Back-upstroom voor NASA’s Voyager Space Probe en de fijne kneepjes van RTG-gebaseerde stroomsystemen

Voyager 1 en 2 sondes werden gelanceerd in 1977 en werken al meer dan 45 jaar non-stop, op weg van de aarde naar de buitenste planeten van ons zonnestelsel en daarbuiten. Met dank aan de radio-isotoop thermo-elektrische generatoren (RTG’s) die bij de lancering 470 watt leverden, kunnen ze in de duisternis van de diepe ruimte werken, net als binnen de grenzen van ons verlichte zonnestelsel. Omdat echter niets in het universum echt oneindig is, slijten deze RTG’s ook na verloop van tijd, hetzij door het natuurlijke verval van hun stralingsbron of door de degradatie van thermokoppels.

Ondanks deze geleidelijke afname in kracht, is NASA Onlangs aangekondigd Dat Voyager 2 een tot nu toe onbekende bron van back-upstroom heeft die het afsluiten van meer wetenschappelijke instrumenten nog een paar jaar zou uitstellen. De verandering omzeilt in wezen de normale circuitspanning en het bijbehorende back-upvoedingssysteem, waardoor de stroom die dit verbruikt vrijkomt voor wetenschappelijke instrumenten die jaren eerder zouden zijn begonnen met afsluiten.

Hoewel dat op zich goed nieuws is, is het ook opmerkelijk omdat de 45 jaar oude Multi Hundred Watt (MHW) van Voyager de voorloper is van de RTG’s die 17 jaar later nog steeds de New Horizons-sonde van stroom voorzien, en het Mars Science Laboratory (Curiosity) Al meer dan 10 jaar wordt de waarde van RTG’s aangetoond in langdurige verkenningsmissies.

Hoewel het basisprincipe achter de RTG vrij eenvoudig is, is het ontwerp drastisch veranderd sinds de Amerikaanse SNAP-3 RTG op de markt werd gebracht. Kruispunt Satelliet 4B in 1961.

De behoefte aan macht

Zelfs op aarde kan het moeilijk zijn om een ​​betrouwbare energiebron te vinden die jaren of zelfs decennia meegaat. Daarom hebben NASA’s Auxiliary Nuclear Power Systems (NASA)knalHet ontwikkelingsprogramma heeft RTG’s opgeleverd die bedoeld zijn voor gebruik op de grond en in de ruimte, waarbij SNAP-3 als eerste de ruimte bereikte. De gegeven RTG produceerde slechts 2,5 watt en de satellieten hadden ook zonnepanelen en NiCd-batterijen. Maar als RTG-testbed in de ruimte legde SNAP-3 de basis voor opeenvolgende NASA-missies.

SNAP-19 leverde stroom (ongeveer 30 watt per RTG) voor Viking-landers 1 en 2, evenals Pioneer 10 en 11. Vijf SNAP-27-modules leverden stroom voor de Apollo Lunar Surface Experiments-pakketten (ALSEP) die op het maanoppervlak zijn achtergelaten door Apollo-astronauten 12, 14, 15, 16 en 17. Elke SNAP-27 leverde ongeveer 75 watt bij 30 V DC aan vermogen van een 3,8 kg plutonium-238 brandstofstaaf geschikt voor 1250 watt daar. Tien jaar later produceert SNAP-27 nog steeds meer dan 90% van zijn nominale elektrische vermogen, waardoor elke ALSEP gegevens over maanbevingen en andere informatie die door zijn instrumenten is vastgelegd, kan verzenden zolang het energiebudget dit toelaat.

Tegen de tijd dat de ondersteuningsoperaties voor Project Apollo in 1977 stopten, hadden de ALSEP’s alleen nog hun zenders operationeel. De SNAP-27-module van Apollo 13 (bevestigd aan de buitenkant van de maanmodule) is teruggekeerd naar de aarde, waar hij intact blijft op de bodem van de Tonga Trench in de Stille Oceaan.

