Kas nodrošina kosmosa kuģa spēku uz ārējām planētām un ne tikai?

Lielākā daļa kosmosa kuģu, tostarp satelīti un daži Marsa nolaižamie aparāti, paļaujas uz saules paneļiem, taču tādiem nelīdzeniem un sarežģītiem izbraucieniem kā Marss Zinātkāre rovera misija un ārkārtīgi ilgtermiņa lidojumi, piemēram, tikko notikušais New Horizons Plutons un tā pavadoņi tikai no radioaktīviem avotiem iegūta jauda var nodrošināt pietiekami daudz vēsmas.

Mākslinieka atveidots amats, ko tikko veica Plutons.

NASA izmanto radioizotopu termoelektriskos ģeneratorus (RTG), gudru materiālu kombināciju, kas reiz iegūta no kodolieroču blakusproduktiem, un 200 gadus vecu paņēmienu temperatūras atšķirību pārvēršanai elektroenerģijā. RTG sāka darbināt NASA misijas 1969. gadā.

Kā tas strādā

RTG izmanto siltumu, ko rada plutonija-238 dioksīda radioaktīvā sabrukšana, ko var attīrīt no bagātināšanas procesa blakusproduktiem, kas nepieciešami, lai ražotu smagāku, skaldāmāku izotopu plutonija-239 kodolieročiem. Vieglāks izotops rada ļoti maz gamma starojuma, kas nozīmē, ka tam kosmosa kuģī ir nepieciešams salīdzinoši neliels ekranējums.

Tā kā Pu-238 sadalās gandrīz 88 gadu pussabrukšanas perioda laikā — pēc 88 gadiem saglabājas apmēram puse no sākotnējās masas, pēc tam atkal puse katrā nākamajā 88 gadu periodā, tā siltums tiek pārveidots par elektroenerģiju caur termoelektriskiem pāriem (vai termopāriem). ), kas balstās uz Zēbeka efektu. Pirmo reizi to 1821. gadā aprakstīja vācu fiziķis Tomass Johans Zēbeks, lai gan viņš īsti neaptvēra, ko redz: starp diviem metāliem, kas tiek uzturēti dažādās temperatūrās, plūst elektriskā strāva.

gadā izmantotajā RTG veidā New Horizons un vairākās iepriekšējās misijās savienojuma karstā puse ir vidēji 1308 kelvini (1894 °F) palaišanas brīdī un aukstā puse aptuveni 566 kelvini (559 °F). Maksimālā temperatūra laika gaitā samazinās, degvielai sabrūkot, veicinot pakāpenisku elektriskās jaudas samazināšanos. Taču pēc gadiem kosmosā paliek pietiekami daudz jaudas, lai darbinātu vairākus zinātnes instrumentus, darbinātu datorus un apstrādātu liela attāluma datu sakarus.

Krājumu samazināšanās

ASV Enerģētikas departaments savulaik Pu-238 ražoja savā Savannas upes vietā Dienvidkarolīnā, taču 80. gadu beigās tas pārtrauca ražot ieročiem piemērotu plutoniju. Valdība papildināja savus sarūkošos krājumus, iepērkot plutoniju no Krievijas, taču Krievija 2009. gadā apturēja sūtījumus, un, iespējams, tā vairs nav vai nav palikusi izmantojamā veidā. (Krievija neizmanto RTG kosmosa lidojumiem, un to neizmanto arī Eiropas Kosmosa aģentūra.)

Tiek lēsts, ka ASV ir aptuveni 37 kilogrami novecojoša Pu-238, taču NASA Planētu zinātnes nodaļas direktors Džims Grīns saka, ka tikai aptuveni 17 kilogrami ir tādā formā, ko varētu izmantot RTG. Lai parādītu skaitli perspektīvā, apsveriet to New Horizons sāka savu misiju ar 11 kilogramiem. Zinātkāre pārvadā niecīgus 4,8 kilogramus, bet tajā ir arī litija baterijas, kuras RTG uzlādē neaktīvos periodos, ļaujot Marsa roveram nodrošināt lielu kopējo enerģijas piegādi dienas kustību un eksperimentu laikā.

