Strømforsyningssystemer (strømforsyning, hvis det er enklere, fordi selv maskiner har brug for at spise noget) er en vigtig del af rumfartøjet. De skal arbejde under ekstreme forhold og være ekstremt pålidelige. Med de stadigt voksende energibehov fra komplekse rumfartøjer, har vi brug for nye teknologier i fremtiden. Opgaver, der vil vare i årtier, vil kræve en ny generation af strømforsyninger. Hvilke muligheder?
De nyeste mobiltelefoner kan næppe overleve en dag uden at være tilsluttet en stikkontakt. Men Voyager-sonden, der blev lanceret for 38 år siden, sender os stadig oplysninger ud over solsystemet. Voyager-prober er i stand til effektivt at behandle 81.000 instruktioner hvert sekund, men i gennemsnit er smartphones 7.000 gange hurtigere.
Dine mobiltelefoner er selvfølgelig født til at blive genopladet regelmæssigt og vil sandsynligvis ikke gå flere millioner kilometer fra den nærmeste forretning. Det er ikke praktisk at oplade et rumfartøj, der er 100 millioner kilometer fra den nærmeste station. I stedet skal et rumfartøj være i stand til at lagre eller generere nok energi til at navigere i rummet i årtier. Og det, som det viste sig, er vanskeligt at arrangere.
Mens nogle indbyggede systemer kun lejlighedsvis kræver energi, skal andre køre konstant. Transponders og modtagere skal være aktive på alle tidspunkter, og i tilfælde af en bemandet flyve- eller rumstation skal livsstøtte og belysningssystemer også fungere.
Dr. Rao Surampudi er Power Technology Program Manager ved Jet Propulsion Laboratory på Californien Institute of Technology. I over 30 år har han udviklet strømforsyningssystemer til forskellige NASA-rumfartøjer.
Ifølge Surampudi tegner rumfartøjssystemerne sig for ca. 30% af transportmassen og kan opdeles i tre vigtige undergrupper:
kraftproduktion;
Salgsfremmende video:
energilagring;
strømstyring og distribution
Disse systemer er kritiske for rumfartøjets funktion. De skal have en lav masse, leve længe og være "energisk tæt", dvs. producere en masse energi fra relativt små mængder. De skal også være ganske pålidelige, fordi nogle ting i rummet ville være næsten urealistiske eller upraktiske at løse.
Disse systemer må ikke kun være i stand til at levere strøm til alle behov ombord, men også gøre det gennem hele missionen - hvoraf nogle kan vare titusinder eller hundreder af år.
”Forventet levealder skal være lang, for hvis noget går galt, kan du ikke løse det,” siger Surampudi. "Det vil tage fem til syv år at komme til Jupiter, mere end ti år til Pluto, men det er 20-30 år at forlade solsystemet."
På grund af det unikke miljø, de opererer i, skal rumfartøjets strømforsyningssystemer være i stand til at fungere i nul-tyngdekraft og i et vakuum samt modstå kolossal stråling (normalt under sådanne forhold fungerer elektronik ikke). "Hvis du lander på Venus, kan temperaturerne nå op på 460 grader celsius, men på Jupiter kan de falde til -150 grader."
Rumfartøjet, der er på vej mod midten af vores solsystem, vil modtage en masse solenergi til sine solcellepaneler. Rumfartøjssolpaneler kan se ud som almindelige solpaneler til vores hjem, men er designet til at arbejde mere effektivt end derhjemme.
Den pludselige stigning i temperaturen i nærheden af solen kan også forårsage, at solcellepaneler overophedes. Dette mindskes ved at dreje solcellepanelerne væk fra solen, hvilket begrænser udsættelsen for intense stråler.
Når et rumfartøj kommer ind i en planets kredsløb, bliver solceller mindre effektive; de kan ikke generere meget energi på grund af formørkelser og passerer gennem planetens skygge. Et pålideligt energilagringssystem er nødvendigt.
Atomer reagerer
En sådan type energilagringssystem er nikkel-brintbatterier, der kan genoplades mere end 50.000 gange og har en levetid på over 15 år. I modsætning til kommercielle batterier, der ikke fungerer i rummet, er disse batterier hermetisk forseglede systemer, der kan fungere i et vakuum.
Når du flyver væk fra solen, falder solstrålingen gradvist fra 1,374 W / m2 rundt om Jorden til 50 W / m2 nær Jupiter, mens Pluto allerede udgør ca. 1 W / m2. Når et rumfartøj flyver ud af Jupiters bane, vender forskere derfor til atomsystemer for at give rumfartøjet energi.
