τι θα τροφοδοτήση το αυριανό Διαστημόπλοιο;

Συστήματα ισχύος είναι ένα κρίσιμο μέρος ενός διαστημικού οχήματος. Πρέπει να είναι σε θέση να λειτουργήσει σε ακραία περιβάλλοντα και να είναι απόλυτα αξιόπιστο. Ωστόσο, με τις συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις ισχύος των πιο πολύπλοκων διαστημόπλοιο, τι επιφυλάσσει το μέλλον για τις τεχνολογίες τους δύναμη;

Τα τελευταία κινητά τηλέφωνα μπορεί να διαρκέσει μόλις μια ημέρα χωρίς την ανάγκη να συνδεθεί σε μια πρίζα. Ωστόσο, το διαστημόπλοιο Voyager, η οποία ξεκίνησε πριν από 38 χρόνια, εξακολουθεί να μας στείλετε πληροφορίες πέρα από τις άκρες του ηλιακού μας συστήματος. Τα διαστημόπλοια Voyager είναι σε θέση να επεξεργάζονται αποτελεσματικά 81.000 εντολές ανά δευτερόλεπτο, αλλά ο μέσος όρος smartphone είναι περισσότερο από 7.000 φορές πιο γρήγορα.

Το κινητό σας τηλέφωνο είναι, φυσικά, σχεδιασμένο για την τακτική επαναφόρτιση, και είναι απίθανο να είναι ποτέ αρκετά εκατομμύρια μίλια από την πλησιέστερη πρίζα. Επαναφόρτιση ένα διαστημικό σκάφος, όταν είναι 100 εκατομμύρια μίλια από το πλησιέστερο σημείο φόρτισης, είναι πρακτικά αδύνατη. Αντ 'αυτού, ένα διαστημικό σκάφος πρέπει να είναι σε θέση να αποθηκεύσουν ή να δημιουργήσει αρκετή δύναμη για να κρατήσει για δεκαετίες στο χώρο. Δηλαδή, αποδεικνύεται, μπορεί να είναι αρκετά ένα δύσκολο πράγμα που πρέπει να επιτευχθούν.

Ενώ μερικοί εν πλω συστήματα απαιτούν μόνο την εξουσία περιστασιακά, άλλοι πρέπει να είναι συνεχώς σε λειτουργία. Οι αναμεταδότες και δέκτες πρέπει να είναι ενεργή όλη την ώρα, καθώς και συστημάτων υποστήριξης της ζωής και του φωτισμού στην περίπτωση επανδρωμένου διαστημική πτήση ή διαστημικούς σταθμούς.

Παρά το χαμηλό τεχνολογικό σύστημα πρόωσης του Voyager, που εμπόδισαν τον ανιχνευτή πρόκειται για 38 χρόνια (Credit: NASA)

Ο Δρ Ράο Surampudi είναι ο διαχειριστής του προγράμματος δύναμη της τεχνολογίας για την Propulsion Laboratory Jetστο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. Για πάνω από 30 χρόνια έχει αναπτύξει συστήματα ισχύος για διάφορες Nasaδιαστημικών σκαφών.

Σύμφωνα με Surampudi, τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας για το διαστημικό σκάφος συνήθως λαμβάνουν περίπου το 30% της μάζας ενός διαστημικού σκάφους και μπορεί να χωριστεί σε τρεις διακριτές υποομάδες:

• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

• Αποθήκευσης ενέργειας

• Διαχείριση και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας

Τα συστήματα αυτά είναι απολύτως ζωτικής σημασίας για τη λειτουργία ενός διαστημικού οχήματος. Πρέπει να έχουν μικρή μάζα, μεγάλη διάρκεια ζωής και είναι «ενεργειακά πυκνά», υπό την έννοια ότι πρέπει να παράγουν πολλή ενέργεια από ένα σχετικά μικρό όγκο. Θα πρέπει επίσης να έχουν αποδεδειγμένη αξιοπιστία, η αποστολή κάποιος στο διάστημα για να διορθώσετε κάτι δεν είναι εφικτό, για να πούμε το λιγότερο.

