Ilgstošās un tālās dziļa kosmosa misijās nodrošināt elektroapgādi vienmēr ir bijis problemātiski. Latvijas Universitātes (LU) Fizikas institūta zinātnieki strādā pie jaunas tehnoloģijas, kas nākotnē varētu nodrošināt elektrību ilgstošās kosmosa misijās.
Aizvadītā gada nogalē mēs īstenojām sarežģītu un unikālu eksperimentu spēcīgā magnētiskajā laukā, un iegūtie rezultāti jau tiek izmantoti starptautiskajā projektā "SpaceTRIPS". Tā mērķis ir izstrādāt īpašu termoakustisko ģeneratoru – risinājumu, kas varētu būt efektīvāks par līdzšinējām metodēm un piemērots darbam tur, kur saules enerģija nav pieejama.
Pasaules uzmanībā esošajā Nacionālās aeronautikas un kosmosa pārvaldes (NASA) "Artemis II" Mēness misijā elektroapgādi nodrošināja ierastie fotovoltāžas saules paneļi. Tie ir noderīgi Saules tuvumā un brīžos, kad Saules starojums ir pieejams, piemēram, Mēness misijās.
Tomēr vietās, kur saules enerģija nav pieejama, līdz šim parasti izmantoti radioizotopu termoelektriskie ģeneratori. Tā tas, piemēram, darīts amerikāņu "Voyager" zondēs, kuras NASA pirms pusgadsimta palaida lidojumā un kuras patlaban ir sasniegušas starpzvaigžņu telpu. Taču šo ģeneratoru efektivitāte ir zema un parasti sasniedz tikai dažus procentus.
Savukārt mazāk zināmās termoakustiskās tehnoloģijas ļauj ražot elektrību no radioizotopu vai cita siltuma avota, nodrošinot efektivitāti, kas ir par kārtu augstāka.1
Pirmie pasaulē
Termoakustiskais princips nozīmē, ka siltums tiek pārvērsts gāzes mehāniskās svārstībās, kas rada skaņu. Šī parādība pirmo reizi novērota jau antīkajā pasaulē. Senajā Ēģiptē stikla pūtēji, karsējot stiklu, pamanīja, ka rodas skaņa. Padziļinātāka izpratne par termoakustiku sāka veidoties tikai šī gadsimta sākumā, galvenokārt Losalamosas Nacionālajā laboratorijā ("Los Alamos National Laboratory") ASV.
Elektriskā strāva ģeneratorā tiek ražota, pateicoties gāzes svārstību izraisītām izkausēta šķidra metāla vibrācijām magnētiskajā laukā. Tādējādi tehnoloģijā nav cietu, mehāniski dilstošu un kustīgu detaļu, kas ir būtiska priekšrocība kosmosa misijās, kur apkope nav iespējama un iekārtai jābūt ļoti uzticamai. Par kausējumu jeb darba ķermeni ir izvēlēts nātrijs. Tas ir metāls, kam šķidrā stāvoklī ir ļoti augsta elektrovadītspēja. Turklāt šis metāls ir viegls – līdzīgs ūdenim. Tas ir svarīgi maiņvirziena vibrāciju kustībā, kur nozīmīga loma ir inercei.
Šādu tehnoloģiju izmantošanu kosmosā ierobežo dažādas stabilitātes problēmas. Lai iekārta darbotos stabili un spētu ražot elektrību, ir jānodrošina vibrējošā šķidrā metāla stabilitāte ģenerēšanas zonā.
LU pētnieku komanda ir izstrādājusi un demonstrējusi jaunu paņēmienu – šķidrā metāla stabilizāciju magnētiskajā laukā, kas līdz šim nav veikta nekur citur pasaulē.
No vibrācijām līdz stabilitātei – sarežģīts eksperiments
Lai izpētītu piedāvāto stabilizācijas mehānismu, tika izstrādāta komplicēta eksperimentālā iekārta ar supravadošu [darbojas bez elektriskās pretestības] magnētu, kas spēj nodrošināt līdz pat 5 teslu stipru magnētisko lauku. Salīdzinājumam – ceļojumu suvenīru ledusskapja magnēti rada tikai dažas militeslas, kas ir tūkstošiem reižu vājāks lauks.
Supravadošais magnēts būtībā ir līdzstrāvas spole, kas tiek atdzesēta līdz -270 °C, tuvu absolūtajai nullei.
Šādā temperatūrā spoles materiāls kļūst supravadošs, un tā elektriskā pretestība ir praktiski nulle. Lai sasniegtu supravadīšanas temperatūru un palielinātu magnētisko lauku līdz vajadzīgajam līmenim, zinātnieku komandai bija jāatrisina virkne tehnoloģisku uzdevumu, piemēram, magnētiskā lauka izkliede laboratorijas telpā.
"SpaceTRIPS" elektroģenerācijas princips ir fundamentāli jauns un citviet pasaulē nav pētīts, tāpēc gandrīz viss, kas saistīts ar tehnoloģijas darbināšanu, ir izaicinošs. Tas attiecas arī uz šķidruma uzvedību mašīnas iekšienē. Turklāt no tehniskā viedokļa šādā režīmā un vertikālā novietojumā arī mūsu supravadošais magnēts iepriekš nav darbināts.
