youmadam

Εκτοξεύτηκαν το 1977, οι διαστημικοί ανιχνευτές Voyager 1 και 2 λειτουργούν ασταμάτητα για περισσότερα από 45 χρόνια, κάνοντας το δρόμο τους από τη Γη στους εξωτερικούς πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος και πέρα ​​από αυτό. Χάρη στις θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων (RTG) που παρείχαν 470 W κατά την εκτόξευση, είναι σε θέση να λειτουργούν στο σκοτάδι του Βαθύ Διαστήματος, όπως και εντός των ορίων του ηλιακού μας φωτισμένου ηλιακού συστήματος. Ωστόσο, καθώς τίποτα στο Σύμπαν δεν είναι πραγματικά άπειρο, έτσι και αυτά τα RTG φθείρονται με την πάροδο του χρόνου, τόσο από τη φυσική αποσύνθεση της ραδιενεργής πηγής τους όσο και από την υποβάθμιση των θερμοζευγών.

Παρά αυτή τη σταδιακή πτώση ισχύος, η NASA ανακοίνωσε πρόσφατα ότι το Voyager 2 έχει μια φαινομενικά άγνωστη μέχρι τώρα πηγή εφεδρικής ισχύος που θα αναβάλει το κλείσιμο περισσότερων επιστημονικών οργάνων για μερικά ακόμη χρόνια. Η αλλαγή ουσιαστικά παρακάμπτει ένα κανονικό κύκλωμα τάσης και το σχετικό εφεδρικό σύστημα ισχύος, απελευθερώνοντας την ισχύ που καταναλώνεται από αυτό για τα επιστημονικά όργανα που διαφορετικά θα είχαν αρχίσει να κλείνουν χρόνια νωρίτερα.

Αν και αυτό είναι από μόνο του καλά νέα, είναι επίσης αξιοσημείωτο επειδή τα RTG πολλαπλών εκατοντάδων Watt (MHW) ηλικίας 45+ ετών του Voyager είναι ο προκάτοχος των RTG που εξακολουθούν να τροφοδοτούν τον ανιχνευτή New Horizons μετά από 17 χρόνια και το Mars Science Laboratory ( Curiosity) για περισσότερα από 10 χρόνια, δείχνοντας την αξία των RTG σε μακροπρόθεσμες αποστολές εξερεύνησης.

Αν και η βασική αρχή πίσω από ένα RTG είναι αρκετά απλή, ο σχεδιασμός τους έχει αλλάξει σημαντικά από τότε που οι ΗΠΑ έβαλαν ένα SNAP-3 RTG στον δορυφόρο Transit 4B το 1961.

Ανάγκη για δύναμη

Φωτογραφία αστροναύτη του Apollo ενός SNAP-27 RTG στη Σελήνη. (Πίστωση NASA)

Ακόμη και στη Γη μπορεί να είναι δύσκολο να βρεθεί μια αξιόπιστη πηγή ενέργειας που θα διαρκέσει για χρόνια ή και δεκαετίες, γι’ αυτό το πρόγραμμα ανάπτυξης συστημάτων για την πυρηνική βοηθητική ενέργεια (SNAP) της NASA παρήγαγε RTG που προορίζονταν τόσο για επίγεια όσο και για διαστημική χρήση, με το SNAP-3 είναι το πρώτο που έφτασε στο διάστημα. Αυτό το συγκεκριμένο RTG παρήγαγε μόλις 2,5 W και οι δορυφόροι είχαν επίσης ηλιακά πάνελ και μπαταρίες NiCd. Αλλά ως κρεβάτι δοκιμών RTG με βάση το διάστημα, το SNAP-3 έθεσε τις βάσεις για διαδοχικές αποστολές της NASA.

