Avaruusmatkat, jotka kestävät useita vuosikymmeniä - tai jopa kauemmin -, vaativat uuden sukupolven teholähteitä.
Sähköjärjestelmä on tärkeä osa avaruusalusta. Näiden järjestelmien on oltava erittäin luotettavia ja suunniteltu kestämään ankaria ympäristöjä.
Nykypäivän kehittyneet laitteet vaativat yhä enemmän virtaa - mikä on niiden virtalähteiden tulevaisuus?
Keskimääräinen moderni älypuhelin voi tuskin kestää päivän yhdellä latauksella. Ja 38 vuotta sitten käynnistetty Voyager-anturi lähettää edelleen signaaleja maapallolle poistuessaan aurinkokunnasta.
Voyager-tietokoneet kykenevät 81 tuhatta operaatiota sekunnissa - mutta älypuhelimen prosessori on seitsemäntuhatta kertaa nopeampi.
Suunniteltaessa puhelinta tietenkin oletetaan, että se latautuu säännöllisesti eikä todennäköisesti ole usean miljoonan kilometrin päässä lähimmästä pistorasiasta.
Avaruusaluksen akun lataaminen ei toimi, sillä suunnitelman mukaan sen pitäisi sijaita sadan miljoonan kilometrin päässä nykyisestä lähteestä. Se ei toimi - sen on kyettävä joko kantamaan aluksella riittävän kapasiteetin akkuja toimimaan vuosikymmenien ajan tai tuottamaan sähköä yksinään.
Tällaisen suunnitteluongelman ratkaiseminen osoittautuu melko vaikeaksi.
Mainosvideo:
Jotkut sisäänrakennetut laitteet tarvitsevat sähköä vain ajoittain, mutta toisten on käytettävä jatkuvasti.
Vastaanottimien ja lähettimien on aina oltava päällä, ja miehitetyssä lennossa tai miehitetyssä avaruusasemassa myös hengenpelastus- ja valaistusjärjestelmät on kytkettävä päälle.
Dr. Rao Surampudi johtaa energiateknologiaohjelmaa Yhdysvaltain Kalifornian teknillisen instituutin suihkukoneiden laboratoriossa. Yli 30 vuoden ajan hän on kehittänyt voimajärjestelmiä erilaisille NASA-ajoneuvoille.
Hänen mukaansa energiajärjestelmän osuus on yleensä noin 30% avaruusaluksen kokonaismassasta. Se ratkaisee kolme päätehtävää:
- sähköntuotanto
- sähkön varastointi
- sähkönjakelu
Kaikki nämä järjestelmän osat ovat elintärkeitä laitteen toiminnalle. Niiden on oltava kevyitä, kestäviä ja niillä on oltava korkea "energiatiheys" - toisin sanoen, ne tuottavat paljon energiaa melko pienellä tilavuudella.
Lisäksi niiden on oltava luotettavia, koska ihmisen lähettäminen avaruuteen korjaamaan viat on erittäin epäkäytännöllinen.
Järjestelmän ei tarvitse vain tuottaa tarpeeksi energiaa kaikkia tarpeita varten, vaan myös tehdä se koko lennon ajan - ja se voi kestää vuosikymmeniä ja tulevaisuudessa, ehkä vuosisatojen ajan.
”Suunnitteluajan tulisi olla pitkä - jos jotain rikkoutuu, ei ole ketään korjattavaa”, Surampudi sanoo. "Lento Jupiteriin kestää viisi tai seitsemän vuotta, Plutoon yli 10 vuotta, ja aurinkokunnan jättäminen vie 20-30 vuotta."
Avaruusaluksen voimajärjestelmät ovat hyvin erityisissä olosuhteissa - niiden on pysyttävä toiminnassa ilman painovoimaa, tyhjiössä, erittäin voimakkaan säteilyn (joka poistaisi useimmat perinteiset elektroniset laitteet) ja äärilämpötilojen vaikutuksesta.
