Az áramellátó rendszerek (az áramellátás, ha egyszerűbb, mert még a gépeknek is valamit kell enniük) az űrhajó fontos részét képezik. Szélsőséges körülmények között kell működniük, és rendkívül megbízhatóaknak kell lenniük. A komplex űrhajók folyamatosan növekvő energiaigényeivel azonban a jövőben új technológiákra lesz szükségünk. Az évtizedekig tartó küldetésekhez új generációs tápegységekre lesz szükség. Milyen lehetőségeket kínál?
A legújabb mobiltelefonok alig képesek túlélni egy napot anélkül, hogy be kellene őket dugni a konnektorba. A 38 évvel ezelőtt elindított Voyager-szonda azonban továbbra is információkat küld nekünk a Naprendszer túllépéséből. A Voyager szondák képesek másodpercenként hatékonyan feldolgozni 81 000 utasítást, de az okostelefonok átlagosan 7000-szer gyorsabbak.
Mobiltelefonjait természetesen rendszeresen újratöltjük, és valószínűleg nem haladunk meg több millió kilométerre a legközelebbi aljzattól. Nem praktikus feltölteni egy űrhajót, amely 100 millió kilométerre fekszik a legközelebbi állomástól. Ehelyett az űrhajónak képesnek kell lennie arra, hogy elegendő energiát tároljon vagy generáljon ahhoz, hogy évtizedek óta navigáljon az űrben. És ezt, amint kiderült, nehéz megszervezni.
Míg néhány fedélzeti rendszer csak alkalmanként igényel energiát, másoknak folyamatosan működniük kell. A transzpondereknek és a vevőknek mindig aktívnak kell lenniük, és személyzettel ellátott repülési vagy űrállomás esetén az életmentő és a világító rendszereknek is működniük kell.
Dr. Rao Surampudi a kaliforniai Technológiai Intézet Jet Propulsion Laboratóriumának energiatechnológiai programmenedzsere. Több mint 30 éve fejleszti áramellátási rendszereit a NASA különböző űrhajóinak.
Surampudi szerint az űrhajók energiaellátó rendszerei a szállítási tömeg körülbelül 30% -át teszik ki, és három fontos alcsoportra oszthatók:
áramtermelés;
Promóciós videó:
energia tároló;
energiagazdálkodás és -elosztás
Ezek a rendszerek kritikus jelentőségűek az űrhajó működése szempontjából. Kis tömegűeknek kell lenniük, hosszú ideig kell élniük és "energikusan sűrűek", vagyis sok energiát kell termelniük viszonylag kis térfogatokból. Emellett meglehetősen megbízhatónak kell lenniük, mivel az űrben néhány dolgot szinte irreálisan vagy gyakorlatilag nem lehet megjavítani.
Ezeknek a rendszereknek nemcsak képesnek kell lenniük a fedélzeten lévő összes igény biztosítására, hanem a teljes küldetés során is képesnek kell lenniük erre - ezek közül néhány akár tíz vagy száz évig tarthat.
"A várható élettartamnak hosszúnak kell lennie, mert ha valami rosszul fordul elő, akkor nem tudja megjavítani" - mondja Surampudi. "Öt-hét évbe telik eljutni Jupiterhez, több mint tíz évig Plutonig, de a Naprendszer elhagyása 20-30 év."
Az egyedi környezetnek köszönhetően, amelyben működnek, az űrhajó energiaellátó rendszerének képesnek kell lennie arra, hogy nulla gravitációban és vákuumban működjön, valamint ellenálljon a kolosszális sugárzásnak (általában ilyen körülmények között az elektronika nem működik). "Ha a Vénuszra szállsz, a hőmérséklet eléri a 460 Celsius fokot, de a Jupiternél -150 fokra eshet."
A Naprendszerünk központja felé haladó űrhajó sok napenergiát fog kapni a fotovoltaikus paneleihez. Az űrhajók napelemei úgy nézhetnek ki, mint a szokásos napelemek otthonainkban, de úgy tervezték, hogy hatékonyabban működjenek, mint otthon.
A hirtelen hőmérséklet-emelkedés a nap közvetlen közelében a napelemek túlmelegedését is okozhatja. Ezt enyhíti az, ha a napelemeket elforgatják a Naptól, ami korlátozza az intenzív sugárzásnak való kitettséget.
Amikor egy űrhajó belép egy bolygó pályájára, a napelemek kevésbé hatékonyak; nem tudnak sok energiát előidézni az elsötétülés és a bolygó árnyékának áthaladása miatt. Megbízható energiatároló rendszerre van szükség.
Az atomok válaszolnak
Az egyik ilyen típusú energiatároló rendszer a nikkel-hidrogén elemek, amelyek több mint 50 000 alkalommal tölthetők fel és élettartama több mint 15 év. Ellentétben a kereskedelmi akkumulátorokkal, amelyek nem működnek űrben, ezek az elemek hermetikusan zárt rendszerek, amelyek vákuumban működhetnek.
Ha elrepül a Naptól, a napsugárzás fokozatosan csökken a Föld körül 1,374 W / m2-ről 50 W / m2-re Jupiter közelében, míg Plútó már kb. 1 W / m2-t tesz ki. Ezért, amikor egy űrhajó repül ki a Jupiter pályájáról, a tudósok atomrendszerekhez fordulnak, hogy energiát biztosítsanak az űrhajóra.