Το SNAP-19 παρείχε την ισχύ (~30 W ανά RTG) για τα προσγειωμένα Viking 1 και 2, καθώς και τα Pioneer 10 και 11. Πέντε μονάδες SNAP-27 παρείχαν την ισχύ για τα πακέτα Apollo Lunar Floor Experiments Packages (ALSEP) που ήταν που άφησαν στη Σελήνη οι αστροναύτες Apollo 12, 14, 15, 16 και 17. Κάθε μονάδα SNAP-27 παρείχε περίπου 75 W στα 30 VDC ισχύος από τη ράβδο καυσίμου πλουτωνίου-238 των 3,8 κιλών που είχε ονομαστική θερμική ισχύ 1.250 W. Μετά από δέκα χρόνια, ένα SNAP-27 εξακολουθεί να παράγει πάνω από το 90% της ονομαστικής ηλεκτρικής του ισχύος, επιτρέποντας σε κάθε ALSEP να μεταδίδει δεδομένα για σεισμούς σελήνης και άλλες πληροφορίες που καταγράφονται από τα όργανά του για όσο διάστημα το επιτρέπει ο προϋπολογισμός ενέργειας.

Όταν οι επιχειρήσεις υποστήριξης του έργου Apollo σταμάτησαν το 1977, οι ALSEP είχαν μείνει μόνο με τους πομπούς τους ενεργοποιημένους. Η μονάδα SNAP-27 του Apollo 13 (προσαρτημένη στο εξωτερικό της σεληνιακής μονάδας) έκανε μια επανείσοδο στη Γη, όπου βρίσκεται ακόμα –ανέπαφη– στον πυθμένα της Τάφρου Τόνγκα στον Ειρηνικό Ωκεανό.

Η σχετική αναποτελεσματικότητα των RTG ήταν εύκολα εμφανής ακόμη και τότε, με το πείραμα SNAP-10A να δείχνει έναν συμπαγή αντιδραστήρα σχάσης 500 W σε έναν δορυφόρο κίνησης ιόντων που ξεπέρασε εύκολα τις επιδόσεις του SNAP RTG. Αν και πολύ πιο ισχυρά ανά μονάδα όγκου και πυρηνικού καυσίμου, τα RTG που βασίζονται σε θερμοστοιχεία έχουν το πλεονέκτημα των απολύτως μηδενικών κινούμενων μερών και μόνο των απαιτήσεων παθητικής ψύξης. Αυτό τους επιτρέπει να είναι κυριολεκτικά κολλημένοι σε διαστημικό ανιχνευτή, δορυφόρο ή όχημα με θερμική ακτινοβολία ή/και μεταφορά που παρέχει την ψυχρή πλευρά για το θερμοστοιχείο.

Αυτά τα θερμοστοιχεία χρησιμοποιούν το φαινόμενο Seebeck, το φαινόμενο Peltier αντίστροφα, για να μετατρέψουν τη θερμική κλίση μεταξύ δύο ανόμοιων ηλεκτρικά αγώγιμων υλικών ουσιαστικά σε μια γεννήτρια. Μεγάλο μέρος της πρόκλησης με τα RTG που βασίζονται σε θερμοστοιχεία ήταν να βρεθεί η πιο αποτελεσματική και ανθεκτική σύνθεση. Παρόλο που έχουν πειραματιστεί και τα RTG κύκλου Rankine, Brayton και Stirling, αυτά έχουν το ευδιάκριτο μειονέκτημα των κινούμενων μηχανικών μερών, που απαιτούν σφράγιση και λίπανση.

Όταν εξετάζουμε τη διάρκεια ζωής 45+ ετών των Voyager MHW-RTG με τα σχετικά αρχαία θερμοστοιχεία πυριτίου-γερμανίου (SiGe), τα μειονεκτήματα της προσθήκης μηχανικών εξαρτημάτων πρέπει να είναι προφανή. Ειδικά όταν εξετάζουμε το MHW RTG δύο γενιές διαδόχων μέχρι στιγμής.

Όχι το RTG της δεκαετίας του 1970

Ενώ το MHW-RTG του Voyager αναπτύχθηκε ειδικά για την αποστολή από τη NASA, τον διάδοχό του, τον δημιουργικό τίτλο πηγή θερμότητας γενικής χρήσης (GPHS) RTG, σχεδιάστηκε από το House Division της Normal Electrical και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε στους Ulysses (1990 – 2009), Galileo (1989 – 2003), Cassini-Huygens (1997 – 2017) και New Horizons (2006 – ). Κάθε GPHS-RTG παράγει περίπου 300 W ηλεκτρικής ισχύος από θερμική ισχύ 4.400 W, χρησιμοποιώντας παρόμοια θερμοστοιχεία πυριτίου-γερμανίου.

