Zasilanie rezerwowe dla sondy kosmicznej Voyager NASA i zawiłości systemów zasilania opartych na RTG

Sondy Voyager 1 i 2 zostały wystrzelone w 1977 roku i pracują nieprzerwanie od ponad 45 lat, podróżując z Ziemi na zewnętrzne planety naszego Układu Słonecznego i dalej. Dzięki radioizotopowym generatorom termoelektrycznym (RTG), które dostarczały 470 watów na starcie, są w stanie działać w ciemności głębokiego kosmosu, tak jak to miało miejsce w granicach naszego oświetlonego Układu Słonecznego. Jednakże, ponieważ nic we wszechświecie nie jest naprawdę nieskończone, te RTG również zużywają się z czasem, czy to w wyniku naturalnego rozpadu ich źródła promieniowania, czy też degradacji termopar.

Pomimo tego stopniowego spadku siły, NASA Niedawno ogłoszono Że Voyager 2 ma jeszcze nieznane źródło zasilania awaryjnego, które opóźniłoby wyłączenie większej liczby instrumentów naukowych o kilka lat. Zmiana zasadniczo omija normalne napięcie obwodu i powiązany system zasilania rezerwowego, uwalniając energię, którą zużywa dla instrumentów naukowych, które zaczęłyby się wyłączać wiele lat wcześniej.

Chociaż jest to dobra wiadomość sama w sobie, jest również godna uwagi, ponieważ 45-letni Multi Hundred Watt (MHW) Voyagera jest protoplastą RTG, które nadal zasilają sondę New Horizons 17 lat później, oraz Mars Science Laboratory (Curiosity) Od ponad 10 lat wartość RTG jest pokazywana w długoterminowych misjach eksploracyjnych.

Chociaż podstawowa zasada stojąca za RTG jest dość prosta, jego konstrukcja zmieniła się radykalnie od czasu wprowadzenia amerykańskiego SNAP-3 RTG Przejście Satelita 4B w 1961 roku.

Potrzeba władzy

Nawet na Ziemi znalezienie niezawodnego źródła energii, które wystarczyłoby na lata, a nawet dziesięciolecia, może być trudne, dlatego też pomocnicze systemy energii jądrowej NASA (NASA)Muzyka popProgram rozwojowy wyprodukował RTG przeznaczone do użytku naziemnego i kosmicznego, przy czym SNAP-3 jako pierwszy dotarł do kosmosu. Podany RTG produkował tylko 2,5 wata, a satelity miały również panele słoneczne i akumulatory NiCd. Ale jako kosmiczne stanowisko testowe RTG, SNAP-3 położył podwaliny pod kolejne misje NASA.

SNAP-19 zapewniał moc (około 30 watów na RTG) dla lądowników Viking 1 i 2, a także Pioneer 10 i 11. Pięć modułów SNAP-27 zapewniało zasilanie dla pakietów Apollo Lunar Surface Experiments (ALSEP), które zostały pozostawione na powierzchni Księżyca przez astronautów Apollo 12, 14, 15, 16 i 17. Każdy SNAP-27 dostarczał około 75 watów przy 30 V prądu stałego z 3,8 kg pręta paliwowego pluton-238 o mocy 1250 watów. Dziesięć lat później SNAP-27 nadal wytwarza ponad 90% swojej znamionowej mocy elektrycznej, umożliwiając każdemu ALSEP przesyłanie danych o trzęsieniach księżyca i innych informacji zarejestrowanych przez jego instrumenty tak długo, jak pozwala na to budżet energetyczny.

Do czasu zakończenia operacji wsparcia dla Projektu Apollo w 1977 r. ALSEP pozostały tylko z działającymi nadajnikami. Moduł SNAP-27 Apollo 13 (przymocowany na zewnątrz modułu księżycowego) powrócił na Ziemię, gdzie pozostaje – nietknięty – na dnie rowu Tonga na Oceanie Spokojnym.

Względna nieefektywność RTG była jednak łatwo widoczna nawet w tamtym czasie Snap-10A Eksperyment demonstrujący zintegrowany 500-watowy reaktor rozszczepialny w satelicie napędzanym silnikiem jonowym, który z łatwością przewyższa SNAP RTG. Chociaż mocniejsze na jednostkę objętości i paliwa jądrowego, RTG oparte na termoparach mają tę zaletę, że nie mają absolutnie żadnych ruchomych części i wymagają jedynie pasywnego chłodzenia. To pozwala im dosłownie utknąć na sondzie kosmicznej, satelicie lub pojeździe z promieniowaniem cieplnym i/lub konwekcją zapewniającą chłodną stronę dla termiczny.

Te termopary są używane Efekt Seebecka, odwrotny efekt Peltiera, aby przekształcić gradient temperatury między dwoma odmiennymi materiałami przewodzącymi prąd elektryczny w zasadniczo generator. Duża część wyzwania dla RTG opartych na termoparach polega na znalezieniu najbardziej wydajnego i trwałego mocowania. Chociaż próbowano również RTG z cyklem Rankine’a, Braytona i Stirlinga, mają one oczywistą wadę polegającą na ruchomych częściach mechanicznych, które wymagają uszczelnień i smarowania.

Biorąc pod uwagę szacowaną 45-letnią żywotność Voyagera MHW-RTG W przypadku stosunkowo starych termopar krzemowo-germanowych (SiGe) wady dodawania elementów mechanicznych powinny być oczywiste. Zwłaszcza biorąc pod uwagę dwie generacje następców MHW RTG do tej pory.

