Rumopgaver, der varer flere årtier - eller endda længere - vil kræve en ny generation af strømforsyninger.
Kraftsystemet er en vigtig komponent i rumfartøjet. Disse systemer skal være ekstremt pålidelige og designet til at modstå barske miljøer.
Dagens sofistikerede enheder kræver mere og mere strøm - hvad er fremtiden for deres strømforsyning?
En gennemsnitlig moderne smartphone kan næppe vare en dag på en enkelt opladning. Og Voyager-sonden, der blev lanceret for 38 år siden, sender stadig signaler til Jorden efter at have forladt solsystemet.
Voyager-computere er i stand til 81 tusind operationer i sekundet - men processorens smartphone er syv tusind gange hurtigere.
Når man designer en telefon, antages det naturligvis, at den regelmæssigt bliver genopladet og sandsynligvis ikke ligger flere millioner kilometer fra det nærmeste afsætningsmulighed.
Det vil ikke arbejde for at oplade rumfartøjets batteri, der ifølge planen skal være placeret hundrede millioner kilometer fra den aktuelle kilde, det vil ikke fungere - det skal være i stand til at enten bære batterier med tilstrækkelig kapacitet om bord til at fungere i årtier eller generere elektricitet på egen hånd.
Det viser sig at være ret vanskeligt at løse et sådant designproblem.
Salgsfremmende video:
Nogle indbyggede enheder har kun brug for elektricitet fra tid til anden, men andre er nødt til at køre kontinuerligt.
Modtagere og sendere skal altid være tændt, og i en bemandet flyvning eller på en bemandet rumstation skal også livsstøtte og belysningssystemer være tændt.
Dr. Rao Surampudi leder energiteknologiprogrammet ved Jet Propulsion Laboratory på California Institute of Technology i USA. I over 30 år har han udviklet kraftsystemer til forskellige NASA-køretøjer.
Ifølge ham udgør energisystemet normalt ca. 30% af den samlede masse af rumfartøjet. Det løser tre hovedopgaver:
- elproduktion
- opbevaring af elektricitet
- distribution af elektricitet
Alle disse dele af systemet er vigtige for driften af apparatet. De skal være lette, holdbare og have en høj "energitetthed" - dvs. generere en masse energi med et forholdsvis lille volumen.
Derudover skal de være pålidelige, da det er meget upraktisk at sende en person ud i rummet for at ordne sammenbrud.
Systemet må ikke kun generere nok energi til alle behov, men også gøre det gennem hele flyvningen - og det kan vare i årtier og i fremtiden, måske i århundreder.
”Designlivet skal være langt - hvis noget går i stykker, er der ingen til at reparere,” siger Surampudi. "Flyvningen til Jupiter tager fem til syv år, til Pluto mere end 10 år, og det tager 20 til 30 år at forlade solsystemet."
En rumfartøjs kraftsystemer er under meget specifikke forhold - de skal forblive funktionelle i fravær af tyngdekraft, i et vakuum, under påvirkning af meget intens stråling (hvilket vil deaktivere de fleste konventionelle elektroniske enheder) og ekstreme temperaturer.
”Hvis du lander på Venus, vil 460 grader være over bord,” siger specialisten. "Og når du lander på Jupiter, vil temperaturen være minus 150".
Rumfartøjer, der kører mod solsystemets centrum har ingen mangel på energi indsamlet af deres fotovoltaiske paneler.
Disse paneler ser lidt anderledes ud end solpaneler, der er installeret på tagene i boligbygninger, men samtidig arbejder de med meget højere effektivitet.
Det er meget varmt i nærheden af solen, og PV-panelerne kan overophedes. For at undgå dette er panelerne vendt væk fra solen.
I planetarisk kredsløb er fotovoltaiske paneler mindre effektive: de genererer mindre energi, da de fra tid til anden er indhegnet fra solen af selve planeten. I situationer som dette er et pålideligt energilagringssystem nødvendigt.
Atomopløsning
Et sådant system kan bygges på basis af nikkel-brint-batterier, der kan modstå mere end 50 tusind opladningscyklusser og vare mere end 15 år.
I modsætning til konventionelle batterier, som ikke fungerer i rummet, er disse batterier forseglet og kan fungere normalt i et vakuum.
Når vi bevæger os væk fra solen, falder niveauet for solstråling naturligt: for Jorden er det 1374 watt pr. Kvadratmeter, for Jupiter - 50 og for Pluto - kun en watt per kvadratmeter.
Derfor, hvis rumfartøjet forlader Jupiters bane, bruger det atomkraftsystemer.
Den mest almindelige af disse er radioisotopens termoelektriske generator (RTG), der bruges på Voyager- og Cassini-proberne og på Curiosity rover.