Μια ενδιαφέρουσα παρατήρηση εδώ είναι ότι ακόμη και τα ρόβερ του Άρη με ηλιακή ενέργεια περιλαμβάνουν μια μονάδα ραδιοϊσοτόπων, αν και με τη μορφή μονάδας θέρμανσης ραδιοϊσοτόπων (RHU), με το Sojourner Rover να έχει τρία από αυτά τα RHU και το Spirit & Alternative οκτώ RHU το καθένα. Αυτά τα RHU παρέχουν μια σταθερή πηγή θερμότητας που επιτρέπει τη σπάνια ηλεκτρική ενέργεια από ηλιακούς συλλέκτες και μπαταρίες να χρησιμοποιείται για άλλες εργασίες εκτός από θερμαντήρες λειτουργίας.

Η μονάδα GPHS παρέχει σταθερή θερμότητα για ένα σύστημα ισχύος ραδιοϊσοτόπων. (Πίστωση: NASA)

Εν τω μεταξύ, τα επί του παρόντος ενεργά ρόβερ του Άρη, το Curiosity και το δίδυμο Perseverance του, λαμβάνουν τόσο ηλεκτρική ενέργεια όσο και θερμότητα από ένα μόνο θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων πολλαπλών αποστολών (MMRTG) μονάδα. Αυτά τα RTG χρησιμοποιούν θερμοηλεκτρικά ζεύγη PbTe/TAGS, δηλαδή κράμα μολύβδου/τελλουρίου για τη μία πλευρά και τελλούριο (Te), ασήμι (Ag), γερμάνιο (Ge) και αντιμόνιο (Sb) για την άλλη πλευρά του ζευγαριού. Το MMRTG έχει αξιολογηθεί για διάρκεια ζωής έως και 17 χρόνια, αλλά είναι πιθανό να ξεπεράσει τις σχεδιαστικές του προδιαγραφές με σημαντικό περιθώριο όπως τα MHW-RTG και άλλα. Το καύσιμο Pu-238 με MMRTG περιέχεται σε μονάδες Πηγής Θερμότητας Γενικής Χρήσης (GPHS), οι οποίες χρησιμεύουν για την προστασία του καυσίμου από ζημιές.

Ο κύριος τρόπος αστοχίας των θερμοζευγών SiGe ήταν η μετανάστευση του γερμανίου με την πάροδο του χρόνου, η οποία προκαλεί εξάχνωση. Αυτό αποφεύχθηκε σε μεταγενέστερα σχέδια με την επίστρωση των θερμοζευγών SiGe με νιτρίδιο του πυριτίου. Τα θερμοστοιχεία PbTe/TAGS θα πρέπει να παρέχουν περαιτέρω σταθερότητα από αυτή την άποψη και τα MMRTG στο Curiosity and Perseverance έχουν χρησιμεύσει ως πραγματικές δοκιμές διάρκειας.

Θέμα Καυσίμου

Οι ανιχνευτές Voyager 1 και 2 είναι πολύ απρόσιτοι για μια μεγάλη συνεδρία σέρβις και συντήρησης, επομένως η NASA έπρεπε να είναι δημιουργική για να βελτιστοποιήσει τη χρήση ενέργειας. Αν και το εφεδρικό κύκλωμα τροφοδοσίας θεωρούνταν ίσως αναγκαιότητα στη δεκαετία του 1970 σε περίπτωση που υπήρχαν διακυμάνσεις ισχύος από οποιοδήποτε από τα τρία RTG σε κάθε διαστημικό ανιχνευτή, υπάρχουν αρκετά δεδομένα παρακολούθησης στην πραγματική ζωή για να υποστηρίξουν την πρόταση ότι μπορεί να είναι περιττό, αποκλείοντας εξωγήινες επιρροές.