Όχι μόνο πρέπει τα συστήματα να είναι σε θέση να παρέχει επαρκή ενέργεια για να καλύψει όλες τις εν πλω ενεργειακών αναγκών, θα πρέπει επίσης να είναι σε θέση να το πράξουν για τη ζωή της αποστολής - κάτι που μπορεί να μετρηθεί σε δεκαετίες ή ακόμη και αιώνες μέσα στα επόμενα χρόνια . «Η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής πρέπει να είναι μακρά, γιατί αν κάτι πάει στραβά, δεν μπορείτε να πάτε εκεί και να το διορθώσουμε», λέει ο Surampudi. "Για να πάει με τον Δία θα χρειαστούν πέντε έως επτά έτη, για να πάει στον Πλούτωνα θα χρειαστούν περισσότερα από 10 χρόνια, αλλά να αφήσει ηλιακού μας συστήματος θα χρειαστούν 20 με 30 χρόνια."

Οι υψηλές θερμοκρασίες από πολύ κοντά στον ήλιο μπορεί επίσης να προκαλέσει τα ηλιακά πάνελ για να υπερθερμανθεί

Λόγω της μοναδικό περιβάλλον στο οποίο λειτουργούν τα συστήματα διαστημόπλοιο εξουσία πρέπει επίσης να είναι σε θέση να λειτουργήσει σε συνθήκες μηδενικής βαρύτητας και στο κενό, καθώς και υπομένουν τεράστια ποσά ακτινοβολίας (στο οποίο οι περισσότεροι ηλεκτρονικά δεν θα λειτουργήσει) και τις ακραίες θερμοκρασίες. «Εάν επρόκειτο να προσγειωθεί στην Αφροδίτη, οι θερμοκρασίες θα μπορούσε να είναι τόσο υψηλές όσο 460 ° C (860 ° F)," λέει ο Surampudi, "αλλά αν ήταν να« γη »στον Δία θα μπορούσε να είναι τόσο χαμηλά όσο -150 ° C (-238 ° F). "

Διαστημικά οχήματα που κατευθύνονται προς το κέντρο του ηλιακού μας συστήματος θα έχουν άφθονη ηλιακή ενέργεια για τα φωτοβολταϊκά ηλιακά πάνελ τους. Ηλιακούς συλλέκτες ενός διαστημικού σκάφους μπορεί να μοιάζουν με τα συμβατικά ηλιακά πάνελ στα σπίτια μας, αλλά έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν πολύ πιο αποτελεσματικά από ό, τι αυτά που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να τροφοδοτήσει το σπίτι σας.

Αστεροειδής Ανακατεύθυνση αποστολή της NASA θα χρησιμοποιήσει μια νέα μορφή της ηλιακής ενέργειας, η οποία είναι τόσο πιο αποτελεσματική και διαρκεί περισσότερο (Credit: NASA)

Οι υψηλές θερμοκρασίες από πολύ κοντά στον ήλιο μπορεί επίσης να προκαλέσει τα ηλιακά πάνελ για να υπερθερμανθεί.Αυτό μετριάζεται από τη μετατροπή των ηλιακών συλλεκτών μακριά από τον Ήλιο, τον περιορισμό της έκθεσης τους στις έντονες ακτίνες.

Όπως ένα διαστημικό σκάφος εισέρχεται σε τροχιά ενός πλανήτη, οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες καταστεί λιγότερο αποτελεσματική? γίνονται σε θέση να παράγει τόση ενέργεια, λόγω των εκλείψεων και περνώντας μέσα από τη σκιά του πλανήτη. Αυτό που χρειάζεται είναι ένα αξιόπιστο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας.

Ατομική απάντηση

Ένα τέτοιο είδος του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας είναι συσσωρευτές νικελίου-υδρογόνου, το οποίο μπορεί να επαναφορτιστεί πάνω από 50.000 φορές και έχουν διάρκεια ζωής άνω των 15 χρόνων. Σε αντίθεση με τις εμπορικές μπαταρίες, οι οποίες δεν λειτουργούν στο χώρο, αυτές οι μπαταρίες σφραγισμένα συστήματα και μπορεί να λειτουργήσει σε ένα κενό.

Καθώς το κεφάλι σας μακριά από τον ήλιο, η ηλιακή ακτινοβολία μειώνεται φυσικά από 1.374 Watts / m² γύρω από τη Γη, σε 50 Watts / m² κοντά στο Δία, ενώ ο Πλούτωνας διαχειρίζεται ένα πενιχρό 1 Watt / m². Έτσι, όταν το διαστημικό σκάφος να πετάξει πέρα ​​από την τροχιά του Δία, οι επιστήμονες φαίνονται να ατομικών συστημάτων με διαστημόπλοιο εξουσία.

