Az évtizedekig - vagy akár hosszabb ideig tartó - űrhajó-küldetésekhez új generációs tápegységekre lesz szükség.
Az energiarendszer az űrhajó létfontosságú eleme. Ezeknek a rendszereknek rendkívül megbízhatónak kell lenniük, és úgy kell kialakítaniuk, hogy ellenálljanak a zord környezetnek.
A mai kifinomult eszközök egyre több energiát igényelnek - mi lesz a tápegységeik jövője?
Egy átlagos modern okostelefon alig tud egy napig tartani egyetlen töltéssel. És a 38 évvel ezelőtt elindított Voyager szonda továbbra is jeleket továbbít a Földre, miután elhagyta a Naprendszert.
A Voyager számítógépek másodpercenként 81 ezer műveletet képesek végrehajtani - az okostelefon processzora azonban hétezerszer gyorsabb.
A telefon tervezésekor természetesen feltételezzük, hogy rendszeresen feltöltjük, és valószínűleg nem lesz több millió kilométerre a legközelebbi aljzattól.
Nem fog működni az űrhajó akkumulátorának feltöltése, amelynek a terv szerint száz millió kilométerre kell lennie a jelenlegi forrástól. Ez nem fog működni - képesnek kell lennie arra, hogy elegendő kapacitású akkumulátort hordozjon a fedélzeten évtizedekig történő működéshez, vagy önmagában áramot termeljen.
Kiderül, hogy elég nehéz megoldani egy ilyen tervezési problémát.
Promóciós videó:
Néhány fedélzeti eszköznek csak időről időre van szüksége áramra, másoknak pedig folyamatosan kell működniük.
A vevőket és az adókat mindig bekapcsolt állapotban kell lenni, és pilóta nélküli repülésnél vagy a személyzettel ellátott űrállomáson be kell kapcsolni az életmentőt és a világító rendszereket is.
Dr. Rao Surampudi vezeti az energiatechnológiai programot az Egyesült Államok Kaliforniai Technológiai Intézetének Jet Propulsion Laboratory-ban. Több mint 30 éve fejleszti a különféle NASA járművek energiaellátási rendszereit.
Elmondása szerint az energiarendszer általában az űrhajó össztömegének körülbelül 30% -át teszi ki. Három fő feladatot old meg:
- elektromos geneártor
- villamos energia tárolása
- villamosenergia-elosztás
A rendszer mindegyik része létfontosságú a készülék működéséhez. Könnyűeknek, tartósaknak és nagy "energia sűrűségűnek" kell lenniük, vagyis sok energiát kell előállítaniuk, viszonylag kis térfogat mellett.
Ezenkívül megbízhatóaknak is kell lenniük, mivel nagyon praktikus a személy eljuttatása az űrbe az üzemzavarok kijavítására.
A rendszernek nemcsak elegendő energiát kell előállítania minden igényhez, hanem az egész repülés során is - és évtizedekig, és a jövőben talán évszázadokig is fennállhat.
"A tervezési élettartamnak hosszúnak kell lennie - ha valami megszakad, senkit sem lehet megjavítani" - mondja Surampudi. "A Jupiterbe történő repülés öt-hét évig tart, a Plutonhoz pedig több mint 10 év, és 20-30 évig tart, amíg elhagyja a Naprendszert."
Az űrhajók energiaellátási rendszerei nagyon speciális körülmények között vannak - működésüknek gravitáció hiányában, vákuumban, nagyon intenzív sugárzás (amely a legtöbb elektronikus elektronikai készüléket letiltja) és a szélsőséges hőmérsékletek hatására fenn kell maradniuk.
"Ha a Vénuszra szállsz, akkor 460 fok lesz a fedélzeten" - mondja a szakember. "És amikor Jupiterre leszáll, a hőmérséklet mínusz 150" lesz.
A Naprendszer közepe felé haladó űrhajóknak nem hiányzik az energia, amelyet a fotovoltaikus panelek gyűjtöttek.
Ezek a panelek alig különböznek a lakóépületek tetejére felszerelt napelemektől, de sokkal nagyobb hatékonysággal működnek.
A nap közelében nagyon meleg van, és a PV panelek túlmelegedhetnek. Ennek elkerülése érdekében a paneleket elfordítják a Naptól.
A bolygó körüli pályán a fotovoltaikus panelek kevésbé hatékonyak: kevesebb energiát termelnek, mivel időről időre maga a bolygó elkerüli őket a Naptól. Ilyen helyzetekben megbízható energiatároló rendszerre van szükség.
Atomi oldat
Egy ilyen rendszer felépíthető nikkel-hidrogén akkumulátorok alapján, amelyek több mint 50 ezer töltési ciklust tudnak ellenállni és több mint 15 évig tartanak.
A hagyományos akkumulátoroktól eltérően, amelyek nem működnek az űrben, ezek az elemek le vannak zárva, és normál esetben vákuumban működhetnek.
Ahogy elmozdulunk a Naptól, a napsugárzás szintje természetesen csökken: a Föld esetében ez 1374 watt négyzetméterenként, a Jupiternél - 50, a Plútónál pedig csak egy watt négyzetméterenként.
Ezért ha az űrhajó elhagyja a Jupiter pályáját, akkor atomenergia-rendszereket használ.
Ezek közül a leggyakoribb a Voyager és Cassini szondákon és a Curiosity rovernél használt radioaktív izotópos termoelektromos generátor (RTG).
