44 года и более 20 миллиардов километров в космосе: Источник, питающий два космических аппарата "Вояджер"

"Вояджер-2" — действующий космический зонд, запущенный NASA 20 августа 1977 года в рамках программы «Вояджер» для исследований дальних планет Солнечной системы. Это первый и единственный земной космический аппарат, достигший Урана (в январе 1986 года) и Нептуна (в августе 1989 года). И сегодня ровно 44 года с тех пор, как "Вояджер-2" был запущен в космос. Его достижения более чем грандиозны, и даже ученые считают его прогресс впечатляющим. Однако для его функционирования необходима энергия, и об этом ученые NASA задумались задолго до запуска зонда. Метод питания космического зонда использовался для более чем двух десятков космических зондов на протяжении многих лет.

  

Радиоизотопный термоэлектрический генератор

 

Более распространенное название РИТЭГ. Это инновационный метод обеспечения энергией космических зондов для длительных путешествий. РИТЭГ — это в некотором роде батарея, но работает она немного по-другому в сравнении с обычными батареями. Лучше сказать, что это ядерная батарея. Она функционирует за счет распада радиоактивного материала с выделением тепла, которое далее преобразуется в энергию с помощью термопары.

 

Термопара производит напряжение, зависящее от температуры. На самом деле в напряжение преобразуется разница между температурами. Когда два разных металла соединены, и между ними существует разница температур, создается магнитное поле, которое далее преобразуется в ток. Как создается эта разница?

 

Главный компонент всего этого — контейнер с радиоактивным материалом, называемый топливом. Когда радиоактивный материал распадается, он выделяет тепло, которое нагревает одну сторону термопары - одного из металлов. С другой стороны, холодная температура возникает из-за температуры окружающей среды и глубокого космоса, который, как вы уже знаете, очень холодный. Это простой способ объяснения, чтобы представить себе устройство. Однако в реальности эти вещи гораздо строже контролируются.

 

 

Рис. 1 - Модель РИТЭГа

 

Сколько они продержатся?

 

Но, как говорится, ничто не вечно. Каждый из радиоактивных материалов имеет период полураспада. Период полураспада - не единственная характеристика, которую нужно иметь в виду при выборе материала: способность производить высокоэнергетическое излучение, склонность к выделению тепла радиационного распада, большое отношение тепловой мощности к массе также являются одними из самых важных вещей. Первоначальный список из 1300 рассмотренных радиоактивных изотопов был сокращен до 47 с подходящими характеристиками. Итак, что такое период полураспада?

 

По сути, он говорит нам, сколько времени требуется атомам, чтобы подвергнуться радиоактивному распаду. Это помогает специалистам выбрать материал с более длительным периодом полураспада. Таким образом, количество подходящих материалов сокращается с 47 до 3, наиболее часто используемых: плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90.

 

Как работает "Вояджер-2"?

 

"Вояджер-2" работает с плутонием-238. В совокупности, 3 РИТЭГа, которыми он оснащен, смогли обеспечить космический зонд при запуске мощностью 470 ватт. Мощность постепенно уменьшается вдвое каждые 87,7 лет. Почему 87,7? Это период полураспада плутония-238. Теперь все сводится к тому, как NASA распоряжается ресурсами, которыми располагает космический корабль. И они невероятно хорошо справляются с этим до сих пор, экономя очень много энергии путем отключения систем, которые не нужны (постоянно) или сломаны без шансов на улучшение. PPS (фотополяриметрическая система) был первым прибором Вояджер-2, который был отключен из-за неисправности в 1991 году, что позволило сэкономить 1,2 Вт.

 

Со временем в целях экономии энергии были отключены и другие приборы, но все же ожидается, что к 2025 году или чуть позже "Вояджер-2" больше не сможет питать ни один прибор. Однако следует отметить, что он проработал дольше, чем ожидало большинство ученых, и его результаты великолепны. Даже после того, как "Вояджер-2" больше не будет посылать сигналы на Землю, он продолжит свое путешествие в космосе, пока, возможно, не достигнет другой звезды, если не столкнется с чем-нибудь по пути.

 

История космического зонда "Вояджер-2"

 

"Вояджер-2" стартовал 20 августа 1977 года, что на 16 дней раньше "Вояджера-1".

 

Миссия "Вояджер-2" первоначально включала изучение только Юпитера и Сатурна, а также их спутников. Траектория полёта также предусматривала возможность пролёта мимо Урана и Нептуна, которая была успешно реализована.

 

Аппарат идентичен "Вояджеру-1". За счёт гравитационных манёвров у Юпитера, Сатурна и Урана "Вояджер-2" смог на 18 лет сократить срок полёта к Нептуну (по сравнению с полётом от Земли по гомановской траектории).

