Romoppdrag som varer i flere tiår - eller enda lenger - vil kreve en ny generasjon strømforsyninger.
Kraftsystemet er en viktig komponent i romfartøyet. Disse systemene må være ekstremt pålitelige og designet for å tåle tøffe miljøer.
Dagens sofistikerte enheter krever mer og mer strøm - hva er fremtiden for strømforsyningen?
En gjennomsnittlig moderne smarttelefon kan knapt vare en dag på en enkelt kostnad. Og Voyager-sonden, som ble lansert for 38 år siden, overfører fortsatt signaler til Jorden etter å ha forlatt solsystemet.
Voyager-datamaskiner er i stand til 81 tusen operasjoner per sekund - men prosessoren til en smarttelefon er syv tusen ganger raskere.
Når du designer en telefon, antas det selvfølgelig at den vil bli ladet regelmessig og sannsynligvis ikke ligger flere millioner kilometer fra nærmeste stikkontakt.
Det vil ikke fungere å lade romfartøyets batteri, som ifølge planen skal være plassert hundre millioner kilometer fra dagens kilde, det vil ikke fungere - det trenger å være i stand til å enten føre batterier med tilstrekkelig kapasitet om bord til å operere i flere tiår, eller generere strøm på egen hånd.
Det viser seg å være ganske vanskelig å løse et slikt designproblem.
Salgsfremmende video:
Noen ombord enheter trenger bare strøm fra tid til annen, men andre trenger å kjøre kontinuerlig.
Mottakere og sendere må alltid være slått på, og ved bemannet flyging eller på en bemannet romstasjon må også livsstøtte og lysanlegg være slått på.
Dr. Rao Surampudi leder energiteknologiprogrammet ved Jet Propulsion Laboratory ved California Institute of Technology i USA. I over 30 år har han utviklet kraftsystemer for forskjellige NASA-biler.
I følge ham utgjør energisystemet vanligvis rundt 30% av romfartøyets totale masse. Det løser tre hovedoppgaver:
- Elektrisitetsproduksjon
- lagring av strøm
- strømfordeling
Alle disse delene av systemet er avgjørende for driften av apparatet. De må være lette, holdbare og ha en høy "energitetthet" - det vil si generere mye energi med et ganske lite volum.
I tillegg må de være pålitelige, siden det er veldig upraktisk å sende en person ut i rommet for å fikse sammenbrudd.
Systemet må ikke bare generere nok energi til alle behov, men også gjøre det gjennom hele flyturen - og det kan vare i flere tiår, og i fremtiden, kanskje i århundrer.
"Designens levetid skal være lang - hvis noe går i stykker, er det ingen som må reparere," sier Surampudi. "Flyturen til Jupiter tar fem til syv år, til Pluto mer enn 10 år, og det tar 20 til 30 år å forlate solsystemet."
Kraftsystemene til et romfartøy er under veldig spesifikke forhold - de må forbli operative i fravær av tyngdekraft, i et vakuum, under påvirkning av veldig intens stråling (som vil deaktivere de fleste konvensjonelle elektroniske apparater) og ekstreme temperaturer.
"Hvis du lander på Venus, vil 460 grader være over bord," sier spesialisten. "Og når du lander på Jupiter, vil temperaturen være minus 150".
Romfartøy som kjører mot sentrum av solsystemet har ingen mangel på energi samlet inn av deres solcellepaneler.
Disse panelene ser lite annerledes ut enn solcellepaneler som er installert på takene i boligbygg, men samtidig arbeider de med mye høyere effektivitet.
Det er veldig varmt i nærheten av solen og PV-panelene kan overopphetes. For å unngå dette blir panelene vendt bort fra Solen.
I planetariske bane er fotovoltaiske paneler mindre effektive: de genererer mindre energi, ettersom de fra tid til annen er inngjerdet fra solen av planeten selv. I situasjoner som dette er et pålitelig energilagringssystem nødvendig.
Atomløsning
Et slikt system kan bygges på basis av nikkel-hydrogenbatterier, som tåler mer enn 50 tusen ladesykluser og varer mer enn 15 år.
I motsetning til vanlige batterier, som ikke fungerer i verdensrommet, er disse batteriene forseglet og kan fungere normalt i vakuum.
Med avstand fra solen synker nivået av solstråling naturlig: for Jorden er det 1374 watt per kvadratmeter, for Jupiter - 50, og for Pluto - bare en watt per kvadratmeter.
Derfor, hvis romskipet forlater Jupiters bane, bruker det atomkraftsystemer.
Den vanligste av disse er radioisotop termoelektrisk generator (RTG) som brukes på Voyager og Cassini sonder og på Curiosity rover.
