Virtalähdejärjestelmät (virtalähde, jos se on yksinkertaisempaa, koska jopa koneiden on syödä jotain) ovat tärkeä osa avaruusalusta. Heidän on työskenneltävä ääriolosuhteissa ja oltava erittäin luotettavia. Monimutkaisten avaruusalusten jatkuvasti kasvavien energiantarpeiden vuoksi tarvitsemme kuitenkin tulevaisuudessa uutta tekniikkaa. Vuosikymmeniä kestävät tehtävät vaativat uuden sukupolven virtalähteitä. Mitä vaihtoehtoja?
Uusimmat matkapuhelimet voivat tuskin selviytyä päivästä ilman, että niitä tarvitsee kytkeä pistorasiaan. Mutta 38 vuotta sitten käynnistetty Voyager-anturi lähettää meille edelleen tietoa aurinkokunnan ulkopuolelta. Voyager-anturit pystyvät käsittelemään tehokkaasti 81 000 käskyä sekunnissa, mutta älypuhelimet ovat keskimäärin 7 000 kertaa nopeampia.
Matkapuhelimesi ovat tietysti syntyneet säännöllisesti ladattaviksi, ja todennäköisesti ne eivät mene usean miljoonan kilometrin päässä lähimmästä pistorasiasta. Ei ole käytännöllistä ladata avaruusalusta, joka on 100 miljoonaa kilometriä lähimmästä asemasta. Avaruusaluksen on sen sijaan kyettävä varastoimaan tai tuottamaan tarpeeksi energiaa navigoimaan avaruudessa vuosikymmenien ajan. Ja tätä, kuten kävi ilmi, on vaikea järjestää.
Vaikka jotkut ajoneuvoissa käytettävät järjestelmät vaativat vain satunnaisesti energiaa, toisten on oltava jatkuvasti käynnissä. Transponderien ja vastaanottimien on oltava aktiivisia koko ajan, ja miehitetyn lento- tai avaruusaseman tapauksessa myös elämän tukemisen ja valaistusjärjestelmien on toimittava.
Dr. Rao Surampudi on Kalifornian teknillisen instituutin jet-propulsiolaboratorion sähkötekniikan ohjelmapäällikkö. Yli 30 vuoden ajan hän on kehittänyt virtalähdejärjestelmiä erilaisille NASA-avaruusaluksille.
Surampudin mukaan avaruusalusten energiajärjestelmät muodostavat noin 30% kuljetusmassasta, ja ne voidaan jakaa kolmeen tärkeään alaryhmään:
sähköntuotanto;
Mainosvideo:
energia varasto;
virranhallinta ja jakelu
Nämä järjestelmät ovat kriittisiä avaruusaluksen toiminnalle. Niiden on oltava pieni massa, elää kauan ja olla "energisesti tiheitä", eli tuottaa paljon energiaa suhteellisen pienistä määristä. Niiden on myös oltava melko luotettavia, koska joitain avaruudessa olevia asioita olisi melkein epärealistista tai epäkäytännöllistä korjata.
Näiden järjestelmien on paitsi pystyttävä tarjoamaan virtaa kaikille aluksella oleville tarpeille, mutta myös toimittamaan sitä koko tehtävän ajan - joista osa voi kestää kymmeniä tai satoja vuosia.
”Odotettavan eliniän on oltava pitkä, koska jos jotain menee pieleen, et voi korjata sitä”, Surampudi sanoo. "Jupiteriin kuluu viisi tai seitsemän vuotta, Plutoon yli kymmenen vuotta, mutta aurinkokunnan jättäminen on 20-30 vuotta."
Ainutlaatuisen ympäristön vuoksi, jossa ne toimivat, avaruusaluksen virtalähdejärjestelmien on kyettävä toimimaan nollapainolla ja tyhjiössä sekä kestämään kolossaalista säteilyä (yleensä elektroniikka ei toimi tällaisissa olosuhteissa). "Jos laskeudut Venuselle, lämpötilat voivat nousta 460 asteeseen, mutta Jupiterilla ne voivat laskea -150 asteeseen."
