שיטות הנעה של חלליות ולוויינים

הכנת לוויין לשיגור היא פעולה מורכבת ומסובכת הצריכה עבודה ממושכת וצוות מיומן. בזמן השיגור, הרקטות של כלי השיגור מרימות את הכלי יחד עם הלוויין אל החלל, שם הוא סובב את כדור הארץ במסלול זמני נמוך. אחר כך, הרקטות הכבויות וכלי השיגור נפרדים מהלוויין עצמו ומנוע דחיפה מיוחד הצמוד ללווין עצמו דוחף את הלוויין למסלול מעבר אליפטי. משם, באמצעות מנוע עזר נוסף, הלוויין נע ומגיע אל מסלולו הקבוע ב-GEO. כאשר הלוויין מגיע אל מיקומו המיועד בחלל, מופעל מנוע שמטרתו לכוון את הלוויין בכיוון הנכון כלפי כדור הארץ והאנטנות שלו נשלפות וממוקמות על מנת שהוא יוכל להתחיל לקלוט ולשדר בחזרה אל כדור הארץ. (כמו כן תאי השמש מכוונים לשמש).
כאשר הלוויין במסלול הרצוי הוא צריך מערכת בקרת מיקום כדי לבצע תיקוני מסלול: הלוויינים מושפעים מחיכוך עם האטמוספרה (שהיא דלילה מאוד בגובה הזה), כך שכדי שיישארו זמן רב במסלול הם צריכים מערכת דחיפה שתפעל מדי פעם ותבצע תיקונים קטנים. לוויינים צריכים לפעמים לעבור ממסלול אחד למסלול אחר מפעם לפעם, וגם זה דורש כוח הנעה. כאשר לווין מאבד את יכולתו להסדיר את מסלולו, זמן השימוש בו נגמר. מערכות ההנעה הללו יוצרות דחף קטן והן שונות מאוד מההנעה בזמן השיגור.
אנרגיה נוספת שנדרשת, היא להפעלת המכשור בלוויינים וחללית, מכשירי המדידה, התקשורת ועוד.

מקורות אנרגיה ללוויינים וחלליות
המקור הראשוני לאנרגיה עבור פעילות לווין בחלל הוא סוללות, אולם סוללות הן מוגבלות ביותר בזמני הפעולה שלהן, בעיקר מתפרקות ומאבדות אנרגיה ודורשות טעינה כל הזמן. סוללות (ומצברים) נמצאים בשימוש לצורכי גיבוי, אולם בחלליות או לוויינים המתוכננים לפעול לתקופות ארוכות עד שנים המצברים אינם מספיקים ונדרשים פאנלים סולריים ההופכים את קרינת השמש לאנרגיה חשמלת המטעינים את המצברים.
תאים סולאריים מכונים תאים פוטו ואלטאיים בשמם המקצועי, או PV בקיצור משמם הלועזי. (Photovoltaic) תאים סולאריים הינם התקנים הקולטים את קרינת השמש ומפיקים ממנה אנרגיה חשמלית בצורה ישירה.
המדען הצרפתי אלכסנדר אדמונד בקרל גילה בשנת 1839 את האפקט הפוטו ואלטאי, עליו מבוססת פעולת התא הסולארי. סלניום מצופה זהב שימש כחומר ממנו נבנה התא הסולארי הראשון בשנת 1883. הלוח הפוטו ואלטאי הראשון, העשוי סיליקון, נבנה ע”י חברת בל (Bell) בשנת 1954.
בשנת 1958, בעקבות רוסיה, שיגרה גם ארה”ב את הלוויין הראשון שעשה שימוש בתאים סולאריים כדי להפיק לעצמו חשמל.עד היום מקור האנרגיה העיקרי של לוויינים הינם תאי השמש שמטעינים המצברים כדי לספק את כל האנרגיה הדרושה למערכות הבקרה והתקשורת.

ברוב הלוויינים ובעיקר בלוויינים גיאוסטציונרים ישנם מיכלי דלק המבוקרים מתחנות הבקרה שעל כדור הארץ כדי לתקן או לשנות המסלול של הלוויין כאשר נדרש. בסיום הלוויין את תפקידו משתמשים בשאיריתה דלק של המיכלים כדי לשלח הלוויין הגיאוסטציונרי למסלול גבוה יותר של בית הקברות של הלוויינים כדי לפנות מקום ושלא יפריע לפעולת הלוויינים האחרים.