Nie twój RTG z lat 70

Podczas gdy sonda Voyager MHW-RTG została opracowana specjalnie na potrzeby tej misji przez NASA, jej następca, twórczo zatytułowany Źródło ciepła ogólnego przeznaczenia (GPHSRTG został zaprojektowany przez dział kosmiczny General Electric i był następnie używany w misjach Ulysses (1990-2009), Galileo (1989-2003), Cassini-Huygens (1997-2017) i New Horizons (2006-). Każdy GPHS-RTG wytwarza około 300 watów energii elektrycznej z termopary o mocy 4400 watów, wykorzystując podobne termopary krzemowe i germanowe.

Interesującym aspektem jest to, że nawet zasilane energią słoneczną łaziki marsjańskie zawierają moduł radioizotopowy, chociaż w postaci radioizotopowego modułu grzewczego (RHU) z Łazik Przybysza Obecność trzech takich RHU, f Duch i okazja Osiem RHU każdy. Te RHU zapewniają stałe źródło ciepła, które pozwala na wykorzystanie ograniczonej ilości energii elektrycznej z paneli słonecznych i akumulatorów do zadań innych niż uruchamianie grzejników.

Tymczasem obecnie aktywny łazik marsjański, ciekawość A jego podwójny rezystor pobiera energię elektryczną i ciepło z jednego urządzenia Wielofunkcyjny radioizotopowy generator termoelektryczny (mmrtg) samotność. Te zestawy RTG wykorzystują pary ferroelektryczne PbTe/TAGS, co oznacza stop ołowiu/teluru po jednej stronie i tellur (Te), srebro (Ag), german (Ge) i antymon (Sb) po drugiej stronie pary. MMRTG ma żywotność do 17 lat, ale prawdopodobnie znacznie przewyższa specyfikacje projektowe, podobnie jak MHW-RTG i inne. Paliwo pluton-238 z MMRTG jest zawarte w jednostkach źródła ciepła ogólnego przeznaczenia (GPHS), które służą do ochrony paliwa przed uszkodzeniem.

Główny Tryb awaryjny Z termopar SiGe german migrował w czasie, powodując sublimację. Zapobiegnięto temu w późniejszych projektach, pokrywając termopary SiGe azotkiem krzemu. Termopary PbTe/TAGS powinny zapewnić dalszą stabilność w tym zakresie, a MMRTG w Curiosity i Persistence posłużyły jako testy czasu trwania w świecie rzeczywistym.

kwestia paliwa

Sondy Voyager 1 i 2 są dość daleko od głównej sesji serwisowej i konserwacyjnej, więc NASA musiała wykazać się kreatywnością, aby zoptymalizować zużycie energii. Chociaż rezerwowy obwód zasilania mógł być uważany za konieczność w latach 70. XX wieku w przypadku wahań mocy z dowolnego z trzech RTG na każdej sondzie kosmicznej, istnieje wystarczająco dużo danych obserwacyjnych w świecie rzeczywistym, aby poprzeć sugestię, że może nie być konieczne, poza efektami egzotycznymi. .

Dzięki około 46-letnim danym z Voyager RTG możemy teraz zobaczyć, że stabilność termopar jest niezbędna do utrzymania stałej mocy wyjściowej, ponieważ zanik pluton-238 Źródło paliwa jest znacznie łatwiejsze do modelowania i przewidywania. Teraz, gdy mamy do czynienia z MMRTG, możemy rozwiązać wiele problemów, które powodują niszczenie termopar w miarę upływu czasu. Jedynym brakującym składnikiem jest paliwo pluton-238.

Większość plutonu-238, który posiadały Stany Zjednoczone, pochodziła z miejsca w Savannah River (SRS). najlepszych izotopów promieniotwórczych do wykorzystania w RTG podczas długotrwałych misji. Z krótkim okresem półtrwania wynoszącym 87,7 lat i tylko rozpadem alfa, pluton-238 jest dość łagodny dla otaczającego materiału, jednocześnie dostarczając duże ilości energii cieplnej.

Mając tylko wystarczającą ilość plutonu-238 dla dwóch MMRTG na obecnych łazikach marsjańskich i dwóch kolejnych, Stany Zjednoczone Zrestartuj teraz Produkcja plutonu-238. Chociaż pluton-238 można wytworzyć kilkoma różnymi metodami, preferowaną metodą wydaje się wykorzystanie zapasu neptunu-237 i wystawienie go na działanie neutronów w reaktorach rozszczepialnych lub podobnych źródłach neutronów w celu wytworzenia plutonu-238 przez wychwyt neutronów. Według NASA około 1,5 kg plutonu-238 rocznie powinno wystarczyć do zaspokojenia zapotrzebowania na przyszłe misje kosmiczne.

Mały statek kosmiczny w zmroku

Podróżnik 1 znajduje się obecnie w odległości 159,14 AU (23,807 miliardów km) od Ziemi, oraz Podróżnik 2 Jest tylko nieznacznie bliżej na 133,03 AU niż Ziemia. Jako projekt, który ma swoje korzenie w Wyścigu Kosmicznym i przetrwał nie tylko po wielu swoich twórcach, ale także po ówczesnej geopolityce, jest prawdopodobnie jedną z niewielu stałych stworzonych przez człowieka, z którymi wszyscy możemy się w jakiś sposób identyfikować. moda.

Jako nośniki złotych dysków, które zawierają esencję ludzkości, przedłużenie życia tych statków kosmicznych wykracza poza zwykłą naukę, którą mogą uprawiać w ciemności głębokiego kosmosu. Z każdym dodatkowym rokiem możemy dowiedzieć się trochę więcej i zobaczyć więcej tego, co czeka ludzkość poza zasięgiem tego mniej lub bardziej zwykłego układu słonecznego.