Ο πιο κοινός τύπος είναι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων (RTG ή για συντομία), τα οποία έχουν χρησιμοποιηθεί για Voyager, Cassini και την περιέργειαRover. Αυτά είναι στερεάς κατάστασης συσκευές, με την έννοια ότι δεν έχουν κινούμενα μέρη. Παράγουν θερμότητα από την ραδιενεργό διάσπαση των στοιχείων όπως το πλουτώνιο και έχουν χαρακτηριστική διάρκεια ζωής πάνω από 30 χρόνια.

Το Advanced Stirling γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων (ASRG) θα μπορούσε να είναι μία μέθοδος τροφοδοτούν τις μελλοντικές αποστολές μακράς διάρκειας (Credit: NASA)

Όταν χρησιμοποιείτε ένα RTG δεν είναι δυνατόν - για παράδειγμα, εάν το βάρος της θωράκισης που απαιτούνται για την προστασία πλήρωμα καθιστούν ανέφικτη - και την απόσταση από τον Ήλιο αποκλείει τη χρήση των ηλιακών συλλεκτών, τότε οι κυψέλες καυσίμου είναι μια επιλογή.

Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου έχουν χρησιμοποιηθεί στις Απόλλωνα και Δίδυμοι διαστημικές αποστολές. Ενώ οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου δεν μπορεί να επαναφορτιστεί, που έχουν υψηλή ειδική ενέργεια και μόνο τις εκπομπές τους είναι οι υδρατμοί, το οποίο μπορεί στη συνέχεια αστροναύτες πιει.

Η συνεχής έρευνα από τη NASA και JPL θα επιτρέψει μελλοντικά συστήματα ισχύος για να δημιουργήσει και να αποθηκεύσει περισσότερη ενέργεια, χρησιμοποιώντας λιγότερο χώρο, και για μεγαλύτερες διάρκειες. Ωστόσο, τα νέα διαστημόπλοια που απαιτούν μεγαλύτερα αποθέματα, όπως τα συστήματα επί του σκάφους που μεταφέρει γίνονται ολοένα και πιο περίπλοκο και ενεργοβόρα.

Νέοι τύποι μπαταριών αναπτύσσονται επίσης, για την προγραμματισμένη αποστολή της Nasa στο Europa

Αυτές οι υψηλές απαιτήσεις σε ενέργεια είναι ιδιαίτερα η περίπτωση με το διαστημικό σκάφος που χρησιμοποιούν ηλεκτρικά συστήματα πρόωσης, όπως η μονάδα ιόντων, που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φοράDeep Space 1 το 1998 και είναι σήμερα χρησιμοποιείται ευρέως σε διαστημόπλοια. Ηλεκτρικά συστήματα πρόωσης συνήθως λειτουργούν με ηλεκτρικά αποβολή προωθητικό σε υψηλές ταχύτητες, αλλά και άλλοι χρησιμοποιούν ηλεκτροδυναμική πρόσδεσης τα οποία αλληλεπιδρούν με τα μαγνητικά πεδία των πλανητών για να μετακινήσετε ένα διαστημικό σκάφος προς τα εμπρός.

Τα περισσότερα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας στη Γη δεν θα λειτουργεί στο χώρο. Ως εκ τούτου, κάθε νέο σύστημα τροφοδοσίας ελέγχονται προσεκτικά προτού να μπορέσει να εγκατασταθεί επάνω σε ένα διαστημόπλοιο. NASA και JPL χρησιμοποιούν τα εργαστήριά τους για να προσομοιώσουν τις αντίξοες συνθήκες στις οποίες αυτή η νέα τεχνολογία θα λειτουργήσει, με το βομβαρδισμό νέα εξαρτήματα και συστήματα με ακτινοβολία και την υποβολή τους σε ακραίες θερμοκρασίες.

Έξτρα ζωή

Stirling ραδιοϊσοτόπων γεννήτριες επί του παρόντος στο στάδιο της προετοιμασίας για μελλοντικές αποστολές. Με βάση τις υφιστάμενες RTGs, οι γεννήτριες είναι πολύ πιο αποτελεσματική από θερμοηλεκτρικά ξαδέλφια τους και θα μπορούσαν να γίνουν πολύ μικρότερο, αν και μπορεί να γίνει πιο πολύπλοκη τη διαδικασία.

Νέοι τύποι μπαταριών αναπτύσσονται επίσης, για την προγραμματισμένη της NASA αποστολή στο Europa (ένα από τα φεγγάρια του Δία). Αυτά είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν μεταξύ -80 ° C (-112 ° F) και -100 ° C (-148 ° F).Σύνθετη μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι στο στάδιο της ανάπτυξης που θα έχει το διπλάσιο του ποσού της αποθήκευσης ενέργειας. Αυτή η αυξημένη ενεργειακή πυκνότητα θα, για παράδειγμα, να επιτρέψει στους αστροναύτες να δαπανήσουν το διπλάσιο χρόνο για τη Σελήνη πριν από τη λήξη της μπαταρίας.

