211service.com
Co zasila statki kosmiczne na planety zewnętrzne i dalej?
Większość statków kosmicznych, w tym satelity i niektóre lądowniki marsjańskie, opiera się na panelach słonecznych, ale do trudnych i skomplikowanych wycieczek, takich jak Mars Ciekawość misja łazika i ekstremalnie długie loty, takie jak ten, który właśnie odbył Nowe Horyzonty przez Plutona i jego księżyce, tylko energia wydobywana ze źródeł radioaktywnych może zapewnić wystarczającą moc.
Artystyczne przedstawienie statku, który właśnie przeszedł przez Plutona.
NASA wykorzystuje radioizotopowe generatory termoelektryczne (RTG), sprytną kombinację materiału pozyskiwanego z produktów ubocznych broni jądrowej i 200-letnią technikę przekształcania różnic temperatury w energię elektryczną. RTG zaczęły zasilać misje NASA w 1969 roku.
Jak to działa
RTG wykorzystuje ciepło generowane przez radioaktywny rozpad dwutlenku plutonu-238, który można oczyszczać z produktów ubocznych procesu wzbogacania wymaganego do wytworzenia cięższego, bardziej rozszczepialnego izotopu, plutonu-239, do broni jądrowej. Lżejszy izotop wytwarza bardzo mało promieniowania gamma, co oznacza, że wymaga stosunkowo niewielkiego ekranowania w statku kosmicznym.
Gdy Pu-238 rozpada się w ciągu prawie 88-letniego okresu półtrwania — po 88 latach pozostaje około połowa pierwotnej masy, a następnie połowa w każdym kolejnym 88-letnim okresie — jego ciepło jest przekształcane w energię elektryczną przez pary termoelektryczne (lub termopary). ), które opierają się na efekcie Seebecka. Zostało to po raz pierwszy opisane w 1821 roku przez niemieckiego fizyka Thomasa Johanna Seebecka, chociaż nie do końca zdawał sobie sprawę z tego, co widzi: że prąd elektryczny przepływa między dwoma metalami utrzymywanymi w różnych temperaturach.
W typie RTG stosowanym w Nowe Horyzonty i kilka poprzednich misji, gorąca strona połączenia wynosi średnio 1308 kelwinów (1894 °F) podczas startu, a zimna strona około 566 kelwinów (559 °F). Temperatura maksymalna spada wraz z upływem czasu w miarę rozpadu paliwa, przyczyniając się do stopniowego zmniejszania mocy elektrycznej. Jednak po latach w kosmosie pozostaje wystarczająco dużo energii, aby zasilać wiele instrumentów naukowych, obsługiwać komputery i obsługiwać przesyłanie danych na duże odległości.
Kurczące się zapasy
Departament Energii USA produkował Pu-238 w swojej fabryce w Savannah River w Południowej Karolinie, ale pod koniec lat 80. zaprzestał produkcji plutonu przeznaczonego do broni. Rząd uzupełnił swoje malejące zapasy kupując pluton z Rosji, ale Rosja wstrzymała dostawy w 2009 r. i może jej niewiele lub wcale nie pozostanie w użytecznej formie. (Rosja nie używa RTG do lotów kosmicznych, podobnie jak Europejska Agencja Kosmiczna).
Szacuje się, że Stany Zjednoczone mają około 37 kilogramów starzejącego się Pu-238, ale dyrektor działu planetarnego NASA, Jim Green, mówi, że tylko około 17 kilogramów jest w formie, którą można by wykorzystać w RTG. Aby spojrzeć na figurę z odpowiedniej perspektywy, weź to pod uwagę Nowe Horyzonty rozpoczął swoją misję z 11 kilogramami. Ciekawość waży zaledwie 4,8 kg, ale ma też baterie litowe, które RTG ładuje w okresach nieaktywności, dzięki czemu łazik marsjański ma duże ogólne zaopatrzenie w energię podczas ruchów i eksperymentów w ciągu dnia.
NASA finansuje wysiłki Departamentu Energii mające na celu opracowanie nowego cyklu produkcyjnego, który obejmuje trzy krajowe laboratoria — Los Alamos, Oak Ridge i Idaho. Do 2021 roku operacja ma produkować 1,5 kilograma dwutlenku plutonu-238 rocznie.
Biorąc pod uwagę niewielką podaż i fakt, że obecne RTG są wyjątkowo nieefektywne – przetwarzają nieco ponad 6 procent wytwarzanego ciepła w energię elektryczną – oczekuje się, że nadchodząca misja NASA, mająca na celu zbadanie Europy, lodowego księżyca Jowisza, będzie zasilana energią słoneczną. Do niedawna uważano, że wykorzystanie energii słonecznej na taką odległość jest niewykonalne, ale pomogły usprawnienia w technologii naziemnej. Europejska Agencja Kosmiczna ma również zasilaną energią słoneczną misję Jowisza, JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), która ma wystartować w 2022 roku.
Podejmowanych jest kilka wysiłków w celu poprawy wydajności termopar poprzez zastosowanie nowych materiałów lub całkowicie przerobionych projektów RTG. Krótkoterminowe uaktualnienie do stylu modułu używanego w Ciekawość może podnieść wydobytą energię elektryczną do 8 procent – a zatem o jedną trzecią więcej mocy z tego samego paliwa – podczas gdy projekty długoterminowe mogą osiągnąć nawet 15 procent wydajności.
Alternatywne podejście
Kolejny bardzo stary pomysł na zasilanie statków kosmicznych jest już na półce, ale może zostać odkurzony. Przez lata NASA finansowała rozwój Zaawansowanego Generatora Radioizotopów Stirlinga (ASRG), który, podobnie jak efekt Seebecka, opiera się na 200-letnim pomyśle. Silnik Stirlinga wytwarza energię elektryczną z tłoka napędzanego różnicą ciepła, podobnie jak termopara, ale z pewnymi częściami mechanicznymi. Tłok w tej konstrukcji unosi się w helu, aby zapobiec fizycznemu zużyciu.
ASRG może mieć czterokrotnie wyższą wydajność niż obecne RTG, czyli około 26 procent. Rozciągnęłoby to znacznie dalej rzadki Pu-238. To nie tylko kwestia teoretyczna: prototyp ASRG pracuje w laboratorium bezawaryjnie od dekady. Jedynym problemem jest to, że budżet ASRG został obcięty w 2013 roku. Szef nauk planetarnych NASA, Green, jest chętny do wznowienia prac.
Na wynos:
Solar będzie odgrywać większą rolę w przyszłości eksploracji planet. Ale nadal jest wiele punktów, do których statki z samymi panelami słonecznymi nie mogą dotrzeć, a wiele instrumentów naukowych wymaga więcej energii, niż jest to możliwe lub opłacalne w przypadku korzystania z paneli słonecznych. RTG są wymagane, aby dotrzeć do Saturna i dalej, zbadać kratery księżycowe i odwiedzić ciemną stronę Merkurego oraz umożliwić ambitną, ekspansywną naukę na skalę Podróżnicy .
Następny statek Pluton będzie miał na pokładzie pluton. To kwestia upewnienia się, że jest wystarczająco dużo i jest dobrze wykorzystany.
Masz duże pytanie? Wyślij sugestie na adres [email protected] .