Strömförsörjningssystem (strömförsörjning, om det är enklare, eftersom även maskiner behöver äta något) är en viktig del av rymdskeppet. De måste arbeta under extrema förhållanden och vara extremt pålitliga. Men med de ständigt växande energikraven från komplexa rymdfarkoster kommer vi att behöva ny teknik i framtiden. Uppdrag som kommer att pågå i årtionden kommer att kräva en ny generation kraftleveranser. Vilka alternativ?
De senaste mobiltelefonerna kan knappt överleva en dag utan att behöva anslutas till ett eluttag. Men Voyager-sonden, som lanserades för 38 år sedan, skickar oss fortfarande information bortom solsystemet. Voyager-prober kan effektivt behandla 81 000 instruktioner varje sekund, men i genomsnitt är smartphones 7 000 gånger snabbare.
Dina mobiltelefoner är naturligtvis födda för att laddas regelbundet och kommer troligen inte gå flera miljoner kilometer från närmaste uttag. Det är inte praktiskt att ladda ett rymdskepp som ligger 100 miljoner kilometer från närmaste station. I stället måste ett rymdskepp kunna lagra eller generera tillräckligt med energi för att navigera i rymden i decennier. Och det visade sig vara svårt att ordna.
Medan vissa ombordsystem bara ibland kräver energi, måste andra vara ständigt igång. Transponders och mottagare måste vara aktiva hela tiden, och vid bemannad flygning eller rymdstation måste livstöd och belysningssystem också fungera.
Dr. Rao Surampudi är Power Technology Program Manager på Jet Propulsion Laboratory på California Institute of Technology. I över 30 år har han utvecklat kraftförsörjningssystem för olika NASA-rymdskepp.
Enligt Surampudi svarar rymdfarkoster för cirka 30% av transportmassan och kan delas upp i tre viktiga undergrupper:
kraftproduktion;
Kampanjvideo:
energilagring;
krafthantering och distribution
Dessa system är avgörande för rymdskeppets funktion. De måste ha en låg massa, leva länge och vara”energiskt täta”, det vill säga producera mycket energi från relativt små volymer. De måste också vara ganska tillförlitliga, eftersom vissa saker i rymden skulle vara nästan orealistiska eller opraktiska att fixa.
Dessa system måste inte bara kunna tillhandahålla ström till alla ombordbehov, utan också göra det under hela uppdraget - av vilka några kan vara tiotals eller hundratals år.
"Livslängden måste vara lång, för om något går fel kan du inte fixa det," säger Surampudi. "Det tar fem till sju år att komma till Jupiter, mer än tio år till Pluto, men att lämna solsystemet är 20-30 år."
På grund av den unika miljön som de arbetar i måste rymdfarkostens kraftförsörjningssystem kunna arbeta i nollvikt och i vakuum, samt tåla kolossal strålning (vanligtvis fungerar elektronik inte under sådana förhållanden). "Om du landar på Venus kan temperaturen nå 460 grader Celsius, men på Jupiter kan de sjunka till -150 grader."
Rymdskeppet, som är på väg mot mitten av vårt solsystem, kommer att få mycket solenergi för sina solceller. Rymdsolpaneler kan se ut som vanliga solpaneler för våra hem, men är utformade för att fungera mer effektivt än hemma.
Den plötsliga ökningen av temperaturen i närheten av solen kan också orsaka att solpaneler överhettas. Detta mildras genom att rotera solpanelerna bort från solen, vilket begränsar exponeringen för intensiva strålar.
När ett rymdskepp går in i planetens omloppsbana blir solceller mindre effektiva; de kan inte generera mycket energi på grund av förmörkelser och passerar genom planetens skugga. Ett tillförlitligt energilagringssystem behövs.
Atomer svarar
En sådan typ av energilagringssystem är nickel-vätebatterier, som kan laddas mer än 50 000 gånger och har en livslängd på över 15 år. Till skillnad från kommersiella batterier, som inte fungerar i rymden, är dessa batterier hermetiskt förseglade system som kan arbeta i vakuum.
När du flyger bort från solen sjunker solstrålningen gradvis från 1,374 W / m2 runt jorden till 50 W / m2 nära Jupiter, medan Pluto redan uppgår till cirka 1 W / m2. Därför, när ett rymdskepp flyger ut ur Jupiters bana, vänder forskare till atomsystem för att ge rymdskeppet energi.
Den vanligaste typen är radioisotop termoelektriska generatorer (RTG för kort), som användes på Voyager, Cassini och Curiosity rover. Det är enheter med fast tillstånd som inte har rörliga delar. De genererar värme under radioaktivt sönderfall av element som plutonium och har en livslängd på över 30 år.