מקורות אנרגיה איזוטופים גרעיניים עבור חלליות רחוקות מן השמש
מקור כוח זמין וטוב צריך להיות אמין, יציב, זמין ולא פחות חשוב גם בטיחותי. דרישת הבטיחות חשובה שכן מקור הכוח מורכב בכדור הארץ ועשוי גם לחזור לכדור הארץ במקרה של תקלה (חומר רדיואקטיבי שהיה צריך להישאר על הירח, חזר לכדור הארץ בחללית אפולו 13). אולם על מנת לענות על הדרישות הראשוניות יש להתפשר מעט בהיבט הבטיחותי ולעבור למקורות כוח גרעיניים. האפשרות הראשונה היא לייצר כור זעיר אטומי בו יתבצע ביקוע אטומי בתהליך מבוקר בחלל. כורים כאלו נבנו גם בארה”ב וגם בברית המועצות, אולם כיום הם נחשבים לא מספיק בטיחותיים ואסורים לשמוש בלוויינים.
המקור השני לאנרגיה הוא ביסודות הפולטים קרינה באופן טבעי. איזוטופים מסוימים פולטים חלקיקים (אלפא ביתא או גמא) ומתפרקים לאט ליסודות אחרים. פליטת החלקיקים מייצרת חום, וחום אפשר להפוך לחשמל. החיסרון הוא שוב שאיזוטופים אלו הם כצפוי מסוכנים ורעילים ביותר ולכן הוגדרו תקנים מחמירים ביותר לטיפול בחומרים אלו. מקור אנרגיה זה מכונה RTG Radioisotope thermoelectric generator – ראה איור 3.
החומר הפולט קרינה הוא לרוב פלוטוניום 238 (לא אותו פלוטוניום בו משתמשים בפצצות אטום) והוא עטוף במספר שכבות הגנה… ככה נראה גוש פלוטוניום בודד המפיק חום (ובגלל זה הצבע האדום כפי שמוצג באיורים 3 ו-4.). חומר זה הוא המתאים ביותר לשימוש שכן זמן מחצית החיים שלו הוא 87 שנים והפליטה היא בעיקר של קרינת אלפא, חלקיקים שקל לעצור (מספיקה, יחסית, שכבת בידוד דקה מעופרת כדי לעצור אותם).
תפוקת החשמל מקילו אחד של פלוטוניום היא בסך הכול 500 וואט, ולכן בחללית צריכים להיות מספר קילוגרמים של החומר. כמו כן, לכל חומר רדיואקטיבי יש זמן מחצית חיים, זהו זמן שאחריו מחצית מהחומר תתפרק ליסודות אחרים (שאינם פולטים קרינה). לכן את כמות החומר הדרושה יש לחשב לפי דרישות ההספק בסיום המשימה ובשעת השיגור יש עודף גדול של אנרגיה.בחלליות המבוססות על RTG יש ירידה קבועה בהספק החללית עקב התפרקות החומר הרדיו אקטיבי.
כיום יש אסור להשתמש בחומרים רדיו פעילים עבור לוויינים המסובבים את כדור הארץ אבל עבור חלליות ולוויינים מסביב לכוכבי לכת הרחוקים מן השמש אין ברירה אלא להשתמש בהם.