 

• 9 июля 1979 года — максимальное сближение с Юпитером (71,4 тыс. км). "Вояджер-2" близко подошёл к Европе и Ганимеду, галилеевым спутникам, не исследованным ранее "Вояджером-1". Переданные снимки позволили выдвинуть гипотезу о существовании жидкого океана под поверхностью Европы. Обследование самого крупного спутника в Солнечной системе — Ганимеда — показало, что он покрыт корой "грязного" льда, а его поверхность значительно старше поверхности Европы. После обследования спутников аппарат пролетел мимо Юпитера.

 

Рис. 2 - Снимок поверхности Европы

 

• 25 августа 1981 года — максимальное сближение с Сатурном (101 тыс. км). Траектория зонда прошла около спутников Сатурна Тефии и Энцелада, аппарат передал подробные фотографии поверхности спутников.

 

Рис. 3 - Фотография Энцелада

 

• 24 января 1986 года — максимальное сближение с Ураном (81,5 тыс. км). Аппарат передал на Землю тысячи снимков Урана, его спутников и колец. Благодаря этим фотографиям учёные обнаружили два новых кольца и исследовали девять уже известных. Помимо этого, были обнаружены 11 новых спутников Урана. Снимки одной из лун — Миранды — удивили исследователей. Предполагается, что маленькие спутники быстро охлаждаются после своего образования, и представляют собой однообразную пустыню, испещрённую кратерами. Однако выяснилось, что на поверхности Миранды пролегают долины и горные хребты, среди которых были заметны скалистые утёсы. Это говорит о том, что история луны богата тектоническими и термальными явлениями. Также "Вояджер-2" показал, что на обоих полюсах Урана температура оказалась одинаковой, хотя только один освещался Солнцем. Исследователи сделали вывод о наличии механизма передачи тепла из одной части планеты к другой. В среднем температура Урана составляет 59 К, или − 214 °C.

 

• 24 августа 1989 года — аппарат пролетел в 48 тыс. км от поверхности Нептуна. Были получены уникальные снимки Нептуна и его крупного спутника Тритона. На Тритоне были обнаружены действующие гейзеры, что было очень неожиданным для удалённого от Солнца и холодного спутника. Были открыты 4 новых спутника.

 

Рис. 4 - Фотография Тритона

 

Рис. 5 - Фотография Нептуна

 

• 30 августа 2007 года — аппарат достиг границы ударной волны и вошёл в область гелиопаузы.

 

• 24 января 2011 года в НАСА отмечался 25-летний юбилей встречи "Вояджера-2" с Ураном. На этот момент аппарат находился примерно в 14 млрд км от Солнца, а "Вояджер-1", направленный для исследования Юпитера и Сатурна, улетел от Солнца более чем на 17 млрд км.

 

• 4 ноября 2011 года была послана команда переключения на запасной набор двигателей системы ориентации. Через 10 дней получено подтверждение о переключении. Это позволит аппарату проработать ещё не менее 10 лет.

 

• 10 декабря 2018 года NASA подтвердило, что "Вояджер-2" преодолел гелиопаузу и вошёл в межзвёздное пространство. Зонд остаётся в пределах Солнечной системы, гравитационная граница которой находится за внешним краем Облака Оорта, совокупности небольших объектов под гравитационным влиянием Солнца.

 

• 2 ноября 2019 года NASA сообщило о готовности к публикации данных, полученных космическим аппаратом в межзвёздной среде. 4 ноября 2019 в журнале Nature Astronomy вышли пять статей, каждая из которых описывает результаты с одного из пяти приборов "Вояджера-2" — детектора магнитного поля, двух регистраторов частиц в различных энергетических диапазонах и двух приборов для изучения плазмы — газа, состоящего из заряженных частиц.

 

Работоспособность и предполагаемая дальнейшая судьба аппарата

 

К 2012 году электрическая мощность упала примерно на 45 %. Тем не менее, ожидается, что минимально необходимое для исследований электроснабжение будет поддерживаться приблизительно до 2025 года.

 

• Примерно через 300 лет зонд достигнет внутреннего края Облака Оорта и ещё, вероятно, 30000 лет понадобится, чтобы покинуть его.

 

• Через 40000 лет "Вояджер-2" пройдёт на расстоянии 1,7 светового года от звезды Росс 248.

 

• Примерно через 296 тысяч лет "Вояджер-2" разойдётся с Сириусом на расстоянии 4,3 светового года.

 

На борту устройства закреплена золотая пластина, на которой указаны координаты Солнечной системы для потенциальных инопланетян и записан ряд земных звуков и изображений.

 

Источники: New-Science.ru, Википедия