System för energiförsörjning (makt, om det är lättare, efter alla, även maskiner behöver något att äta) är en viktig del av rymdfarkoster. De måste arbeta under extrema förhållanden och att vara extremt tillförlitlig. Dock, med ständigt växande efterfrågan på energi av komplexa rymdfarkoster, som vi i framtiden kommer att behöva ny teknik. Uppdraget, som kommer att pågå i årtionden, kommer att behöva en ny generation av strömkällor. Vad finns det för alternativ?
De senaste mobiltelefonerna kan knappast leva en dag utan att behöva vara ansluten till uttaget. Men sonden Voyager, som lanserades för 38 år sedan, fortfarande skickar oss information från Outlands av solsystemet. Sonden “Voyager” är att effektivt kunna hantera 81 000 instruktioner per sekund, men i genomsnitt, smartphones är 7000 gånger snabbare.
Din mobila telefoner, naturligtvis, född för regelbunden laddning, och det är osannolikt att vara tillbaka i ett par miljoner kilometer från närmaste eluttag. För att ladda rymdfarkosten, som är 100 miljoner mil från närmaste station, är det opraktiskt. Istället sonden måste kunna lagra eller generera tillräckligt med energi för decennier fåra utrymme. Som det visade sig, att det är svårt att ordna.
Medan vissa system Ombord bara ibland kräver energi, andra har hela tiden arbeta. Sändare och mottagare måste vara aktiv hela tiden, och i fallet av en bemannad flygning eller rymdstationen måste fungera livsuppehållande system och belysning.
Dr RAO Surampudi — program Manager på teknik, makt i jet propulsion Laboratory vid California Institute of technology. Mer än 30 år, han har designat ett system strömförsörjning för olika rymdfarkoster NASA.
Enligt Surampudi, power supply system för rymdfarkoster i cirka 30% av kollektivtrafiken och kan delas in i tre undergrupper:
- energi produktion.
- lagring av energi.
- power management och distribution
Dessa system är avgörande för driften av rymdfarkoster. De måste ha låg vikt, att leva länge och vara “energi tät”, som är att producera en massa energi från relativt små volymer. De måste också vara mycket tillförlitlig, eftersom en del saker att fixa i rymden skulle vara praktiskt taget omöjligt eller opraktiskt.
Dessa system skall inte bara vara kapabel att driva alla ombord behov, men för att göra det hela uppdraget — av vilka vissa kan pågå i tiotals eller hundratals år.
“Den förväntade livslängden ska vara så lång, eftersom om något går fel, kan du inte fixa det, säger Surampudi. — För att få till Jupiter kommer att ta fem till sju år, till Pluto — mer än tio år, men att lämna solsystemet är 20-30 år.”
På grund av den unika miljö som de arbetar i, system för energiförsörjning av rymdfarkoster måste kunna arbeta under förhållanden av tyngdlöshet och i ett vakuum, utan också för att klara av den enorma strålning (oftast i sådana omständigheter, elektronik fungerar inte). “Om du ska landa på Venus, kan temperaturen nå 460 grader Celsius, men på Jupiter så kan de släppa till -150 grader.”
Ett rymdskepp som är på väg till centrum av vårt solsystem, kommer att få en hel del sol för sina solceller. Solpaneler av rymdfarkoster kan vara liknande konventionella solpaneler för våra hem, men är utformad för ett effektivare arbete än hemma.
Den kraftiga ökningen i temperatur från närheten till Solen kan också orsaka överhettning av solpaneler. Detta är mildras genom att vrida solpaneler bort från Solen, vilket begränsar effekterna av intensivt solljus.
När farkosten går in i omloppsbana runt planeten, solpaneler blir mindre effektiva, de kan inte producera mycket makt på grund av att de förmörkelser och passagen genom skuggan av planeten. Behöver en pålitlig energy storage system.
Atomer svar
En sådan form av lagring av energi är Nickel och väte batterier som kan laddas med mer än 50 000 gånger och som lever mer än 15 år. Till skillnad från kommersiella batterier som inte fungerar i rymden, dessa presenterar förseglat batteri system som kan fungera i ett vakuum.
När du flyger med hjälp av Solen, solens strålning är gradvis minskat från 1,374 W/m2 runt Jorden upp till 50 W/m2 nära Jupiter och Pluto redan är ca 1 W/m2. Därför, när farkosten flyger bakom Jupiters omloppsbana, forskare vänder sig till atomära system för att säkerställa enhet energi.