Μελλοντικές καυσίμου διαστημόπλοιο μπορεί να χρειαστεί να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει μια δύναμη οικισμοί όπως αυτό, καθώς και (Credit: Science Photo Library)

Νέα ηλιακά κύτταρα αναπτύσσονται επί του παρόντος για να εργαστούν σε συνθήκες όπου η ένταση του φωτός και χαμηλές θερμοκρασίες, πράγμα που σημαίνει ότι ηλιακό διαστημικό σκάφος θα είναι σε θέση να λειτουργήσει πιο μακριά από τον Ήλιο

Σε κάποιο σημείο στο μέλλον, η NASA θα επιδιώξει να εγκαταστήσετε ένα μόνιμο επανδρωμένο βάση στον Άρη,καθώς και, ενδεχομένως, σε άλλους πλανήτες περαιτέρω στο μέλλον. Αυτά τα μελλοντικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο από την τρέχουσα αυτά έτσι ώστε να μπορούν να παράγει αρκετή ενέργεια για πολύ περισσότερο αποστολές.

Η Σελήνη είναι πλούσια σε ήλιο-3, ένα σπάνιο στοιχείο στη Γη και μια ιδανική πηγή καυσίμων για την πυρηνική ενέργεια σύντηξης. Ωστόσο, η σύντηξη δεν είναι σταθερή ή αρκετά αξιόπιστη για να θεωρηθεί βιώσιμο για να τροφοδοτήσει ένα διαστημικό σκάφος. Επίσης, ένα τυπικό αντιδραστήρα σύντηξης, όπως το Tokamak, συνήθως στεγάζεται σε ένα κτήριο του μεγέθους ενός υπόστεγου αεροσκαφών, τα οποία είναι πάρα πολύ μεγάλο για να τοποθετήσετε σε ένα διαστημόπλοιο.

Αλλά τι γίνεται με τους πυρηνικούς αντιδραστήρες, ειδικά για ηλεκτροκίνητα διαστημόπλοια και τις προγραμματισμένες αποστολές να προσγειωθεί στη Σελήνη ή τον Άρη; Αντί να φέρει ένα ξεχωριστό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για μια αποικία, η πυρηνική γεννήτρια του διαστημικού σκάφους θα μπορούσε να γίνει το προωθητικό του οικισμού.

Εμείς δεν θα δείτε πυρηνοκίνητο διαστημικό σκάφος για πολλά χρόνια

Πυρηνικά-ηλεκτρικής πρόωσης διαστημικό σκάφος που εξετάζονται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα αποστολές στο μέλλον. "Ηανακατεύθυνση αποστολή αστεροειδής απαιτεί μεγάλες φωτοβολταϊκές συστοιχίες για την παροχή επαρκούς ηλεκτρικής πρόωσης για το διαστημικό σκάφος για ελιγμούς γύρω από έναν αστεροειδή," λέει ο Surampudi."Αυτή τη στιγμή, σκεφτόμαστε να πάει με ηλιακή ηλεκτρική προώθηση, αλλά με πυρηνικά ηλεκτρική προώθηση θα είναι φθηνότερο."

Ωστόσο, δεν θα δούμε πυρηνοκίνητο διαστημικό σκάφος για πολλά χρόνια. «Η τεχνολογία δεν είναι αρκετά ώριμη ακόμα», λέει ο Surampudi. «Πρέπει να βεβαιωθείτε ότι είναι ασφαλείς όταν την ξεκινήσει." Αυστηρές δοκιμές θα πρέπει να διενεργούνται για την επιβεβαίωση αυτών των powerplants είναι ασφαλές να αντέξει τις πιέσεις των διαστημικών πτήσεων.

Τα νέα αυτά συστήματα τροφοδοσίας που βρίσκεται σε εξέλιξη θα επιτρέψει στο διαστημικό σκάφος να λειτουργεί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και να ταξιδέψει πιο μακριά, αλλά βρίσκονται στα αρχικά στάδια της αξιολόγησης. Ωστόσο, από τη στιγμή που έχουν δοκιμαστεί, αυτά τα συστήματα ισχύος θα είναι βασικά συστατικά για επανδρωμένες αποστολές στον Άρη - και όχι μόνο.

Πηγή:BBC