Den mest almindelige type er radioisotop termoelektriske generatorer (RTG'er til kort), som blev brugt på Voyager, Cassini og Curiosity rover. Det er enheder i fast tilstand, der ikke har bevægelige dele. De genererer varme under det radioaktive forfald af elementer som plutonium og har en levetid på over 30 år.
Når brugen af en RTG ikke er mulig - for eksempel hvis vægten af afskærmningen, der kræves for at beskytte besætningen, gør apparatet upraktisk - og afstanden fra Solen udelukker brug af solcellepaneler, drejes brændselsceller.
Hydrogen-iltbrændselsceller blev brugt under Apollo- og Gemini-rummissionen. Selvom brintceller med brint-ilt ikke kan genoplades, har de en høj specifik energi og efterlader intet andet end vand til astronauter at drikke.
Løbende forskning fra NASA og JPL vil gøre det muligt for fremtidige kraftsystemer at generere og opbevare mere energi med mindre plads og i længere tid. Ikke desto mindre kræver nye rumfartøjer flere og flere reserver, efterhånden som deres indbyggede systemer bliver mere komplekse og sultne på energi.
De høje energikrav gælder især, når rumfartøjet bruger et elektrisk fremdrivningssystem som ionmotoren, der først blev leveret til Deep Space 1 i 1998 og stadig brugt på rumfartøjer. Elektriske fremdrivningssystemer skubber normalt ud brændstof med elektricitet i høj hastighed, men andre bruger elektrodynamiske reb, der interagerer med planetens magnetiske felter for at bevæge rumfartøjet.
De fleste af energisystemerne på Jorden fungerer ikke i rummet. Derfor skal ethvert nyt strømforsyningssystem testes grundigt, inden det installeres på et rumfartøj. NASA og JPL bruger deres laboratorier til at simulere de barske forhold, denne nye teknologi vil fungere i, bombarderer nye komponenter og systemer med stråling og udsætter dem for ekstreme temperaturer.
Ekstra liv
Stirling radioisotopgeneratorer er i øjeblikket under forberedelse til fremtidige missioner. Baseret på eksisterende RTG'er er disse generatorer meget mere effektive end deres termoelektriske søskende og kan være meget mindre, omend med et mere komplekst arrangement.
Nye typer batterier udvikles også til NASAs planlagte mission til Europa (en af Jupiters måner). De skal arbejde i et temperaturområde fra -80 til -100 grader celsius. Muligheden for at skabe avancerede lithium-ion-batterier med dobbelt den lagrede energi undersøges. De kunne tillade astronauter at tilbringe dobbelt så lang tid på månen, før batterierne løber tør.
Nye solcellepaneler er under udvikling, som vil være i stand til at fungere under forhold med reduceret lysintensitet og temperaturer, dvs. rumfartøjet vil være i stand til at arbejde på solenergi længere væk fra solen.
En dag vil NASA endelig beslutte at bygge en permanent base på Mars med mennesker og måske på en anden planet. Agenturet har brug for elproduktionssystemer, der er meget mere kraftfulde end eksisterende.
Månen er rig på helium-3, et sjældent element på Jorden, der kunne være et ideelt brændstof til nuklear fusion. Indtil videre betragtes en sådan syntese ikke som stabil eller pålidelig nok til at danne grundlaget for rumfartøjets strømforsyning. Derudover er en typisk fusionsreaktor, såsom en tokamak, omtrent på størrelse med et hus og vil ikke passe ind i et rumfartøj.
Hvad med atomreaktorer, der ville være perfekte til elektrisk drevet rumfartøj og planlagte missioner til at lande på Månen og Mars? I stedet for at bringe et separat strømforsyningssystem til kolonien, kunne rumfartøjets kernegenerator bruges.
Rumfartøjer med en nuklearelektrisk motortype overvejes til langsigtede missioner i fremtiden. "En asteroide omdirigeringsmission vil kræve kraftfulde solcellepaneler, der giver tilstrækkelig elektrisk fremdrift til rumfartøjet til at manøvrere omkring asteroiden," siger Surampudi. "På et tidspunkt skulle vi lancere den på solenergi, men med atomkraft vil alt være meget billigere."
Vi vil dog ikke se atomdrevet rumfartøj i mange år.”Teknologien er ikke modnet endnu,” siger Surampudi. "Vi er nødt til at sikre, at de er sikre efter lanceringen." De bliver nødt til at gennemgå en streng test for at vise, om det er sikkert at udsætte sådanne nukleare anlæg for de hårde rumtest."
De nye energiforsyningssystemer giver rumfartøjet mulighed for at fungere længere og køre videre, men er stadig kun i begyndelsen af deres udvikling. Når de testes, vil de blive kritiske komponenter til bemande missioner til Mars og videre.