"Jos laskeudut Venukseen, 460 astetta on yli laidan", asiantuntija sanoo. "Ja laskeutuessa Jupiterille, lämpötila on miinus 150".
Auringonsysteemin keskustaa kohti kulkevilla avaruusaluksilla ei ole pulaa aurinkokennojen keräämästä energiasta.
Nämä paneelit näyttävät vähän erilaisilta kuin asuinrakennusten kattoille asennetut aurinkopaneelit, mutta samalla ne toimivat paljon tehokkaammin.
Se on erittäin kuuma lähellä aurinkoa ja PV-paneelit voivat ylikuumentua. Tämän välttämiseksi paneelit käännetään pois auringosta.
Maapallon kiertoradalla aurinkosähköpaneelit ovat vähemmän tehokkaita: ne tuottavat vähemmän energiaa, koska aika ajoin ne ovat ajoittain eristäneet auringon itse planeetalla. Tällaisissa tilanteissa tarvitaan luotettava energian varastointijärjestelmä.
Atomiratkaisu
Tällainen järjestelmä voidaan rakentaa nikkeli-vetyakkujen perusteella, jotka kestävät yli 50 tuhatta latausjaksoa ja kestävät yli 15 vuotta.
Toisin kuin perinteiset paristot, jotka eivät toimi avaruudessa, nämä paristot on suljettu ja voivat toimia normaalisti tyhjiössä.
Kun siirrymme pois auringosta, auringon säteilytaso laskee luonnollisesti: maapallolla se on 1374 wattia neliömetriltä, Jupiterilla - 50 ja Plutolla - vain yksi watti neliömetriltä.
Siksi, jos avaruusalus lähtee Jupiterin kiertoradalta, se käyttää atomivoimajärjestelmiä.
Yleisin näistä on radioisotooppinen termoelektroniikkageneraattori (RTG), jota käytetään Voyager- ja Cassini-koettimissa ja Curiosity-roverissa.
Näissä virtalähteissä ei ole liikkuvia osia. Ne tuottavat energiaa hajottamalla radioaktiivisia isotooppeja, kuten plutoniumia. Niiden käyttöikä on yli 30 vuotta.
Jos RTG: n käyttäminen on mahdotonta (esimerkiksi jos lentoon tarvitaan liian massiivista näyttöä miehistön suojelemiseksi säteilyltä), ja aurinkosähköpaneelit eivät sovellu liian suuren etäisyyden vuoksi auringosta, voidaan käyttää polttokennoja.
Vety-happea polttokennoja käytettiin amerikkalaisissa avaruusohjelmissa Gemini ja Apollo. Näitä soluja ei voida ladata uudelleen, mutta ne vapauttavat paljon energiaa, ja tämän prosessin sivutuote on vesi, jonka miehistö voi sitten juoda.
NASA ja Jet Propulsion Laboratory pyrkivät luomaan tehokkaampia, energiaintensiivisiä ja kompakteja järjestelmiä, joilla on pitkä käyttöikä.
Mutta uudet avaruusalukset tarvitsevat yhä enemmän energiaa: niiden aluksella olevat järjestelmät muuttuvat jatkuvasti monimutkaisiksi ja kuluttavat paljon sähköä.
Tämä pätee erityisesti laivoihin, jotka käyttävät sähkökäyttöä - esimerkiksi ionikäyttölaite, jota käytettiin ensimmäisen kerran Deep Space 1 -anturissa vuonna 1998 ja jota on sen jälkeen käytetty laajalti.
Sähkömoottorit toimivat yleensä poistamalla polttoainetta sähköisesti suurella nopeudella, mutta on myös sellaisia, jotka kiihdyttävät laitetta sähköodynaamisella vuorovaikutuksella planeettojen magneettikentien kanssa.
Suurin osa maapallon energiajärjestelmistä ei pysty toimimaan avaruudessa. Siksi kaikki uudet järjestelmät käyvät läpi vakavien testien sarjan ennen niiden asentamista avaruusalukseen.
