За последние месяцы часто обсуждалась яркость спутников Starlink, запущенных компанией SpaceX для создания системы спутникового интернета с глобальным покрытием. Многие астрономы, как профессионалы, так и любители, считают их появление на небе началом ближайшего будущего, когда световое загрязнение ночного неба станет еще более значимой проблемой.
По многочисленным обоснованным заявлениям об этом факте Илону Маску пришлось представить и запустить новый прототип космического аппарата DarkSat с черной окраской корпуса для минимизации отражения света в сторону Земли. Тем не менее, он продолжает утверждать о неизбежности увеличения числа спутников на орбите и необходимости размещения там все большего количества телескопов, как старого Хаббла, так и нового Джеймса Уэбба.
Что происходит на орбите?
С чем же связано такое заметное свечение спутника с Земли, мешающее работе телескопов? Частое объяснение — отражение солнечного света солнечными панелями и антеннами. Действительно, это имеет место, но лишь частично. Так мы объясняем наблюдаемый эффект, но не причину происходящего. Ведь солнечное излучение не единственный «тепловой поток», влияющий на поверхности спутников и панелей. Различные излучения, даже в невидимых частотах, способствуют нагреву. Поэтому расчет температуры — не тривиальная задача. Именно поэтому для решения проблемы светового загрязнения недостаточно было создать DarkSat.
Температура играет критическую роль во всех сферах функционирования спутников, особенно для элементов, таких как солнечные батареи, призванные максимально эффективно поглощать радиацию. Повышение температуры снижает эффективность работы панелей.
Определить эффективность лишь с помощью площади поверхности ячеек, солнечной энергии на квадратный метр и КПД ячеек (30% у современных) невозможно.
- Затенение, то есть положение некоторых ячеек панели в тени, возможно, вызвано их расположением за спутником. Это обстоятельство требует особого внимания от инженеров-электриков, так как другие ячейки получают свет и вырабатывают ток, который будет пытаться проходить через затененные. Если последние не оснащены защитным обходным путем, они создадут сопротивление, нагреваясь и повышая температуру.
- При наклоне спутника под углом к солнечным лучам получаемое им излучение будет меньше, чем при перпендикулярном расположении лучей относительно активной поверхности.
- Потери энергии при прохождении тока в реальных кабелях и проводах.
- В конце срока службы солнечная панель подвергается воздействию космической среды в течение 2-15 лет. Электрически заряженные частицы, атомарный кислород и космический мусор повреждают ее. С течением времени некоторые ячейки выходит из строя, ухудшая термооптические свойства и снижая эффективность. Размер панели увеличивают с учетом мощности, которую она сможет производить в конце срока службы. Именно эта мощность измеряет полное энергопотребление спутника. Это означает, что панель может работать даже после многих лет деградации. В начале срока службы спутник будет производить больше энергии, чем необходимо, и от нее придется избавляться.
- Рабочая температура — самое распространенное числовое значение среди всех в этом списке, так как панель функционирует при определенной температуре.
От чего зависит температура спутника?
На спутник воздействуют тепловые потоки Солнца, альбедо (солнечный свет, отраженный от Земли) и инфракрасного излучения Земли. Внутренняя генерация тепла возможна при работе электронных компонентов.
Тепловые потоки окружающей среды и внутренние процессы в теле спутника должны уравновешиваться излучением спутника. Как все несветящиеся тела, спутник излучает тепло в инфракрасном диапазоне. В космосе отсутствует конвекция, поэтому без скафандра ваш нос мог бы быть при температуре -180 °C, а спина — при +120 °C одновременно.
После зимней прогулки кажется, что ничего не изменилось на Земле, но это обман. Если так происходит, значит у организма проблемы с терморегуляцией: кровь согревает важные части тела, подверженные холоду, а нос может остаться холодным. Но если распахнуть куртку, через десять секунд спина тоже станет холодной, потому что воздух стремится выровнять температуру. В космосе такого нет.
Это обстоятельство представляет собой как выигрыш, так и убыток. Возможно нагреть определенную часть спутника, зная, что воздух не сможет уравновесить температуру. Однако необходимо проявлять крайнюю осторожность, чтобы перегретая зона была изолирована от более хрупких частей… В противном случае тепло передалось бы по теплопроводности и разрушило бы всё на своём пути.
Ошибочное решение DarkSat
Солнечные батареи обычно самые горячие элементы на любом зонде. Тепловые контакты этих батарей должны быть правильно спроектированы: эффективным образом отводить тепло, но не превращаться в главный путь его распространения внутрь спутника. Для этого температура должна быть точно рассчитана для каждого момента миссии с учетом возможных позтийий спутника относительно Солнца и планеты.
Неустойчивое равновесие можно нарушить, если покрасить спутник в чёрный цвет. DarkSat не изначально разрабатывался с чёрным покрытием; это окрашенный Starlink. Чёрный цвет имеет сильные термооптические характеристики: поглощает и излучает излучение всех длин волн, являясь плоским поглотителем. Благодаря этому черный цвет способствует идеальному теплообмену.
Выбор черной краски для DarkSat породил больше затруднений, чем ожидалось.
Направленный в открытый космос, он будет рассеивать тепло, а направленный к солнцу – поглощать излучение звезды без отражения. В результате DarkSat станет невидимым, но его температура возрастет до критических значений, вызвав сбои в работе.