Сердце «Путешественника»: чем «заправлен» аппарат, покинувший Солнечную систему

За четыре минуты можно заварить чай, прочитать эту статью или пролететь три тысячи километров. Последнее утверждение верно только для внеземных путешествий: с такой скоростью двигаются «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Исследовательские зонды, запущенные в 1977 году, до сих пор продолжают полет — и будут лететь еще миллионы лет, пока космическая пыль не превратит их корпуса в труху. На каком топливе работают такие аппараты и сколько «Вояджеров» нужно, чтобы вскипятить один электрический чайник, читайте в нашем материале.

«Пионеры» на солнечной тяге

Первым космическим аппаратом-долгожителем считается «Пионер-6», запущенный в 1965 году для изучения Солнца и межпланетного пространства. «Пионеры» были рассчитаны на полгода работы, однако некоторые из них прослужили несколько десятков лет. «Пионер-6», возможно, работает и поныне — сеансы связи с ним прекратили по финансовым соображениям. Последний «звонок» состоялся в 2000 году — в честь 35-летия старта.

Поначалу энергию для работы приборов «Пионеры» черпали прямо из космоса. Для этого использовались 1800 солнечных элементов и никель-кадмиевые батареи, выбранные благодаря способности работать при низких температурах. Такая энергосистема оказалась надежной, но не вечной: к 1997 году солнечные панели «Пионера-6» полностью износились, хотя он все еще мог включать радиопередатчик.

Собственных двигателей у аппаратов серии не было вплоть до «Пионера-10». Он стал первым в истории человечества космическим аппаратом, покинувшим Солнечную систему. В отличие от предшественников у него были установки для корректировки курса. Топливом для них служил гидразин — соединение азота и водорода.

Свободный полет и «отскок» от планет

В 1977 году на смену программе «Пионер» пришла программа изучения дальних планет «Вояджер» (с англ. «Путешественник»). Состоялся запуск двух одноименных исследовательских аппаратов. Рассчитанные на пять лет работы, они служат до сих пор и вот уже 48 лет стремительно удаляются от Земли.

Сейчас «Вояджер-1» и «Вояджер-2» отделяют от нашей планеты 24 и 21 миллиард километров соответственно. Каждую секунду расстояние увеличивается на 11–16 километров. Аппараты первыми передали качественные снимки Юпитера и Сатурна, а «Вояджер-2» впервые достиг Урана и Нептуна. Приборы, установленные на них, помогли ученым получить информацию об излучениях, магнитных полях и космической плазме в Солнечной системе.

При запуске ракета-носитель разгоняла и сбрасывала каждый «Вояджер», а дальше он летел по инерции. На аппаратах установлены маленькие реактивные двигатели, работающие на гидразине, но они нужны лишь для ориентации в пространстве. Пока двигатели работали, «Вояджеры» с их помощью подлетали к большим планетам, чтобы совершать гравитационные маневры — отталкиваться от их гравитационного поля и лететь по инерции дальше.

Владимир Сурдин

Старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга

В 2012 году «Вояджер-1» стал первым аппаратом, который вышел в межзвездное пространство — часть галактики, расположенную вне планетных систем. В тот момент он был на расстоянии более 18,1 миллиарда километров от Солнца.

На пути к колыбели комет

«Вояджеры» несут на себе много научного оборудования — от телекамер до детекторов космических лучей. Солнечные батареи для его питания не годятся, потому что по мере удаления от Земли интенсивность солнечного излучения убывает. До Нептуна, например, доходит в 900 раз меньше солнечной энергии, чем до Земли. — Ядерное сердце «Вояджеров» — три РИТЭГа: радиоизотопных термоэлектрических генератора. Они закреплены вне корпусов аппаратов на специальных консольных выносах, — рассказывает Владимир Сурдин. — Топливом в них служит изотоп плутоний-238, при естественном распаде которого генерируется тепловая энергия.

Тепло преобразуется в электричество при помощи термопары. Это устройство работает благодаря эффекту Зеебека, открытому в 1821 году. Эффект заключается в следующем: если соединить два проводника из разных материалов, место их соединения поместить в тепло, а свободные концы — в холод, то по проводникам потечет электричество.

В момент старта мощность энергосистемы «Вояджера» оценивали в 470 ватт. Генератор обыкновенных «Жигулей» выдает около 600 ватт, а мощность нагревателя трехлитрового чайника в среднем 2200 ватт. КПД РИТЭГа небольшой, зато за счет простой конструкции и отсутствия движущихся частей он не требует обслуживания и может работать десятилетиями.

Период полураспада плутония-238 — 87,74 года. Из-за этого каждый год мощность генераторов снижается примерно на 0,78%. «Вояджеры» могли бы работать еще много лет, но сами термопары понемногу ветшают и разрушаются. Чтобы экономить электричество, на аппаратах постепенно отключают научные приборы. По словам Владимира Сурдина, даже если в аппаратах отключить все оборудование и оставить только системы связи, энергии хватит максимум на десять лет.

Примерно через 300 лет «Вояджер-1» должен достичь Облака Оорта — сферического облака, которое находится вокруг Солнца на расстоянии 7,5–15 триллионов километров и содержит ядра миллиардов комет. Увы, рассказать об увиденном ученым он не сможет: к тому моменту оба аппарата окончательно утратят связь с Землей.