När användningen av en RTG inte är möjlig - till exempel, om vikten på skärmen som krävs för att skydda besättningen gör anordningen opraktisk - och avståndet från Solen förhindrar användning av solpaneler, vänder bränsleceller.
Väte-syre-bränsleceller användes under rymdsuppdragen Apollo och Gemini. Även om bränsleceller med väte-syre inte kan laddas upp, har de en hög specifik energi och lämnar inget annat än vatten för astronauter att dricka.
Pågående forskning från NASA och JPL gör det möjligt för framtida kraftsystem att generera och lagra mer energi med mindre utrymme och under en längre tid. Icke desto mindre kräver nya rymdfarkoster fler och fler reserver eftersom deras ombordsystem blir mer komplexa och hungriga efter energi.
De höga energikraven gäller särskilt när rymdskeppet använder ett elektriskt framdrivningssystem som jonmotorn, som först levererades till Deep Space 1 1998 och fortfarande framgångsrikt användes på rymdskepp. Elektriska framdrivningssystem matar vanligtvis ut bränsle med elektricitet i hög hastighet, men andra använder elektrodynamiska linor som interagerar med planetens magnetfält för att flytta rymdskeppet.
De flesta energisystemen på jorden fungerar inte i rymden. Således måste varje nytt kraftförsörjningssystem testas noggrant innan det installeras på ett rymdskepp. NASA och JPL använder sina laboratorier för att simulera de hårda förhållanden som denna nya teknik kommer att arbeta med, bombardera nya komponenter och system med strålning och utsätta dem för extrema temperaturer.
Extra liv
Stirling radioisotopgeneratorer förbereds för närvarande för framtida uppdrag. Baserat på befintliga RTG: er är dessa generatorer mycket effektivare än deras termoelektriska syskon och kan vara mycket mindre, om än med ett mer komplext arrangemang.
Nya typer av batterier utvecklas också för NASA: s planerade uppdrag till Europa (en av Jupiters månar). De måste arbeta i ett temperaturområde från -80 till -100 grader Celsius. Möjligheten att skapa avancerade litiumjonbatterier med dubbelt lagrad energi studeras. De kunde tillåta astronauter att spendera dubbelt så länge på månen innan batterierna tar slut.
Nya solpaneler utvecklas som kommer att kunna arbeta under förhållanden med reducerad ljusintensitet och temperaturer, det vill säga rymdskeppet kommer att kunna arbeta med solenergi längre från solen.
En dag kommer NASA äntligen att besluta att bygga en permanent bas på Mars med människor, och kanske på en annan planet. Byrån kommer att behöva kraftproduktionssystem som är mycket kraftfullare än befintliga.
Månen är rik på helium-3, ett sällsynt element på jorden som kan vara ett idealiskt bränsle för kärnfusion. Hittills anses emellertid en sådan syntes inte vara stabil eller tillförlitlig nog för att utgöra grunden för rymdskeppets strömförsörjning. Dessutom är en typisk fusionsreaktor, såsom en tokamak, ungefär storleken på ett hus och passar inte in i ett rymdskepp.
Vad sägs om kärnreaktorer som skulle vara perfekta för elektriskt drivna rymdfarkoster och planerade uppdrag att landa på Månen och Mars? I stället för att föra ett separat kraftförsörjningssystem till kolonin, kan rymdskeppets kärnkraftsgenerator användas.
Rymdfarkoster med en kärnelektrisk typ av motor beaktas för långsiktiga uppdrag i framtiden. "Ett asteroidomdirigeringsuppdrag kommer att kräva kraftfulla solpaneler som ger tillräckligt med elektrisk framdrivning för att rymdskeppet kan manövrera runt asteroiden," säger Surampudi. "Vid någon tidpunkt skulle vi lansera den på solenergi, men med kärnkraft kommer allt att bli mycket billigare."
Men vi kommer inte se kärnkraftsdrivna rymdfarkoster på många år. "Tekniken har inte mognat ännu," säger Surampudi. "Vi måste se till att de är säkra efter lanseringen." De kommer att behöva genomgå rigorösa tester för att visa om det är säkert att utsätta sådana kärnkraftsanläggningar för de hårda rymdproven."
De nya energiförsörjningssystemen gör att rymdskeppet kan arbeta längre och resa vidare, men är fortfarande bara i början av sin utveckling. När de testas kommer de att bli kritiska komponenter för bemannade uppdrag till Mars och därefter.