Ezekben a tápegységekben nincsenek mozgó alkatrészek. Energiat termelnek radioaktív izotópok, például plutónium bomlásával. Élettartamuk meghaladja a 30 évet.
Ha nem lehet RTG-t használni (például ha a repülésre túl hatalmas képernyő szükséges a legénység sugárzás elleni védelméhez), és a fotovoltaikus panelek nem megfelelőek a Naptól való túl nagy távolság miatt, akkor üzemanyagcellák használhatók.
A hidrogén-oxigén üzemanyagcellákat az amerikai Gemini és Apollo űrprogramokban használták. Ezeket a cellákat nem lehet újratölteni, de sok energiát bocsátanak ki, és ennek a folyamatnak a mellékterméke a víz, amelyet a legénység meg is inni.
A NASA és a Jet Propulsion Laboratory erőteljesebb, energiaigényesebb és kompakt, nagy élettartamú rendszerek létrehozására törekszik.
Az új űrhajóknak azonban egyre több energiára van szükségük: fedélzeti rendszereik folyamatosan összetettekké válnak, és sok energiát fogyasztanak.
Ez különösen igaz az elektromos hajtást használó hajókra - például az ionmeghajtó eszközre, amelyet 1998-ban használtak először a Deep Space 1 szondán, és azóta széles körben elterjedt.
Az elektromos motorok általában az üzemanyag nagy sebességgel történő kiadásával működnek, de vannak olyanok is, amelyek felgyorsítják a készüléket a bolygók mágneses tereivel történő elektrodinamikai kölcsönhatás révén.
A Föld legtöbb energiarendszere nem képes az űrben működni. Ezért minden új rendszer komoly tesztek sorozatán megy keresztül, mielőtt az űrhajóra telepítik.
A NASA laboratóriumai visszaállítják a szélsőséges körülményeket, amelyek között az új eszköznek működnie kell: sugárzással besugározzák, és extrém hőmérsékleti változásoknak vannak kitéve.
Az új határok felé
Lehetséges, hogy a továbbfejlesztett Stirling-izotóp-generátorokat használják a jövőbeli repülések során. Az RTG-hez hasonló elven működnek, de sokkal hatékonyabban.
Ezen felül nagyon kicsi is lehet őket - bár a tervezés tovább bonyolult.
Új elemeket építenek a NASA tervezett európai repülésére, a Jupiter holdjainak egyikére. Képesek lesznek -80 és -100 fok közötti hőmérsékleten működni.
És az új lítium-ion akkumulátorok, amelyeken a tervezők jelenleg dolgoznak, kétszer nagyobb kapacitással rendelkeznek, mint a jelenlegi. Segítségükkel az űrhajósok például kétszer olyan hosszú időt tölthetnek a holdfelszínen, mielőtt visszatérnének a hajóra újratölteni.
Olyan új napelemeket is tervezünk, amelyek hatékonyan tudják összegyűjteni energiát gyenge fényviszonyok között és alacsony hőmérsékleten - ez lehetővé teszi a fotovoltaikus paneleken lévő eszközök repülését a Naptól.
A NASA bizonyos szakaszában állandó bázist szándékozik létrehozni a Marson - és esetleg egy távolabbi bolygókon is.
Az ilyen települések energiarendszereinek sokkal erősebbeknek kell lenniük, mint amelyeket manapság az űrben használnak, és sokkal hosszabb működésre tervezték őket.
Nagyon sok hélium-3 található a Holdon - ez az izotóp ritkán fordul elő a Földön, és ideális tüzelőanyag a termonukleáris erőművek számára. Ennek az energiaforrásnak az űrhajókban való felhasználása érdekében azonban még nem sikerült elérni a hőmagfúzió megfelelő stabilitását.
Ezenkívül a jelenleg létező termonukleáris reaktorok egy repülőgép-hangár területét foglalják el, és ilyen formában lehetetlen őket űrrepülésekhez felhasználni.
Használható-ea hagyományos nukleáris reaktorok - különösen elektromos meghajtású járművekben és a Holdra és a Marsra tervezett missziók során?
Ebben az esetben a kolóniának nem kell külön villamosenergia-forrást üzemeltetnie - a hajó reaktorja betöltheti szerepét.
Hosszú távú repülések esetén lehetséges, hogy atomi-elektromos hajócsavarokat használnak.
"Az aszteroida eltérítő missziója nagy napelemeket igényel ahhoz, hogy elegendő villamos energiával rendelkezzenek az aszteroida körül történő manőverezéshez" - mondja Surampudi. "Jelenleg fontolóra vesszük a napenergia-hajtás lehetőségét, de az atomenergia olcsóbb lenne."
Nem valószínű azonban, hogy a közeljövőben nukleáris hajtású űrhajókat fogunk látni.
„Ezt a technológiát még nem fejlesztették ki kellőképpen. Mielőtt ilyen készüléket az űrbe juttatnánk, teljesen biztosak lehetünk a biztonságában”- magyarázza a szakember.
További szigorú tesztelésre van szükség annak biztosítása érdekében, hogy a reaktor képes legyen ellenállni az űrrepülés robbanásának.
Mindezen ígéretes energiarendszerek lehetővé teszik az űrhajók hosszabb élettartamát és nagy távolságok repülését - de eddig a fejlesztés korai szakaszában vannak.
A tesztek sikeres befejezése után az ilyen rendszerek kötelező alkotóelemei lesznek a Marsra - és azon túl is tartó repülések számára.