De relatieve inefficiëntie van RTG’s was toen al duidelijk Snap-10A Experiment waarin een geïntegreerde kernsplijtingsreactor van 500 watt in een door een ionenmotor aangedreven satelliet werd gedemonstreerd die gemakkelijk beter presteerde dan SNAP RTG’s. Hoewel ze krachtiger zijn per volume-eenheid en nucleaire brandstof, hebben op thermokoppels gebaseerde RTG’s het voordeel dat ze absoluut geen bewegende delen hebben en alleen passieve koeling nodig hebben. Hierdoor kunnen ze letterlijk op een ruimtesonde, satelliet of voertuig worden geplakt met warmtestraling en/of convectie die de koele kant voor thermisch.

Deze thermokoppels worden gebruikt Seebeck-effect, het omgekeerde Peltier-effect, om de temperatuurgradiënt tussen twee ongelijksoortige elektrisch geleidende materialen om te zetten in in wezen een generator. Een groot deel van de uitdaging voor RTG’s op basis van thermokoppels is het vinden van de meest efficiënte en duurzame houder. Hoewel RTG’s van Rankine, Brayton en Stirling ook zijn uitgeprobeerd, hebben ze het duidelijke nadeel dat ze bewegende mechanische onderdelen hebben, die afdichtingen en smering vereisen.

Gezien de geschatte levensduur van 45 jaar van Voyager MHW-RTG’s Met relatief oude silicium-germanium (SiGe) thermokoppels zouden de nadelen van het toevoegen van mechanische componenten duidelijk moeten zijn. Vooral als je kijkt naar de twee generaties MHW RTG-opvolgers tot nu toe.

Niet jouw RTG uit de jaren 70

Terwijl Voyager’s MHW-RTG speciaal voor de missie is ontwikkeld door NASA, is zijn opvolger, creatief getiteld Warmtebron voor algemeen gebruik (GPHSDe RTG is ontworpen door de ruimtedivisie van General Electric en is vervolgens gebruikt op de missies Ulysses (1990-2009), Galileo (1989-2003), Cassini-Huygens (1997-2017) en New Horizons (2006-). Elke GPHS-RTG produceert ongeveer 300 watt elektrisch vermogen uit een thermokoppel van 4400 watt, met behulp van vergelijkbare thermokoppels van silicium en germanium.

Een interessant aspect hier is dat zelfs de Mars-rovers op zonne-energie een radio-isotoopmodule bevatten, zij het in de vorm van een radio-isotoopverwarmingsmodule (RHU), met de Sojourner Rover De aanwezigheid van drie van dergelijke RHU’s, f Geest en kansen Acht RHU’s elk. Deze RHU’s bieden een constante warmtebron waardoor de schaarse elektriciteit van de zonnepanelen en batterijen kan worden gebruikt voor andere taken dan het aansturen van de verwarmingen.

Ondertussen, de momenteel actieve Mars rover, nieuwsgierigheid En dankzij de dubbele weerstand haalt hij elektrische energie en warmte uit één apparaat Een multifunctionele radio-isotoop thermo-elektrische generator (mmrtg) eenzaamheid. Deze RTG-sets gebruiken PbTe/TAGS ferro-elektrische paren, d.w.z. een lood/telluriumlegering voor de ene kant en tellurium (Te), zilver (Ag), germanium (Ge) en antimoon (Sb) voor de andere kant van het paar. De MMRTG heeft een levensduur van maximaal 17, maar zal waarschijnlijk aanzienlijk beter presteren dan de ontwerpspecificaties, net als de MHW-RTG’s en andere. De plutonium-238-brandstof met MMRTG bevindt zich in General Purpose Heat Source Units (GPHS), die dienen om de brandstof tegen beschadiging te beschermen.

