Vad driver rymdfarkoster till yttre planeter och bortom?

De flesta rymdfarkoster, inklusive satelliter och vissa Mars-landare, är beroende av solpaneler, men för robusta och komplexa utflykter som Mars Nyfikenhet roveruppdrag och extremt långvariga flygningar som den som just tog Nya horisonter av Pluto och dess månar är det bara kraft som utvinns från radioaktiva källor som kan ge tillräckligt med energi.

En konstnärs återgivning av hantverket som just gick av Pluto.

NASA använder radioisotop termoelektriska generatorer (RTG), en smart kombination av material som en gång extraherats från biprodukter från kärnvapen och en 200 år gammal teknik för att omvandla skillnader i temperatur till elektricitet. RTG:er började driva NASA-uppdrag 1969.

Hur det fungerar

En RTG utnyttjar värme som genereras av det radioaktiva sönderfallet av plutonium-238-dioxid, som kan raffineras från biprodukterna från anrikningsprocessen som krävs för att producera en tyngre, mer klyvbar isotop, plutonium-239, för kärnvapen. Den lättare isotopen producerar väldigt lite gammastrålning, vilket innebär att den kräver relativt lite avskärmning i en rymdfarkost.

När Pu-238 sönderfaller under sin nästan 88-åriga halveringstid – efter 88 år finns ungefär hälften av den ursprungliga massan kvar, sedan hälften igen under varje på varandra följande 88-årsperiod – omvandlas dess värme till elektricitet genom termoelektriska par (eller termoelement). ), som förlitar sig på Seebeck-effekten. Detta beskrevs första gången 1821 av den tyske fysikern Thomas Johann Seebeck, även om han inte riktigt insåg vad han såg: att en elektrisk ström flyter mellan två metaller som hålls vid olika temperaturer.

I den typ av RTG som används i Nya horisonter och flera tidigare uppdrag är den varma sidan av anslutningen i genomsnitt 1 308 Kelvin (1 894 °F) vid lanseringen och den kalla sidan cirka 566 Kelvin (559 °F). Den maximala temperaturen minskar med tiden när bränslet avtar, vilket bidrar till en gradvis minskning av den elektriska effekten. Men det finns tillräckligt med kraft kvar efter år i rymden för att sätta energi på flera vetenskapliga instrument, köra datorer och hantera långdistansdatakommunikation.

Krympande lager

Det amerikanska energidepartementet brukade tillverka Pu-238 på sin Savannah River Site i South Carolina, men det slutade tillverka plutonium av vapenkvalitet i slutet av 1980-talet. Regeringen kompletterade sitt krympande lager genom att köpa plutonium från Ryssland, men Ryssland stoppade leveranserna 2009 och kan ha lite eller inget kvar i användbar form. (Ryssland använder inte RTG:er för rymdfärder, och det gör inte Europeiska rymdorganisationen heller.)

USA beräknas ha cirka 37 kilo åldrande Pu-238, men NASA:s direktör för planetarisk vetenskap, Jim Green, säger att endast cirka 17 kilo är i en form som kan användas för RTG:er. För att sätta figuren i perspektiv, tänk på det Nya horisonter började sitt uppdrag med 11 kilo. Nyfikenhet bär knappa 4,8 kilo, men den har också litiumbatterier som RTG laddar under inaktiva perioder, vilket ger Mars-rovern en stor total energiförsörjning under sina rörelser och experiment under dagtid.

NASA finansierar ett energidepartement för att utveckla en ny produktionscykel som involverar tre nationella laboratorier - Los Alamos, Oak Ridge och Idaho. År 2021 hoppas verksamheten kunna producera 1,5 kilo plutonium-238 dioxid per år.

Med tanke på bristen och det faktum att nuvarande RTG:er är extremt ineffektiva – de omvandlar drygt 6 procent av värmeproduktionen till elektricitet – förväntas NASA:s kommande uppdrag att undersöka Europa, en iskall Jupitermåne, vara soldriven. Fram till nyligen sågs det som omöjligt att använda solenergi på det avståndet, men förbättringar inom markbunden teknik har hjälpt. Europeiska rymdorganisationen har också ett soldrivet Jupiter-uppdrag, JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), som planeras att lanseras 2022.

Flera ansträngningar pågår för att förbättra termoelementets effektivitet genom att använda nya material eller helt omarbetade RTG-designer. En kortsiktig uppgradering till modulstilen som används i Nyfikenhet skulle kunna höja den utvunna elen till 8 procent – ​​alltså en tredjedel mer kraft från samma bränsle – medan långsiktiga projekt kan nå så mycket som 15 procents effektivitet.

Alternativt tillvägagångssätt

En annan mycket gammal idé för att driva rymdfarkoster finns nu på hyllan, men den kan dammas av. I flera år har NASA finansierat utvecklingen av Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG), som, liksom Seebeck-effekten, bygger på en 200 år gammal idé. En Stirlingmotor genererar elektricitet från en kolv som drivs av en värmedifferential, precis som ett termoelement, men med några mekaniska delar. Kolven i denna design flyter i helium för att förhindra fysiskt slitage.

ASRG kan ha fyra gånger effektivare än nuvarande RTG, eller cirka 26 procent. Detta skulle sträcka den knappa Pu-238 mycket längre. Det är inte bara teoretiskt heller: en prototyp av ASRG har körts i ett labb i ett decennium utan att misslyckas. Det enda problemet är att ASRG:s budget skars ned 2013. NASA:s planetariska vetenskapschef Green är angelägen om att återuppta arbetet.

Takeaway:

Solenergi kommer att spela en större roll i framtiden för planetarisk utforskning. Men det återstår många punkter som hantverk med bara solpaneler inte kan nå, och många vetenskapliga instrument kräver mer energi än vad som är möjligt eller ekonomiskt att driva via solpaneler. RTG:er krävs för att nå Saturnus och bortom, utforska månkratrar och besöka Merkurius mörka sida och tillåta ambitiös, expansiv vetenskap i omfattningen av Resande .

Nästa Pluto-farkost kommer att ha plutonium ombord. Det gäller att se till att det finns tillräckligt och att det används väl.

Har du en stor fråga? Skicka förslag till [email protected] .

Dölj