Avaruusalus, joka on menossa kohti aurinkokunnan järjestelmäämme, saa paljon aurinkoenergiaa aurinkosähköpaneeleilleen. Avaruusalusten aurinkopaneelit saattavat näyttää tavallisilta aurinkopaneeleilta koteihimme, mutta ne on suunniteltu toimimaan tehokkaammin kuin kotona.
Lämpötilan äkillinen nousu auringon läheisyydestä voi myös aiheuttaa aurinkopaneelien ylikuumenemisen. Tätä lievitetään kiertämällä aurinkopaneeleja pois auringosta, mikä rajoittaa altistumista voimakkaille säteille.
Kun avaruusalusta tulee planeetan kiertoradalle, aurinkokennot muuttuvat vähemmän tehokkaiksi; ne eivät voi tuottaa paljon energiaa johtuen pimennyksistä ja planeetan varjon läpi kulkemisesta. Tarvitaan luotettava energian varastointijärjestelmä.
Atomit vastaavat
Yksi tällainen energiansäästöjärjestelmä on nikkeli-vetyakut, joita voidaan ladata yli 50 000 kertaa ja joiden käyttöikä on yli 15 vuotta. Toisin kuin kaupalliset akut, jotka eivät toimi avaruudessa, nämä paristot ovat ilmatiiviisti suljettuja järjestelmiä, jotka voivat toimia tyhjiössä.
Kun lentää pois auringosta, auringonsäteily laskee vähitellen 1,374 W / m2: stä maapallon ympärillä 50 W / m2: iin lähellä Jupiteria, kun taas Pluton määrä on jo noin 1 W / m2. Siksi, kun avaruusalus lentää Jupiterin kiertoradalta, tutkijat kääntyvät atomijärjestelmien puolelle tarjotakseen avaruusalukselle energiaa.
Yleisin tyyppi on radioisotooppiset termoelektriset generaattorit (lyhyet RTG: t), joita on käytetty Voyagerissa, Cassinissa ja Curiosity-roverissa. Ne ovat solid-state-laitteita, joissa ei ole liikkuvia osia. Ne tuottavat lämpöä esimerkiksi plutoniumin kaltaisten alkuaineiden radioaktiivisen hajoamisen aikana ja niiden elinikä on yli 30 vuotta.
Kun RTG: n käyttö ei ole mahdollista - esimerkiksi jos miehistön suojelemiseksi tarvittavan suojan paino tekee laitteesta epäkäytännöllisen - ja etäisyys auringosta estää aurinkopaneelien käytön, polttokennot käännetään.
Vety-happea polttokennoja käytettiin Apollon ja Geminin avaruusoperaatioiden aikana. Vaikka vety-happea polttokennoja ei voida ladata, niillä on korkea ominaisenergia, ja ne eivät jätä mitään muuta kuin vettä astronautien juomiseen.
NASA: n ja JPL: n meneillään oleva tutkimus antaa tulevaisuuden voimajärjestelmille mahdollisuuden tuottaa ja varastoida enemmän energiaa vähemmän tilaa ja pidempään aikaan. Siitä huolimatta uudet avaruusalukset vaativat yhä enemmän varantoja, koska niiden aluksella olevat järjestelmät muuttuvat monimutkaisemmiksi ja nälkäisiksi energian suhteen.
Suuret energiantarpeet ovat erityisen totta, kun avaruusalus käyttää sähkömoottorijärjestelmää, kuten ionimoottori, joka ensin toimitettiin Deep Space 1: lle vuonna 1998 ja jota käytettiin edelleen menestyksellisesti avaruusaluksella. Sähkökäyttöiset järjestelmät työntävät polttoainetta yleensä suurella nopeudella sähköllä, mutta toiset käyttävät avaruusaluksen liikuttamiseen sähköodynaamisia köysiä, jotka ovat vuorovaikutuksessa planeetan magneettikenttien kanssa.