Voornaamst faal modus Van de SiGe-thermokoppels migreerde het germanium in de loop van de tijd, waardoor sublimatie ontstond. In latere ontwerpen werd dit voorkomen door SiGe-thermokoppels te coaten met siliciumnitride. PbTe/TAGS-thermokoppels zouden in dit opzicht voor verdere stabiliteit moeten zorgen, en MMRTG’s in Curiosity en Persistence hebben gediend als real-world duurtests.

brandstof probleem

De sondes Voyager 1 en 2 zijn nogal uit de weg voor een grote service- en onderhoudssessie, dus NASA moest creatief zijn om het energieverbruik te optimaliseren. Hoewel een back-upstroomcircuit in de jaren zeventig als een noodzaak werd beschouwd in het geval van stroomfluctuaties van een van de drie RTG’s op elke ruimtesonde, zijn er voldoende waarnemingsgegevens uit de praktijk om de suggestie te ondersteunen dat dit misschien niet nodig is. afgezien van exotische effecten. .

Met ongeveer 46 jaar aan gegevens van Voyager RTG’s kunnen we nu zien dat de stabiliteit van thermokoppels nodig is om een ​​constant uitgangsvermogen te behouden, aangezien verval plutonium-238 De brandstofbron is veel gemakkelijker te modelleren en te voorspellen. Nu we met MMRTG’s veel van de problemen kunnen aanpakken die ervoor zorgen dat thermokoppels na verloop van tijd verslechteren. Het enige ontbrekende onderdeel is plutonium-238-brandstof.

Het grootste deel van het plutonium-238 dat de Verenigde Staten hadden gehad, was afkomstig van de Savannah River-site (SRS) voordat deze faciliteit en zijn eigen reactoren in 1988 werden gesloten. Toen importeerden de Verenigde Staten Pu-238 plutonium uit Rusland voordat de voorraden van laatstgenoemde ook opraakten, wat leidde tot de gênante positie van de Verenigde Staten die geen voorraad meer hadden. van de beste radioactieve isotopen voor gebruik in RTG’s voor langdurige missies. Met een korte halfwaardetijd van 87,7 jaar en slechts een alfa-verval, is plutonium-238 redelijk goedaardig voor omringend materiaal, terwijl het grote hoeveelheden warmte-energie levert.

Met nog maar genoeg plutonium-238 over voor twee MMRTG’s op de huidige Mars-rovers en nog twee daarbuiten, hebben de Verenigde Staten Nu opnieuw opstarten Productie van plutonium-238 Hoewel plutonium-238 op verschillende manieren kan worden gemaakt, lijkt de geprefereerde methode te zijn om een ​​voorraad neptunium-237 te gebruiken en deze bloot te stellen aan neutronen in splijtingsreactoren of soortgelijke neutronenbronnen, om plutonium-238 te genereren door neutronen vangen. Volgens NASA zou ongeveer 1,5 kg plutonium-238 per jaar voldoende moeten zijn om aan de vraag voor toekomstige ruimtemissies te voldoen.

Klein ruimtevaartuig in het donker

Voyager 1 bevindt zich momenteel op een afstand van 159,14 AU (23,807 miljard km) van de aarde, en Voyager 2 Het is slechts marginaal dichterbij op 133.03 AU dan de aarde. Als een project dat zijn wortels heeft in Space Race en uiteindelijk is voortgekomen uit niet alleen veel van zijn makers, maar ook de geopolitiek van die tijd, is het misschien een van de weinige door mensen veroorzaakte constanten waarmee we ons allemaal op de een of andere manier kunnen identificeren. mode.

Als dragers van de gouden schijven die de essentie van de mensheid bevatten, gaat de levensverlenging van deze ruimtevaartuigen verder dan de loutere wetenschap die ze kunnen doen, in de duisternis van de verre ruimte. Met elk extra jaar kunnen we iets meer leren en meer zien van wat de mensheid te wachten staat buiten het bereik van dit min of meer gewone zonnestelsel.