Strømforsyningssystemer (strømforsyning, hvis det er enklere, fordi selv maskiner trenger å spise noe) er en viktig del av romskipet. De må jobbe under ekstreme forhold og være ekstremt pålitelige. Imidlertid, med de stadig voksende energikravene fra komplekse romfartøyer, vil vi imidlertid trenge nye teknologier i fremtiden. Oppdrag som vil vare i flere tiår vil kreve en ny generasjon strømforsyninger. Hvilke alternativer?
De siste mobiltelefonene kan knapt overleve en dag uten å være koblet til en stikkontakt. Men Voyager-sonden, som ble lansert for 38 år siden, sender oss fortsatt informasjon utenom solsystemet. Voyager sonder er i stand til å behandle 81 000 instruksjoner hvert sekund, men i gjennomsnitt er smarttelefoner 7000 ganger raskere.
Mobiltelefonene dine er selvfølgelig født til å lades regelmessig og vil sannsynligvis ikke gå flere millioner kilometer fra nærmeste stikkontakt. Det er ikke praktisk å lade et romfartøy som ligger 100 millioner kilometer fra nærmeste stasjon. I stedet må et romskip være i stand til å lagre eller generere nok energi til å navigere i rommet i flere tiår. Og dette, som det viste seg, er vanskelig å ordne.
Mens noen ombordsystemer bare av og til krever energi, må andre hele tiden kjøres. Transponder og mottakere må være aktive til enhver tid, og i tilfelle av en bemannet fly- eller romstasjon, må også livsstøtte og lysanlegg fungere.
Dr. Rao Surampudi er programleder for kraftteknologi ved Jet Propulsion Laboratory ved California Institute of Technology. I over 30 år har han utviklet strømforsyningssystemer for forskjellige NASA-romfartøyer.
Ifølge Surampudi utgjør romfartskraftsystemer omtrent 30% av transportmassen og kan deles inn i tre viktige undergrupper:
kraftproduksjon;
Salgsfremmende video:
lagring av energi;
kraftstyring og distribusjon
Disse systemene er avgjørende for romfartøyets funksjon. De må ha en lav masse, leve lenge og være "energisk tette", det vil si produsere mye energi fra relativt små volum. De må også være ganske pålitelige, fordi noen ting i verdensrommet vil være nesten urealistiske eller upraktiske å fikse.
Disse systemene må ikke bare være i stand til å gi strøm til alle behov ombord, men også gjøre det gjennom hele oppdraget - hvorav noen kan vare titalls eller hundrevis av år.
"Forventet levetid må være lang, for hvis noe går galt, kan du ikke fikse det," sier Surampudi. "Det vil ta fem til syv år å komme til Jupiter, mer enn ti år til Pluto, men det er 20-30 år å forlate solsystemet."
På grunn av det unike miljøet de opererer i, må romskipets kraftforsyningssystemer være i stand til å operere i null tyngdekraft og i et vakuum, samt tåle kolossal stråling (vanligvis fungerer ikke elektronikk under slike forhold). "Hvis du lander på Venus, kan temperaturene nå 460 grader celsius, men på Jupiter kan de falle til -150 grader."
Romfartøyet, som er på vei mot sentrum av solsystemet vårt, vil motta mye solenergi for sine solcelleanlegg. Romfartøyens solcellepaneler kan se ut som vanlige solcellepaneler for hjemmene våre, men er designet for å fungere mer effektivt enn hjemme.
Den plutselige økningen i temperatur fra nærhet til solen kan også føre til at solcellepaneler overopphetes. Dette reduseres ved å rotere solcellepanelene bort fra solen, noe som begrenser eksponeringen for intense stråler.
Når et romskip kommer inn i en planetes bane, blir solceller mindre effektive; de kan ikke generere mye energi på grunn av formørkelser og passerer gjennom klodens skygge. Et pålitelig energilagringssystem er nødvendig.
Atomer svarer
Et slikt energilagringssystem er nikkel-hydrogenbatterier, som kan lades mer enn 50 000 ganger og har en levetid på over 15 år. I motsetning til kommersielle batterier, som ikke fungerer i verdensrommet, er disse batteriene hermetisk forseglede systemer som kan fungere i vakuum.
Når du flyr bort fra solen, reduseres solstrålingen gradvis fra 1,374 W / m2 rundt jorden til 50 W / m2 nær Jupiter, mens Pluto allerede utgjør ca. 1 W / m2. Derfor, når et romfartøy flyr ut av Jupiters bane, vender forskere seg til atomsystemer for å gi romskipet energi.