Det er ingen bevegelige deler i disse strømforsyningene. De genererer energi ved å råtne radioaktive isotoper som plutonium. Levetiden deres overstiger 30 år.
Hvis det er umulig å bruke en RTG (for eksempel hvis en skjerm som er for massiv for flyging er nødvendig for å beskytte mannskapet mot stråling), og solcellepaneler ikke er egnet på grunn av for stor avstand fra solen, kan brenselceller brukes.
Hydrogen-oksygen-brenselceller ble brukt i de amerikanske romprogrammene Gemini og Apollo. Disse cellene kan ikke lades, men de frigjør mye energi, og et biprodukt av denne prosessen er vann, som mannskapet deretter kan drikke.
NASA og Jet Propulsion Laboratory jobber for å lage kraftigere, energikrevende og kompakte systemer med høy levetid.
Men nytt romfartøy trenger mer og mer energi: systemene ombord blir stadig kompliserte og bruker mye strøm.
Dette gjelder spesielt for skip som bruker en elektrisk stasjon - for eksempel ionefremdrivningsanordningen, som først ble brukt på Deep Space 1-sonden i 1998 og siden har blitt utbredt.
Elektriske motorer fungerer vanligvis ved å strømme ut drivstoff elektrisk med høy hastighet, men det er de som akselererer apparatet gjennom elektrodynamisk interaksjon med magnetfeltene til planetene.
De fleste av jordens energisystemer er ikke i stand til å operere i verdensrommet. Derfor går ethvert nytt opplegg gjennom en serie alvorlige tester før den installeres på et romskip.
NASA-laboratorier gjenskaper de tøffe forholdene der den nye enheten vil måtte fungere: den er bestrålet med stråling og utsatt for ekstreme temperaturendringer.
Mot nye grenser
Det er mulig at forbedrede Stirling-radioisotopgeneratorer vil bli brukt i fremtidige flyreiser. De arbeider etter et prinsipp som ligner på RTG, men mye mer effektivt.
I tillegg kan de gjøres veldig små - selv om designet er ytterligere komplisert.
Nye batterier bygges også for NASAs planlagte fly til Europa, en av Jupiters måner. De vil kunne operere ved temperaturer fra -80 til -100 grader.
Og de nye litium-ion-batteriene som designere for tiden jobber med, vil ha dobbelt så stor kapasitet enn dagens. Med deres hjelp kan astronauter for eksempel bruke dobbelt så lang tid på månens overflate før de går tilbake til skipet for å lade opp.
Nye solcellepaneler designes også som effektivt kan samle energi i lite lys og lave temperaturer - dette vil tillate enheter på solcellepaneler å fly vekk fra solen.
På et tidspunkt planlegger NASA å etablere en permanent base på Mars - og muligens på fjernere planeter.
Energisystemene i slike bosetninger bør være mye kraftigere enn de som brukes i verdensrommet, og designet for mye lengre drift.
Det er mye helium-3 på månen - denne isotopen finnes sjelden på jorden og er det ideelle drivstoffet for termonukleære kraftverk. Imidlertid har det ennå ikke vært mulig å oppnå tilstrekkelig stabilitet av termonukleær fusjon for å bruke denne energikilden i romfartøy.
I tillegg okkuperer de for tiden eksisterende termonukleære reaktorer området til en hangar, og i denne formen er det umulig å bruke dem til romflyvninger.
Er det mulig å bruke konvensjonelle atomreaktorer - spesielt i kjøretøy med elektrisk fremdrift og i planlagte oppdrag til Månen og Mars?
I dette tilfellet trenger ikke kolonien å kjøre en egen strømkilde - en skipsreaktor kan spille sin rolle.
For langvarige flyvninger er det mulig at atomelektriske propeller vil bli brukt.
"Asteroid Deflection Mission krever store solcellepaneler for å ha nok elektrisk kraft til å manøvrere rundt asteroiden," sier Surampudi. "Vi vurderer for tiden et solkraft-fremdriftsalternativ, men atomkraft ville være billigere."
Det er imidlertid usannsynlig at vi får se atomdrevne romfartøyer i løpet av en nær fremtid.
“Denne teknologien er ennå ikke tilstrekkelig utviklet. Vi må være helt sikre på sikkerheten før vi lanserer en slik enhet i verdensrommet, forklarer spesialisten.
Ytterligere streng testing er nødvendig for å sikre at reaktoren er i stand til å motstå harddisken i romflukten.
Alle disse lovende kraftsystemene vil la romfartøyet vare lenger og fly lange avstander - men så langt er de i de tidlige stadiene av utviklingen.
Når testene er fullført, vil slike systemer bli en obligatorisk del av flyreiser til Mars - og utover.