מערכות הנעה יוניות
השימוש היעיל אותו עושות מערכות הנעה יוניות בדלק ובאנרגיה חשמלית, מאפשר לחלליות מודרניות לנוע רחוק יותר-מהר יותר-זול יותר מאשר בכל שיטות ההנעה הזמינות כיום.
לאחר כ-50 שנות פיתוח מעבדתי, ותוך התבססות על הצלחתן המרהיבה של משימות חלל מהשנים האחרונות, קונה לו המנוע היוני מקום מרכזי בליבה של תוכנית החלל העתידיות.
מערכות ההנעה הקונבנציונאליות – המבוססות על ריאקציות כימיות – כמעט והגיעו לגבולות היעילות התיאורטיים שלהן, ואינן מאפשרות את השגתן של הרבה מהמשימות, היותר חשובות, המצויות ברשימת היעדים של תוכנית החלל.
מערכות דחף יוניות משמשות כיום לשמירת מסלול בלווייני תקשורת, ובתור מערכות הנעה עיקריות בגששי חלל עמוק.
מערכות אלה הודפות יונים לצורך יצירת דחף, ומסוגלות להעניק לרכבי חלל מהירות מקסימאלית גבוהה יותר מאשר כל רקטה הזמינה כיום.
מבנה המנוע מתואר על בסיס הדיאגראמה באיור 5.
מקור הכוח של המנוע הינה אנרגיה חשמלית. האנרגיה החשמלית משמשת לשתי מטרות עיקריות:
1. יינון החומר הנהדף.
2. האצת היונים והדיפתם לאחור, לצורך יצירת כוח הדחף המניע את החללית.
אטומי החומר הנהדף מוזנים לתא היינון. בתא נחשפים האטומים “למטח” אלקטרונים “הנורים” ממערכת האצה חשמלית. אלקטרון הנתון באטום של החומר הנהדף – הנפגע מאלקטרון מואץ – נחלץ מהאטום שלו ומותיר יון חיובי.
המגנטים משמשים להגברת יעילות היינון על ידי מיון האלקטרונים :
1. אלקטרוניים עתירי אנרגיה – מוחזרים לתא היינון , לחזרה על התהליך.
2. אלקטרוניים דלי אנרגיה – נאספים ונשלחים לאלקטרודת הנטרול.
אלקטרודות ההאצה בנויות בצורת רשת המאפשרת לספק פוטנציאל מושך ליונים המצויים בתוך התא, כמו גם פתחים למעברם החוצה. תהליך זה, במסגרתו מואצים היונים הכבדים ונהדפים לאחור, מספק את הדחף לחללית.
קתודת הנטרול מספקת אלקטרונים לזרם היונים הנהדף לאחור.
יש לזכור כי התהליך החל כאשר החללית על כל מרכיביה, לרבות החומר הנהדף, בנויה מאטומים ניטראליים. תהליך היינון מפריד את האטומים הניטראליים של החומר הנהדף:ליונים חיוביים ו ל אלקטרונים שלילים.
בהעדר קתודת הנטרול יוותרו האלקטרונים שחולצו בעת היינון בחללית, ויהפכו אותה לבעלת מטען שלילי הגדל עם הזמן. המטען השלילי ימשוך את היונים (החיובים) הנהדפים לאחור – חזרה אל החללית – וייצר כוח הפוך לכוח הדחף.

מסקנות
בכתבה זו נתנה סקירה קצרה על מקורות האנרגיה בלוויינים ובחלליות. עבור לוויינים מקורות האנרגיה העיקריים הינם תאי שמש ,מצברים ומיכלי דלק לתיקוני או שנויי מסלול לוויינים. הסכמים בין לאומיים אוסרים השימוש של אנרגיה גרעינית ואפילו של איזוטופים גרעיניים בלוויינים מסבות בטיחות. אבל בחלליות המתרחקות מן השמש אין ברירה אלא להשתמש באנרגיה גרעינית כפי שמוסבר בכתבה.לשלוח לוויינים וחלליות דרושות כמויות עצומות של דלק נוזלי ומוצק כדי להתגבר על כוח הכובד. בשנים האחרונות מתחילים להשתמש לשלוח לוויינים וחלליות במערכות הנעה יוניות שהינם הרבה יותר יעילות ופחות מזהמות מן השיטות הקודמות

מקורות:
• http://www.hayadan.org.il/spacepower-030902
• https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite
• http://www.reshitmada.org/L10042005_Ionic_propulsion.html
• http://gadieid.blogspot.co.il/2012/10/Voyager-Power.html
• http://www.solar-israel.co.il/solar_cells
• https://he.wikipedia.org/wiki/שיטות_הנעה_של_חללית
• http://nation.com.pk/international/06-May-2016/spacex-rocket-blasts-off-from-florida-on-satellite-delivery-mission

דוד לוגסי , יקיר אהרוני ופרופסור יעקב גוון מחלקה לחשמל, אלקטרוניקה ותקשורת מכללת סמי שמעון להנדסה SCE

תגובות סגורות