Solární „křídla“ Mezinárodní kosmické stanice

Jedním z přírodních zdrojů elektrické energie je naše hvězda – Slunce. Sluneční elektrárny na Zemi nemohou pracovat stále se stejným výkonem. Ale jak je to ve vesmíru? Tam přece neexistují mraky, a pokud mezi Zemí a Sluncem není jiné těleso, je neustále vystavena jeho světlu. Přesně toho využívá posádka Mezinárodní kosmické stanice, jejichž vesmírný domov potřebuje neustálý přísun elektřiny.

Je neděle 15. března 2009, na floridský mys Canaveral padá večerní soumrak. Dnes ale bude trochu neobyčejný. V 19.43 h místního času zaburácí motory raketoplánu Discovery a ten se na mohutném sloupu spalin vydá směrem k Mezinárodní kosmické stanici. Komentátorka startu Candrea Thomasová říká: „Poskytne kosmické stanici maximum energie pro maximum vědy!“ Hlavním úkolem této mise totiž dopravit na orbitální komplex poslední energetický modul se solárními panely.

Soukromá elektrárna na oběžné dráze
Možná někteří z vás už někdy pozorovali přelet stanice na večerním nebo ranním nebi. Když stanice dosáhne správné výšky nad obzorem, jde o vskutku nádhernou podívanou, protože stanice se jeví velmi jasná a krásná. Tento jas způsobují její obrovské solární panely, odrážející sluneční světlo, které celému komplexu výrazně dominují. „Páteří“ Mezinárodní kosmická stanice, ze které vybíhají hermetizované moduly pro pobyt posádky, je levý a pravý několikadílný příhradový nosník. Z jeho dílů „vyrůstají“ velkoplošné solární panely. Stanice má na příhradovém nosníku celkem 4 body, ze kterých vycházejí dvě solární křídla SAW (Solar Array Wing), každé na opačnou stranu, přičemž každé z těchto celkem osmi křídel obsahuje dva navzájem spojené panely. Délka křídla je 35 metrů a šířka 11,5 metru. Když jsou obě křídla z jednoho bodu rozvinuta do obou stran, jejich rozpětí činí úctyhodných 73 metrů. Za jejich výrobou a přípravou ke startu stojí NASA a firma Lockheed Martin.

Každé z křídel obsahuje celkem 32 800 solárních článků, každý článek měří 8 čtverečních centimetrů a sestává z 4 100 diod. Články jsou tvořeny křemíkem a na základě fotovoltaického jevu přeměňují světlo na elektřinu k okamžitému využití. Každé ze solárních křídel díky těmto článkům produkuje asi 10,5 až 15 kilowattů použitelné energie. Křídla jsou navíc upevněna na otáčivých mechanismech, které je směrují vždy ke Slunci.

Bez elektřiny se neobejdou vesmírné koráby ani jejich posádky
Veškeré systémy kosmické stanice jsou na elektrické energii životně závislé, ať už jde o přístroje, umožňující astronautům provádět vědecké experimenty a výzkumy, nebo o přístroje, poskytující astronautům podmínky k životu. Tyto přístroje jsou pochopitelně nejdůležitější – díky nim je v prostorách stanice světlo, teplo, dýchatelný vzduch atd. V neposlední řadě elektřinu potřebují také záchranné lodě, komunikační systémy nebo tělocvičné nářadí, díky němuž astronautům zcela neochabnou svaly při dlouhodobém pobytu ve stavu beztíže. Na stanici zkrátka vše stojí a padá s elektrickou energií.

Jistě by bylo možné namítnout, že solární panely nejsou Slunci vystaveny stále, stanice občas prochází zemským stínem. To je samozřejmě pravda, ISS obíhá Zemi ve výšce asi 350 km a jeden oblet Země jí zabere cca 90 minut. Napájení systémů tedy musí být zajištěno i v této době. Proto je až 60 % energie, generované solárními panely, využito k nabití baterií, ze kterých je čerpána energie k zásobování systémů v době, kdy se stanice pohybuje ve stínu Země. Energie z každého křídla solárních panelů se skladuje ve třech bateriích, z nichž každou tvoří dvě jednotky ORU, obsahující každá 38 nikl-vodíkových článků. Každá baterie má hmotnost asi 332 kilogramů, dodává od 25 do 75 ampérů a pracuje v rozpětí 76 až 123 voltů.