Den vanligaste typen är den radioisotoper termoelektriska generatorer (RTGs för kort), som användes på Voyager, Cassini och Mars Rover “Nyfikenhet”. Detta är en ssd-enhet utan rörliga delar. De producerar värme i processen av radioaktivt sönderfall av element, till exempel plutonium, och har en livslängd på över 30 år.
När du använder RTGs är omöjligt — till exempel, om vikten av avskärmning krävs för att skydda besättningen, gör enheten opraktiskt, och avståndet mellan Solen och hindrar användningen av solpaneler, sedan gå till en bränslecell.
Väte-syre-bränsle celler användes under rymduppdrag “Apollo” och “Tvillingarna”. Även om väte-syre-bränsle celler kan inte laddas med, de har hög specifik energi och lämnar ingenting, men vatten som kan konsumeras av astronauter.
Aktuell forskning med NASA och JPL kommer att möjliggöra en framtida energiförsörjning system för att generera och lagra mer energi använder mindre utrymme, och för en lång tid. Men nya satelliter kräver mer reserver, eftersom deras system Ombord blir mer komplexa och hungrigare till energi.
Höga energibehov förekommer särskilt när farkosten använder elektriska drivsystem, som jon-motor, första hållas på Deep Space 1 1998 och fram tills nu har med framgång använts på rymdfarkoster. Elektriska drivsystem brukar kasta bort bränsle att använda el på hög hastighet, men andra använder elektrodynamiska tjuder, som samverkar med de magnetiska fälten i planet för att flytta ett rymdskepp.
Mest energi system på Jorden kommer att arbeta i rymden. Alltså, något nytt system för energiförsörjning bör testas grundligt innan installerat på rymdfarkosten. NASA och JPL använda sitt laboratorium för att simulera de hårda villkoren i denna nya teknik kommer att fungera genom att bombardera den nya komponenter och system strålning och utsätta dem för extrema temperaturer.
Extra liv
I nuläget för framtida uppdrag förbereda användning av radioisotoper, Stirling generatorer. Baserat på befintliga RTGs dessa generatorer är mycket mer effektiv än termoelektriska bröder, och kan vara mycket mindre, men med en mer komplex enhet.
Också utvecklat nya typer av batterier för de planerade NASA uppdrag till Europa (en av Jupiters månar). De måste arbeta i temperaturområdet -80 -100 grader Celsius. Att studera möjligheten att skapa avancerade litium-jon-batterier med den dubbla mängden av lagrad energi. De kunde låta astronauterna att spendera två gånger mer tid på månen innan batteriet tar slut.
Utvecklat nya solceller som kan fungera i förhållanden med låg ljusintensitet och temperatur, som är, rymdfarkoster kommer att kunna verka på solenergi längre bort från Solen.
När NASA slutligen bestämmer sig för att bygga en permanent bas på Mars med människor, och kanske på en annan planet. Byrån kommer att behöva ett system för generering av energi som kommer att vara mycket mer kraftfulla som finns tillgängliga.
Månen är rik på helium-3, av sällsynta jordartsmetaller, som kan vara bra bränsle för kärnfusion. Men medan en sådan syntes inte vara stabil eller tillräckligt tillförlitlig för att kunna utgöra grunden för energiförsörjning av rymdfarkoster. Dessutom, en typisk syntes reaktorn, som en tokamak, storleken av ett hus och får inte plats i rymdfarkosten.
Vad om de kärnreaktorer som var alldeles utmärkt för att köra på el rymdfarkoster och planerade uppdrag att landa på månen och Mars? I stället för att ta till kolonin ett separat system för energiförsörjning, man skulle använda en nukleär generator av rymdfarkoster.
Rymdfarkoster med kärnkraft-elektrisk motor anses för långsiktiga uppdrag i framtiden. “Uppdrag att omdirigera en asteroid som kommer att kräva kraftfulla solpaneler som kommer att ge tillräckligt med elektrisk framdrivning, så att farkosten kan manövrera runt asteroiden, säger Surampudi. — Någon gång ska vi köra det på sol, men med tanke på att det kommer att bli mycket billigare.”
Vi kommer dock inte att se rymdfarkost på kärnkraft i många år. “Tekniken är ännu inte tillräckligt Mogen, säger Surampudi. — Vi måste se till att de kommer att vara säkra efter att ha kört”. De har stränga tester som skall visa om det är säkert att omfattas sådana kärntekniska anläggningar prövning av rymden”.
Nya system för energiförsörjning kommer att tillåta att den yttre enheten att arbeta längre och längre resor, men är fortfarande bara i början av sin utveckling. När de kommer med erfarenhet, kommer de att bli kritiska komponenter för bemannade uppdrag till Mars och vidare.