Den vanligste typen er radioisotop termoelektriske generatorer (RTG for korte), som ble brukt på Voyager, Cassini og Curiosity rover. De er solid state-enheter som ikke har bevegelige deler. De genererer varme under radioaktiv forfall av elementer som plutonium og har en levetid på over 30 år.
Når bruk av en RTG ikke er mulig - for eksempel hvis vekten av skjermingen som kreves for å beskytte mannskapet gjør apparatet upraktisk - og avstanden fra Solen utelukker bruk av solcellepaneler, blir brenselceller snudd.
Hydrogen-oksygen brenselceller ble brukt under romoppdragene Apollo og Gemini. Selv om brenselceller med hydrogen-oksygen ikke kan lades, har de en høy spesifikk energi og lar intet annet enn vann til astronauter å drikke.
Pågående forskning fra NASA og JPL vil gjøre det mulig for fremtidige kraftsystemer å generere og lagre mer energi ved å bruke mindre plass og over lengre tid. Ikke desto mindre krever nye romskip mer og mer reserver etter hvert som ombordsystemene deres blir mer komplekse og sultne på energi.
De høye energibehovene gjelder spesielt når romskipet bruker et elektrisk fremdriftssystem som ionemotoren, som først ble levert til Deep Space 1 i 1998 og fremdeles med hell ble brukt på romfartøy. Elektriske fremdriftssystemer slipper vanligvis ut drivstoff med elektrisitet i høy hastighet, men andre bruker elektrodynamiske tau som samvirker med planetens magnetiske felt for å flytte romfartøyet.
De fleste energisystemene på jorden vil ikke fungere i verdensrommet. Dermed må ethvert nytt strømforsyningssystem testes grundig før det installeres på et romskip. NASA og JPL bruker laboratoriene sine for å simulere de tøffe forholdene som denne nye teknologien vil operere, bombardere nye komponenter og systemer med stråling og utsette dem for ekstreme temperaturer.
Ekstra liv
Stirling radioisotopgeneratorer forberedes for tiden for fremtidige oppdrag. Basert på eksisterende RTG-er er disse generatorene mye mer effektive enn deres termoelektriske søsken, og kan være mye mindre, om enn med et mer komplekst arrangement.
Nye typer batterier utvikles også for NASAs planlagte oppdrag til Europa (en av Jupiters måner). De må operere i et temperaturområde fra -80 til -100 grader celsius. Muligheten for å lage avanserte litium-ion-batterier med dobbelt lagret energi blir studert. De kunne la astronauter tilbringe dobbelt så lang tid på månen før batteriene går tom.
Nye solcellepaneler utvikles som vil kunne operere under forhold med redusert lysintensitet og temperaturer, det vil si at romskipet vil kunne operere med solenergi lenger fra solen.
En dag vil NASA endelig bestemme seg for å bygge en permanent base på Mars med mennesker, og kanskje på en annen planet. Byrået vil trenge kraftproduksjonssystemer som er mye kraftigere enn eksisterende.
Månen er rik på helium-3, et sjeldent element på jorden som kan være et ideelt drivstoff for kjernefusjon. Så langt er imidlertid en slik syntese ikke ansett som stabil eller pålitelig nok til å danne grunnlaget for romforsyningens strømforsyning. I tillegg er en typisk fusjonsreaktor, for eksempel en tokamak, omtrent på størrelse med et hus og vil ikke passe inn i et romskip.
Hva med atomreaktorer som ville være perfekte for elektrisk drevet romfartøy og planlagte oppdrag for å lande på Månen og Mars? I stedet for å bringe et eget strømforsyningssystem til kolonien, kunne romfartøyets kjernegenerator brukes.
Romfartøy med en kjernefysisk elektrisk type motor vurderes for langsiktige oppdrag i fremtiden. "Et asteroide omdirigeringsoppdrag vil kreve kraftige solcellepaneler som vil gi nok elektrisk fremdrift til at romfartøyet kan manøvrere rundt asteroiden," sier Surampudi. "På et tidspunkt skulle vi lansere den på solenergi, men med kjernekraft vil alt bli mye billigere."
Imidlertid vil vi ikke se atomdrevet romskip på mange år. "Teknologien har ikke modnet ennå," sier Surampudi. "Vi må sørge for at de er trygge etter lansering." De vil måtte gjennomgå streng testing for å vise om det er trygt å eksponere slike kjernefysiske installasjoner for harde romtester."
De nye energiforsyningssystemene vil gi romskipet mulighet til å operere lenger og reise videre, men er fremdeles bare i begynnelsen av utviklingen. Når de testes, vil de bli kritiske komponenter for bemannede oppdrag til Mars og utover.