NASA finansē Enerģētikas departamenta centienus izstrādāt jaunu ražošanas ciklu, kurā iesaistītas trīs nacionālās laboratorijas - Los Alamos, Oak Ridge un Aidaho. Līdz 2021. gadam operācija cer saražot 1,5 kilogramus plutonija-238 dioksīda gadā.

Ņemot vērā piegādes trūkumu un to, ka pašreizējie RTG ir ārkārtīgi neefektīvi — tie pārveido elektroenerģijā tikai nedaudz vairāk par 6 procentiem no saražotās siltumenerģijas —, paredzams, ka NASA gaidāmā misija zondēt Eiropu, ledaino Jupitera pavadoni, tiks darbināta ar saules enerģiju. Vēl nesen tika uzskatīts, ka šajā attālumā nav iespējams izmantot saules enerģiju, taču zemes tehnoloģiju uzlabojumi ir palīdzējuši. Eiropas Kosmosa aģentūrai ir arī ar saules enerģiju darbināma Jupitera misija JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), kuru paredzēts palaist 2022. gadā.

Tiek veikti vairāki pasākumi, lai uzlabotu termopāra efektivitāti, izmantojot jaunus materiālus vai pilnībā pārstrādātus RTG dizainus. Īstermiņa jauninājums uz izmantoto moduļa stilu Zinātkāre varētu palielināt iegūto elektroenerģiju līdz 8 procentiem — tātad par trešdaļu vairāk enerģijas, izmantojot to pašu degvielu, savukārt ilgtermiņa projekti varētu sasniegt pat 15 procentu efektivitāti.

Alternatīva pieeja

Vēl viena ļoti sena ideja par kosmosa kuģu darbināšanu tagad ir plauktā, taču tā var tikt notīrīta. NASA gadiem ilgi finansēja uzlabotā Stirlinga radioizotopu ģeneratora (ASRG) izstrādi, kas, tāpat kā Zēbeka efekts, balstās uz 200 gadus vecu ideju. Stirlinga dzinējs ģenerē elektroenerģiju no virzuļa, ko darbina siltuma diferenciālis, tāpat kā termopāris, bet ar dažām mehāniskām daļām. Šīs konstrukcijas virzulis peld hēlijā, lai novērstu fizisku nodilumu.

ASRG varētu būt četras reizes lielāka par pašreizējo RTG vai aptuveni 26 procentiem. Tas izstieptu ierobežoto Pu-238 daudz tālāk. Tas nav tikai teorētisks: ASRG prototips laboratorijā darbojas jau desmit gadus bez kļūmēm. Vienīgā problēma ir tā, ka 2013. gadā tika samazināts ASRG budžets. NASA planētu zinātņu vadītājs Grīns vēlas atsākt darbu.

Līdzņemšanai:

Saulei būs lielāka loma planētu izpētes nākotnē. Taču joprojām ir daudz punktu, ko nevar sasniegt, izmantojot tikai saules paneļus, un daudziem zinātniskiem instrumentiem ir nepieciešams vairāk enerģijas, nekā tas ir iespējams vai ekonomiski, lai darbinātu ar saules paneļiem. RTG ir nepieciešami, lai sasniegtu Saturnu un tālāk, izpētītu Mēness krāterus un apmeklētu Merkura tumšo pusi, kā arī ļautu īstenot vērienīgu, ekspansīvu zinātni pasaules mērogā. Ceļotāji .

Nākamajā Plutona kuģī būs plutonijs. Ir jāpārliecinās, ka ir pietiekami daudz un tas tiek labi izmantots.

Vai jums ir liels jautājums? Sūtiet ieteikumus uz [email protected].

paslēpties