Tas viss kopā radīja zināmu nenoteiktību un risku, vai viss izdosies, kā plānots. Taču rezultāts ir pat labāks, nekā cerējām. Nozīmīgu ieguldījumu sniedza arī efektīva sadarbība ar visiem iesaistītajiem LU infrastruktūras dienestiem. Turklāt šī procesa laikā radušās jaunas atziņas par to, kā iegūtos rezultātus varētu izmantot tālāk, tostarp jauniem industriāliem pielietojumiem.
Eksperimentos tika izmantots gallija, indija un alvas sakausējums (GaInSn), kas nav toksisks un istabas temperatūrā ir šķidrā stāvoklī.
Kausējuma virsmas vibrācijas tika ierosinātas ar speciāli pielāgotu skaņas sistēmu, kas nodrošina zemas frekvences svārstības.
Vibrējošais šķidrais metāls tika ievietots supravadošajā magnētā, un pētnieki analizēja viļņu stabilitāti, mainot magnētiskā lauka stiprumu, frekvenci un amplitūdu. Šādus viļņus sauc par Faradeja viļņiem.
Sasniedzot noteiktu magnētiskā lauka stiprumu, šķidrais metāls it kā sacietē un pārstāj viļņoties. Šī īpašība ļauj risināt problēmas, kas saistītas ar bezsvara stāvokļa ietekmi uz ģeneratora darbību kosmosā.
Starpdisciplinārais spēks zinātnē
Pētījuma īstenošanā iesaistījās pētnieki, inženieri un tehniķi no fizikas, matemātikas, elektronikas, datorzinātnes un citām nozarēm. Katrs zinātniskais un tehniskais aspekts bija svarīgs gan eksperimentu izstrādē, gan to veikšanā un analīzē.
Īpaši nozīmīga bija arī sadarbība starp institūtiem. Piemēram, kopā ar LU Skaitliskās modelēšanas institūtu (SMI) tika veikta fizikālo procesu datormodelēšana. Ar datorsimulācijām modelēja šķidruma kustību, kas ļauj paredzēt viļņu raksturu un līdz ar to arī elektriskā ģeneratora darbību.
Šādos sarežģītos pētījumos īpaši nozīmīga ir matemātiskā un skaitliskā jeb datormodelēšana, kas dod iespēju ne tikai samazināt eksperimentu izmaksas un neizdošanās riskus, bet arī palīdz analizēt un izskaidrot eksperimentos novērotās fizikālās parādības.
Pieredzi šādā sarežģītā eksperimentā guvuši Rīgas Purvciema vidusskolas skolēni Ņikita Voitkevičs un Veronika Kutepova. Jaunieši, asistēdami eksperimentā, izstrādāja un skolā izcili aizstāvēja savus zinātniski pētnieciskos darbus.
Pielietojums ne tikai kosmosā, bet arī uz Zemes
Tomēr neviens pētījums nekad nav pilnībā pabeigts. Vienmēr ir aspekti, ko var izpētīt detalizētāk, izmērīt un aprēķināt precīzāk, saprast labāk. Šī pētījuma turpinājumā plānots veikt papildu eksperimentus un skaitliskos aprēķinus. Plānots arī izstrādāt un izmēģināt jaunus termoakustiskā ģeneratora prototipus, tostarp pielietojot šo tehnoloģiju ne tikai kosmosā, bet arī enerģētikā uz Zemes.
Ar revolucionārās "SpaceTRIPS" tehnoloģijas izstrādi, kā arī ar sekmīgu darbības demonstrāciju LU Fizikas institūta komanda jau 2014. gadā piesaistīja starptautisku interesi.2;3
Atzinība saņemta arī Latvijā – starptautiskā pētnieku komanda guvusi Latvijas Zinātņu akadēmijas atzinību nozīmīgāko zinātnes sasniegumu konkursā.
Savukārt "SpaceTRIPS" konsorcija koordinatoram un Grenobles Nacionālā pētniecības centra direktoram profesoram Antuānam Alemanī (Antoine Alemany) piešķirts LU Goda doktora grāds par ilggadēju ieguldījumu universitātes attīstībā.
Pētījumi realizēti LU pēcdoktorantūras projektos: Nr. 1.1.1.9/LZP/1/24/026 un LU-BA-PG-2024/1-0002.
Atsauces
1.https://ebooks.rtu.lv/product/termoakustisko-dzineju-darbinams-magnetohidrodinamiskais-generators-promocijas-darbs/
2.https://vedanadosah.cvtisr.sk/technika/elektrotechnika/lotysski-vedci-vyrabaju-elektrinu-za-pomoci-zvuku-technologia-sa-da-vyuzit-vo-vesmire/
3.https://ct24.ceskatelevize.cz/clanek/veda/lotyssti-vedci-otestovali-novy-zdroj-energie-elektrinu-vyrabi-ze-zvuku-muze-se-hodit-pro-mise-za-346505