Výměna baterií
Žádná baterie samozřejmě nevydrží neustálé nabíjení a vybíjení a jednou přijde chvíle, kdy nabít nejde. Výjimkou nejsou ani baterie kosmické stanice, které mají plánovanou délku života minimálně 6 a půl roku, v praxi ale vydrží o trochu déle. Vůbec první energetický modul se solárními panely a bateriemi byl vypuštěn a dopraven na stanici v prosinci 2000, jeho baterie se jako nejstarší dočkaly výměny teprve nedávno. Výměna proběhla při dvou misích raketoplánů (Endeavour STS-127/2009 a Atlantis STS-132/2010). Proces si vyžádal výstup dvou členů posádky raketoplánu ve skafandrech do prostoru, kde astronauti ručně měnili staré baterie za nové; ty k místu dopravil staniční robotický manipulátor. Manipulace s bateriemi nebyla vůbec jednoduchá (hmotnost sice předměty ve vesmíru ztratí, ale zachová se jejich hybnost). Vše probíhalo tak, že jeden z dvojice vždy předal baterii druhému a přesunul se, poté převzal baterii zpátky, aby se mohl přesunout jeho kolega a baterii zase kousek posunout atd.

Přeprava a zprovoznění solárních panelů
Vraťme se ale k misi raketoplánu Discovery, který v březnu 2009 vezl poslední pár solárních panelů na Mezinárodní kosmickou stanici. V jeho nákladovém prostoru se nacházel konkrétně energetický modul S6, obsahující stejně jako jeho tři starší bratři dvě křídla solárních panelů, baterie a rozvody elektřiny. Modul S6 je dlouhý 14 metrů, široký 5 metrů, vysoký 4,5 metru, váží asi 14 tun a stál skoro 300 milionů dolarů. Vyvinul ho hlavní dodavatel NASA, firma Boeing. Pracovalo se na něm spolu s firmami Lockheed Martin, Honeywell, Space Systéme/Loral a Hamilton Sundstrand. Většinu komponent elektrického systému poskytly firmy Pratt a Whitney Rocketdyne.

Po připojení raketoplánu Discovery ke stanici přišel čas pustit se do instalace modulu S6. Ta zabrala opět několik kosmických výstupů členů posádky raketoplánu. Samotný modul byl vyzvednut z nákladového prostoru raketoplánu staničním robotickým manipulátorem Canadarm2, který jej dopravil k místu, kde měl být modul instalován. Zde už čekali astronauté Steve Swanson a Ricky Arnold. Operátorovi robotické paže uvnitř stanice poskytovali verbální navádění. Když byl modul S6 tam, kde měl být, Swanson a Arnold jej pevně přimontovali ke struktuře stanice a připojili k němu elektrické, datové a chladicí kabeláže.

S harmonikou velmi pomalu
Solární panely byly při startu zabaleny ve speciálních ochranných boxech, které spacewalkeři Swanson a Arnold po instalaci modulu S6 odstranili. Solární panely byly poté rozvinuty jako harmonika. Dosavadní zkušenosti varovaly, že solární panely, které jsou v ochranných boxech složeny jako harmonika, se mohou při rozvinutí potrhat. Z důvodu svého chemického složení se na sebe lepí. Proto byly solární panely rozvinuty v několika fázích tak, aby se po dalším částečném rozvinutí mohly před pokračováním rozvíjení trochu ohřát slunečním světlem. Vše dopadlo dobře a dvě solární křídla nového modulu S6 mohla bez překážek zdvojnásobit množství energie, dostupné pro provádění vědeckých experimentů – z 15 na 30 kilowattů.