A leggyakoribb típus a radioizotóp hőelektromos generátorok (rövid idejű RTG-k), amelyeket a Voyager, a Cassini és a Curiosity rovernél használtak. Szilárdtest készülékek, amelyeknek nincs mozgó része. Hőket termelnek olyan elemek radioaktív bomlása során, mint plutónium, és élettartama meghaladja a 30 évet.
Ha az RTG használata nem lehetséges - például ha a személyzet védelméhez szükséges árnyékolás súlya a készüléket nem teszi praktikássá - és a Naptól való távolság nem teszi lehetővé napelemek használatát, akkor az üzemanyagcellákat elfordítják.
Hidrogén-oxigén üzemanyagcellákat használtunk az Apollo és a Gemini űri missziók során. Noha a hidrogén-oxigén üzemanyagcellákat nem lehet újratölteni, nagy fajlagos energiájuk van, és nem hagynak más vizet, mint az űrhajósok.
A NASA és a JPL folyamatos kutatása lehetővé teszi a jövőbeli energiarendszerek számára, hogy kevesebb helyet és hosszabb időt felhasználva több energiát termeljenek és tároljanak. Ennek ellenére az új űrhajók egyre több és több tartalékot igényelnek, mivel fedélzeti rendszereik komplexebbé válnak és éhesek az energiához.
A magas energiaigény különösen akkor igaz, ha az űrhajó olyan elektromos meghajtó rendszert használ, mint az ionmotor, amelyet először a Deep Space 1-be szállítottak 1998-ban, és amelyet továbbra is sikeresen használnak az űrhajókon. Az elektromos meghajtó rendszerek általában nagy sebességgel bocsátanak ki tüzelőanyagot villamos energiával, de mások elektrodinamikai köteleket használnak, amelyek kölcsönhatásba lépnek a bolygó mágneses tereivel az űrhajó mozgatásához.
A földi energiarendszerek többsége nem fog működni az űrben. Ezért minden új energiaellátó rendszert alaposan meg kell vizsgálni, mielőtt az űrhajóra telepítik. A NASA és a JPL laboratóriumait arra használják, hogy szimulálják a szélsőséges körülményeket, amelyekben az új technológia működni fog, bombázzák az új alkatrészeket és rendszereket sugárzással, és extrém hőmérsékletnek teszik ki őket.
Extra élet
A keverő radioizotóp-generátorok jelenleg készülnek a jövőbeli küldetésekre. A meglévő RTG-k alapján ezek a generátorok sokkal hatékonyabbak, mint a termoelektromos testvérek, és sokkal kisebbek is lehetnek, bár bonyolultabb elrendezéssel.
Új típusú akkumulátorokat fejlesztenek a NASA Európa-ba tervezett küldetésének (a Jupiter holdjainak egyike) is. A hőmérsékletet -80 és -100 Celsius fok között kell működtetni. A kettős tárolt energiával rendelkező fejlett lítium-ion akkumulátorok előállításának lehetőségét vizsgálják. Megengedhetik, hogy az űrhajósok kétszer olyan hosszú időt töltsenek a Holdon, mielőtt az elemek lemerülnének.
Új napelemeket dolgoznak ki, amelyek képesek lesznek csökkentett fényintenzitású és hőmérsékleti körülmények között is működni, vagyis az űrhajó képes a Naptól távolabbi napenergia felhasználására.
Egy nap a NASA végül úgy dönt, hogy állandó bázist épít a Marson az emberekkel, és talán egy másik bolygón. Az ügynökségnek sokkal erősebb energiatermelő rendszerekre lesz szüksége, mint a meglévők.
A hold hélium-3-ban gazdag, egy ritka elem a Földön, amely ideális üzemanyag lehet a magfúzióhoz. Ez a szintézis azonban eddig nem tekinthető elég stabilnak vagy megbízhatónak az űrhajó tápellátásának alapjául. Ezenkívül egy tipikus fúziós reaktor, például egy tokamak, ház méretének felel meg, és nem fog beleférni egy űrhajóba.
Mi lenne a nukleáris reaktorokkal, amelyek tökéletesen megfelelnének az elektromos hajtású űrhajóknak és a Holdra és a Marsra történő leszállásra tervezett missziókhoz? Ahelyett, hogy külön tápegység-rendszert hoznának a kolóniába, az űrhajó nukleáris generátorát is fel lehetne használni.
A nukleáris-elektromos motorral rendelkező űrhajókat fontolóra veszik a jövőbeni hosszú távú küldetések során. "Az aszteroida átirányítási feladathoz erőteljes napelemeket kell igénybe venni, amelyek elegendő elektromos hajtást biztosítanak az űrhajók számára az aszteroida körül történő manőverezéshez." - mondja Surampudi. "Egy bizonyos ponton a napenergiával indítottuk, de az atomenergiával minden sokkal olcsóbb lesz."
Sok éven át azonban nem fogunk látni nukleáris energiájú űrhajókat. "A technológia még nem érett" - mondja Surampudi. "Gondoskodnunk kell arról, hogy biztonságban legyenek-e az indítás után." Szigorú teszteken kell részt venniük, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy biztonságos-e az ilyen nukleáris létesítményeket az űrszegény szigorú teszteinek kitenni."
Az új energiaellátó rendszerek lehetővé teszik, hogy az űrhajók hosszabb ideig működjenek és tovább menjenek, de még csak fejlesztésük kezdetén vannak. Tesztelésük során kritikus alkatrészekké válnak a Marsra és azon túlmenő emberelt missziók számára.