Wat drijft ruimtevaartuigen naar buitenplaneten en verder?

De meeste ruimtevaartuigen, inclusief satellieten en sommige Mars-landers, vertrouwen op zonnepanelen, maar voor ruige en complexe uitstapjes zoals de Mars Nieuwsgierigheid rover-missie en extreem lange-termijnvluchten zoals degene die zojuist heeft plaatsgevonden Nieuwe horizonten door Pluto en zijn manen, kan alleen energie die wordt gewonnen uit radioactieve bronnen voldoende kracht leveren.

Een artistieke weergave van het vaartuig dat net langs Pluto ging.

NASA gebruikt radio-isotopen thermo-elektrische generatoren (RTG's), een slimme combinatie van materiaal dat ooit werd gewonnen uit de bijproducten van kernwapens en een 200 jaar oude techniek om temperatuurverschillen om te zetten in elektriciteit. RTG's begonnen in 1969 NASA-missies aan te drijven.

Hoe het werkt

Een RTG maakt gebruik van warmte die wordt gegenereerd door het radioactieve verval van plutonium-238-dioxide, dat kan worden geraffineerd uit de bijproducten van het verrijkingsproces dat nodig is om een ​​zwaardere, meer splijtbare isotoop, plutonium-239, voor kernwapens te produceren. De lichtere isotoop produceert heel weinig gammastraling, waardoor hij relatief weinig afscherming nodig heeft in een ruimtevaartuig.

Terwijl de Pu-238 tijdens zijn bijna 88-jarige halfwaardetijd vervalt - na 88 jaar blijft ongeveer de helft van de oorspronkelijke massa over en vervolgens weer de helft in elke opeenvolgende periode van 88 jaar - wordt zijn warmte omgezet in elektriciteit via thermo-elektrische paren (of thermokoppels). ), die berusten op het Seebeck-effect. Dit werd voor het eerst beschreven in 1821 door de Duitse natuurkundige Thomas Johann Seebeck, hoewel hij niet helemaal besefte wat hij zag: dat er een elektrische stroom vloeit tussen twee metalen die op verschillende temperaturen worden gehouden.

In het type RTG dat wordt gebruikt in Nieuwe horizonten en verschillende eerdere missies, de hete kant van de verbinding is gemiddeld 1308 Kelvin (1894 ° F) bij de lancering en de koude kant ongeveer 566 Kelvin (559 ° F). De maximale temperatuur neemt in de loop van de tijd af naarmate de brandstof vergaat, wat bijdraagt ​​aan een geleidelijke vermindering van het elektrisch vermogen. Maar na jaren in de ruimte blijft er genoeg stroom over om meerdere wetenschappelijke instrumenten van stroom te voorzien, computers te laten draaien en datacommunicatie over lange afstanden af ​​te handelen.

Krimpende voorraad

Het Amerikaanse ministerie van Energie produceerde vroeger Pu-238 op zijn Savannah River Site in South Carolina, maar stopte eind jaren tachtig met het maken van plutonium voor wapens. De regering vulde haar slinkende voorraad aan door plutonium uit Rusland te kopen, maar Rusland stopte de verzendingen in 2009 en heeft mogelijk weinig of niets meer in bruikbare vorm. (Rusland gebruikt geen RTG's voor ruimtevluchten, en de European Space Agency ook niet.)

De Verenigde Staten hebben naar schatting ongeveer 37 kilogram verouderende Pu-238, maar Jim Green, de directeur van de planetaire wetenschapsafdeling van NASA, zegt dat slechts ongeveer 17 kilogram in een vorm is die kan worden gebruikt voor RTG's. Om de figuur in perspectief te plaatsen, bedenk dat: Nieuwe horizonten begon zijn missie met 11 kilogram. Nieuwsgierigheid draagt ​​een karige 4,8 kilogram, maar het heeft ook lithiumbatterijen die de RTG oplaadt tijdens inactieve perioden, waardoor de Marsrover een grote algemene energievoorziening heeft tijdens zijn bewegingen en experimenten overdag.

NASA financiert een inspanning van het Department of Energy om een ​​nieuwe productiecyclus te ontwikkelen waarbij drie nationale laboratoria betrokken zijn: Los Alamos, Oak Ridge en Idaho. Tegen 2021 hoopt de operatie 1,5 kilogram plutonium-238-dioxide per jaar te produceren.

Gezien de schaarste en het feit dat de huidige RTG's extreem inefficiënt zijn - ze zetten iets meer dan 6 procent van de warmte-output om in elektriciteit - zal NASA's aanstaande missie om Europa, een ijzige maan van Jupiter, te onderzoeken op zonne-energie werken. Tot voor kort werd het als onhaalbaar beschouwd om zonne-energie op die afstand te gebruiken, maar verbeteringen in de terrestrische technologie hebben geholpen. De European Space Agency heeft ook een Jupiter-missie op zonne-energie, JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), die in 2022 zal worden gelanceerd.

Er worden verschillende inspanningen geleverd om de efficiëntie van thermokoppels te verbeteren door nieuwe materialen of volledig herwerkte RTG-ontwerpen te gebruiken. Een upgrade op korte termijn naar de modulestijl die wordt gebruikt in Nieuwsgierigheid zou de geëxtraheerde elektriciteit kunnen verhogen tot 8 procent - dus een derde meer vermogen uit dezelfde brandstof - terwijl projecten op langere termijn een efficiëntie van maar liefst 15 procent kunnen bereiken.

Andere aanpak

Een ander heel oud idee voor het aandrijven van ruimtevaartuigen ligt nu op de plank, maar het kan worden afgestoft. Jarenlang financierde NASA de ontwikkeling van de Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG), die, net als het Seebeck-effect, gebaseerd is op een 200 jaar oud idee. Een Stirlingmotor wekt elektriciteit op uit een zuiger die wordt aangedreven door een warmteverschil, net als een thermokoppel, maar met enkele mechanische onderdelen. De zuiger in dit ontwerp drijft in helium om fysieke slijtage te voorkomen.

De ASRG zou vier keer de efficiëntie kunnen hebben van de huidige RTG's, of ongeveer 26 procent. Dit zou de schaarse Pu-238 veel verder uitstrekken. Het is ook niet alleen theoretisch: een prototype van de ASRG draait al tien jaar zonder mankeren in een laboratorium. Het enige probleem is dat het ASRG-budget in 2013 werd bezuinigd. NASA's hoofd van planetaire wetenschappen, Green, staat te popelen om het werk opnieuw op te starten.

De afhaalmaaltijd:

Zonne-energie zal een grotere rol spelen in de toekomst van planetaire verkenning. Maar er blijven veel punten die ambacht met alleen zonnepanelen niet kunnen bereiken, en veel wetenschappelijke instrumenten vereisen meer energie dan haalbaar of economisch is om via zonnepanelen te laten werken. RTG's zijn vereist om Saturnus en verder te bereiken, maankraters te verkennen en de donkere kant van Mercurius te bezoeken, en ambitieuze, uitgebreide wetenschap mogelijk te maken op de schaal van de reizigers .

Het volgende Pluto-vaartuig zal plutonium aan boord hebben. Het is een kwestie van ervoor zorgen dat er genoeg is en dat het goed wordt gebruikt.

Heb je een grote vraag? Stuur suggesties naar [email protected].

zich verstoppen