NASA: n laboratoriot luovat uudelleen vaikeat olosuhteet, joissa uuden laitteen on toimittava: se säteilytetään säteilyllä ja altistetaan äärimmäisille lämpötilan muutoksille.
Kohti uusia rajoja
On mahdollista, että parannettuja Stirling-radioisotooppigeneraattoreita käytetään tulevissa lennoissa. Ne toimivat samanlaisella periaatteella kuin RTG, mutta paljon tehokkaampia.
Lisäksi niistä voidaan tehdä hyvin pieniä - vaikka suunnittelu onkin edelleen monimutkaista.
Uusia akkuja rakennetaan NASA: n suunnitellulle lennolle Eurooppaan, joka on yksi Jupiterin kuukausista. He pystyvät toimimaan lämpötiloissa välillä -80 - -100 astetta.
Ja uusilla litium-ioniakuilla, joiden suunnittelijat parhaillaan työskentelevät, on kaksi kertaa enemmän kapasiteettia kuin nykyisillä. Niiden avulla astronautit voivat esimerkiksi viettää kaksi kertaa pidempään kuun pinnalla ennen paluutaan laivaan.
Suunnitteilla on myös uusia aurinkopaneeleja, jotka voisivat tehokkaasti kerätä energiaa hämärässä ja matalassa lämpötilassa - tämä antaa aurinkosähköpaneeleissa olevien laitteiden lentää pois auringosta.
Jossain vaiheessa NASA aikoo perustaa pysyvän tukikohdan Marsille - ja mahdollisesti kauemmille planeetoille.
Tällaisten siirtokuntien energiajärjestelmien tulisi olla paljon tehokkaampia kuin nykyään avaruudessa käytettävät, ja suunniteltu paljon pidempään käyttöön.
Kuussa on paljon helium-3 - tätä isotooppia esiintyy harvoin maan päällä ja se on ihanteellinen polttoaine lämpöydinvoimalaitoksille. Lämpöydinfuusion riittävää vakautta ei kuitenkaan ole vielä ollut mahdollista saavuttaa tämän energialähteen käyttämiseksi avaruusaluksissa.
Lisäksi nykyiset lämpöydinreaktorit miehittävät lentokoneen angaarin alueen, ja tässä muodossa niitä on mahdotonta käyttää avaruuslentoihin.
Onko mahdollista käyttää tavanomaisia ydinreaktoreita - etenkin ajoneuvoissa, joissa on sähkökäyttöinen voimavara ja suunnitelluissa matkoissa kuuun ja Marsiin?
Tässä tapauksessa siirtokunnan ei tarvitse käyttää erillistä sähkölähdettä - laivan reaktori voi toimia roolissaan.
Pitkäaikaisissa lennoissa on mahdollista, että käytetään atomisähköisiä potkureita.
"Asteroidin ohjausoperaatio vaatii suuria aurinkopaneeleja, jotta niillä olisi tarpeeksi sähkövoimaa asteroidin ympärillä liikkumiseksi", Surampudi sanoo. "Harkitsemme parhaillaan aurinkoenergian käyttövoimavaihtoehtoa, mutta atomi-sähkö olisi halvempaa."
Emme todennäköisesti näe ydinvoimaloita käyttäviä avaruusaluksia lähitulevaisuudessa.
”Tätä tekniikkaa ei ole vielä kehitetty riittävästi. Meidän on oltava ehdottomasti varmoja sen turvallisuudesta ennen kuin laukaistaan tällainen laite avaruuteen”, asiantuntija selittää.
Tarvitaan vielä tiukkoja lisävarusteita sen varmistamiseksi, että reaktori kykenee kestämään avaruuslennon vaikeudet.
Kaikkien näiden lupaavien voimajärjestelmien avulla avaruusalukset voivat kestää pidempään ja lentää pitkiä matkoja - mutta toistaiseksi ne ovat kehitysvaiheessa.
Kun testit on suoritettu onnistuneesti, näistä järjestelmistä tulee pakollinen osa lentoja Marsiin - ja sen ulkopuolelle.