Der er ingen bevægelige dele i disse strømforsyninger. De genererer energi ved at henfalde radioaktive isotoper såsom plutonium. Deres levetid overstiger 30 år.
Hvis det er umuligt at bruge en RTG (for eksempel hvis en skærm, der er for massiv til flyvning er nødvendig for at beskytte besætningen mod stråling), og fotovoltaiske paneler ikke er egnede på grund af en for stor afstand fra solen, kan brændselsceller bruges.
Hydrogen-iltbrændselsceller blev brugt i de amerikanske rumprogrammer Gemini og Apollo. Disse celler kan ikke genoplades, men de frigiver en masse energi, og et biprodukt af denne proces er vand, som besætningen derefter kan drikke.
NASA og Jet Propulsion Laboratory arbejder på at skabe mere kraftfulde, energikrævende og kompakte systemer med en høj levetid.
Men nyt rumfartøj har brug for mere og mere energi: deres indbyggede systemer bliver konstant komplekse og bruger meget strøm.
Dette gælder især for skibe, der bruger et elektrisk drev - for eksempel ionfremdrivningsanordningen, der først blev brugt på Deep Space 1-sonden i 1998 og siden er blevet udbredt.
Elektriske motorer fungerer normalt ved at skubbe brændstof elektrisk ud ved høj hastighed, men der er dem, der accelererer apparatet gennem elektrodynamisk interaktion med planeternes magnetfelter.
De fleste af jordens energisystemer er ikke i stand til at fungere i rummet. Derfor gennemgår enhver ny ordning en række seriøse test, før den installeres på et rumfartøj.
NASA-laboratorier genskaber de hårde forhold, hvor den nye enhed skal fungere: Den bestråles med stråling og udsættes for ekstreme temperaturændringer.
Mod nye grænser
Det er muligt, at forbedrede Stirling-radioisotopgeneratorer bruges i fremtidige flyvninger. De arbejder efter et princip, der ligner RTG, men meget mere effektiv.
Derudover kan de laves meget små - selvom designet er yderligere kompliceret.
Nye batterier er ved at blive bygget til NASAs planlagte flyvning til Europa, en af Jupiters måner. De vil være i stand til at arbejde ved temperaturer fra -80 til -100 grader.
Og de nye lithium-ion-batterier, som designere i øjeblikket arbejder på, vil have dobbelt så stor kapacitet end de nuværende. Med deres hjælp kan astronauter for eksempel bruge dobbelt så lang tid på månens overflade, inden de vender tilbage til skibet for at genoplade.
Nye solcellepaneler designes også, der effektivt kan samle energi i svagt lys og lave temperaturer - dette vil gøre det muligt for enheder på fotovoltaiske paneler at flyve væk fra solen.
På et tidspunkt har NASA planer om at etablere en permanent base på Mars - og muligvis på fjernere planeter.
Energisystemerne i sådanne bosættelser skal være meget mere magtfulde end dem, der bruges i rummet i dag, og designet til meget længere drift.
Der er meget helium-3 på månen - denne isotop findes sjældent på Jorden og er det ideelle brændstof til termonukleare kraftværker. Det har imidlertid endnu ikke været muligt at opnå tilstrækkelig stabilitet af termonuklear fusion for at bruge denne energikilde i rumfartøjer.
Derudover optager eksisterende termonukleare reaktorer området for en flyhangar, og i denne form er det umuligt at bruge dem til rumflyvninger.
Er det muligt at bruge konventionelle atomreaktorer - især i køretøjer med elektrisk fremdrift og i planlagte missioner til Månen og Mars?
I dette tilfælde behøver kolonien ikke at køre en separat strømkilde - en skibsreaktor kan spille sin rolle.
Ved langvarige flyvninger er det muligt, at atomelektrisk fremdrift vil blive brugt.
”Asteroidafbøjningsmissionen kræver store solcellepaneler til at have tilstrækkelig elektrisk kraft til at manøvrere omkring asteroiden,” siger Surampudi. "Vi overvejer i øjeblikket en sol-elektrisk fremdrivningsmulighed, men atom-elektrisk ville være billigere."
Det er dog usandsynligt, at vi vil se atomdrevet rumfartøj i den nærmeste fremtid.
”Denne teknologi er endnu ikke tilstrækkeligt udviklet. Vi skal være helt sikre på dets sikkerhed, inden vi lancerer en sådan enhed i rummet,”forklarer specialist.
Yderligere streng afprøvning er påkrævet for at sikre, at reaktoren er i stand til at modstå stramningen i rumfart.
Alle disse lovende kraftsystemer tillader rumfartøjer at vare længere og flyve lange afstande - men indtil videre er de i de tidlige stadier af udviklingen.
Når testene er afsluttet, vil sådanne systemer blive en obligatorisk komponent i flyvninger til Mars - og videre.