Με τα σχεδόν 46 χρόνια δεδομένων από τα Voyager RTGs, μπορούμε να δούμε τώρα ότι η σταθερότητα του θερμοστοιχείου είναι απαραίτητη για τη διατήρηση μιας σταθερής ισχύος εξόδου, με τη διάσπαση της πηγής καυσίμου του πλουτωνίου-238 να είναι πολύ πιο εύκολο να μοντελοποιηθεί και να προβλεφθεί. Τώρα που με τις μονάδες MMRTG θα έπρεπε να είχαμε αντιμετωπίσει πολλά από τα θέματα που προκάλεσαν την υποβάθμιση των θερμοστοιχείων με την πάροδο του χρόνου. Το μόνο συστατικό που λείπει είναι το καύσιμο Pu-238.

Το μεγαλύτερο μέρος του Pu-238 που είχαν αρχικά οι ΗΠΑ προερχόταν από την τοποθεσία του ποταμού Savannah (SRS) πριν από αυτή την εγκατάσταση και οι ειδικοί αντιδραστήρες του έκλεισαν το 1988. Μετά από αυτό, οι ΗΠΑ θα εισήγαγαν Pu-238 από τη Ρωσία πριν ξεκινήσουν και τα αποθέματα της τελευταίας να εξαντληθεί, οδηγώντας στη δυσάρεστη θέση των ΗΠΑ να εξαντληθούν ένα από τα καλύτερα ραδιενεργά ισότοπα για χρήση σε RTG για αποστολές μεγάλης διάρκειας. Με σύντομο χρόνο ημιζωής 87,7 ετών και μόνο διάσπαση άλφα, το Pu-238 είναι και τα δύο μάλλον καλοήθη για τα περιβάλλοντα υλικά, ενώ παρέχει σημαντικές ποσότητες θερμικής ισχύος.

Έχοντας απομείνει μόνο αρκετό Pu-238 για τα δύο MMRTG στα τρέχοντα ρόβερ του Άρη και άλλα δύο μετά από αυτά, οι ΗΠΑ έχουν τώρα επανεκκινήσει την παραγωγή Pu-238. Αν και το Pu-238 μπορεί να δημιουργηθεί με μερικούς διαφορετικούς τρόπους, ο προτιμώμενος τρόπος φαίνεται να είναι η χρήση του αποθηκευμένου νεπτούνιου-237 και η έκθεσή του σε νετρόνια σε αντιδραστήρες σχάσης ή παρόμοιες πηγές νετρονίων, για τη δημιουργία Pu-238 μέσω σύλληψης νετρονίων. Σύμφωνα με τη NASA, περίπου 1,5 κιλό Pu-238 ετησίως θα πρέπει να είναι αρκετό για να ικανοποιήσει τη ζήτηση για μελλοντικές διαστημικές αποστολές.

Ένα μικροσκοπικό διαστημόπλοιο στο σκοτάδι

Το Voyager 1 βρίσκεται αυτή τη στιγμή σε απόσταση 159,14 AU (23,807 δισεκατομμύρια χλμ) από τη Γη και το Voyager 2 είναι μόνο οριακά πιο κοντά στις 133,03 AU από τη Γη. Ως έργο που έχει τις ρίζες του στον Διαστημικό Αγώνα και έχει καταλήξει να ξεπερνά όχι μόνο πολλούς από τους δημιουργούς του, αλλά και τη γεωπολιτική της εποχής, είναι ίσως μια από τις λίγες ανθρωπογενείς σταθερές με τις οποίες μπορούμε όλοι να ταυτιστούμε σε ορισμένες μόδα.

Ως φορείς των χρυσών δίσκων που περιέχουν την ουσία της ανθρωπότητας, η παράταση της ζωής αυτών των διαστημικών σκαφών υπερβαίνει απλώς την επιστήμη που μπορούν να επιτελέσουν, στο σκοτάδι του Βαθύ Διαστήματος. Με κάθε χρόνο επιπλέον, μπορούμε να μάθουμε λίγο περισσότερα και να δούμε λίγο περισσότερα για το τι περιμένει την ανθρωπότητα πέρα ​​από τα όρια αυτού του μάλλον συνηθισμένου, ασυνήθιστου ηλιακού συστήματος.