Suurin osa maan energiajärjestelmistä ei toimi avaruudessa. Siksi kaikki uudet virransyöttöjärjestelmät on testattava perusteellisesti ennen niiden asentamista avaruusalukseen. NASA ja JPL käyttävät laboratorioitaan simuloidakseen vaikeita olosuhteita, joissa tämä uusi tekniikka toimii, pommittamalla uusia komponentteja ja järjestelmiä säteilyllä ja altistamalla ne äärimmäisille lämpötiloille.
Lisäelämä
Stirling radioisotooppigeneraattoreita valmistellaan parhaillaan tulevia tehtäviä varten. Perustuen olemassa oleviin RTG: iin, nämä generaattorit ovat paljon tehokkaampia kuin niiden termoelektriset sisarukset, ja voivat olla paljon pienempiä, vaikkakin monimutkaisemmalla järjestelyllä.
Uusia akkutyyppejä kehitetään myös NASAn suunnitellulle matkalle Eurooppaan (yksi Jupiterin kuista). Niiden on toimittava lämpötila-alueella -80-100 celsiusastetta. Parhaillaan tutkitaan mahdollisuutta luoda edistyneitä litium-ioni-akkuja kaksinkertaisesti varastoidulla energialla. He voisivat antaa astronautien viettää kaksi kertaa niin pitkään kuussa, ennen kuin paristot loppuvat.
Kehitetään uusia aurinkopaneeleja, jotka kykenevät toimimaan alentuneessa valon voimakkuudessa ja lämpötiloissa, toisin sanoen, avaruusalukset voivat toimia aurinkoenergialla kauempana auringosta.
Eräänä päivänä NASA päättää lopulta rakentaa pysyvän tukikohdan Marsille ihmisten kanssa ja ehkä toiselle planeetalle. Virasto tarvitsee huomattavasti tehokkaampia sähköntuotantojärjestelmiä kuin nykyiset.
Kuussa on runsaasti helium-3: ta, joka on harvinainen elementti maan päällä, joka voisi olla ihanteellinen polttoaine ydinfuusioon. Tällaista synteesiä ei kuitenkaan ole toistaiseksi pidetty riittävän vakaana tai luotettavana perustaksi avaruusaluksen virtalähteelle. Lisäksi tyypillinen fuusioreaktori, kuten tokamaki, on kooltaan kooltaan kooltaan eikä sovi avaruusalukseen.
Entä ydinreaktorit, jotka sopisivat täydellisesti sähkökäyttöisiin avaruusaluksiin ja suunniteltuihin tehtäviin laskeutuakseen Kuulle ja Marsille? Avaruusaluksen ydingeneraattoria voitaisiin käyttää erillisen virransyöttöjärjestelmän tuomiseen siirtokuntaan.
Avaruusaluksia, joissa on ydinsähköinen moottori, harkitaan tulevaisuuden pitkäaikaisiin tehtäviin. "Asteroidin uudelleenohjausoperaatio vaatii voimakkaita aurinkopaneeleja, jotka tarjoavat tarpeeksi sähkökäyttöä avaruusaluksen liikkumiselle asteroidin ympärillä", Surampudi sanoo. "Jossain vaiheessa aiottiin käynnistää se aurinkoenergian alalla, mutta ydinvoimalla kaikki tulee olemaan paljon halvempaa."
Emme kuitenkaan näe ydinvoimaloita käyttäviä avaruusaluksia monien vuosien ajan. "Teknologia ei ole vielä kypsynyt", Surampudi sanoo. "Meidän on varmistettava, että ne ovat turvallisia julkaisun jälkeen." Heidän on suoritettava tiukat testit osoittaakseen, onko turvallista altistaa tällaiset ydinlaitokset avaruuden koville kokeille."
Uusien energiansyöttöjärjestelmien avulla avaruusalukset voivat toimia pidempään ja matkustaa pidemmälle, mutta ovat vielä vasta kehitysvaiheessaan. Testattuinaan niistä tulee kriittisiä komponentteja miehitetyille matkoille Marsiin ja sen ulkopuolelle.