Mai 23, 2024

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Notstromversorgung für die NASA-Raumsonde Voyager und die Feinheiten von RTG-basierten Stromversorgungssystemen

Notstromversorgung für die NASA-Raumsonde Voyager und die Feinheiten von RTG-basierten Stromversorgungssystemen

Die Sonden Voyager 1 und 2 wurden 1977 gestartet und arbeiten seit mehr als 45 Jahren ununterbrochen auf ihrem Weg von der Erde zu den äußeren Planeten unseres Sonnensystems und darüber hinaus. Dank der radioisotopen thermoelektrischen Generatoren (RTGs), die beim Start 470 Watt lieferten, können sie in der Dunkelheit des Weltraums so funktionieren, wie sie es in den Grenzen unseres beleuchteten Sonnensystems taten. Da jedoch nichts im Universum wirklich unendlich ist, nutzen sich auch diese RTGs mit der Zeit ab, sei es durch den natürlichen Zerfall ihrer Strahlungsquelle oder durch die Degradation von Thermoelementen.

Trotz dieser allmählichen Abnahme der Stärke, Nasa Kürzlich angekündigt Dass Voyager 2 über eine noch unbekannte Notstromquelle verfügt, die das Abschalten weiterer wissenschaftlicher Instrumente um einige Jahre hinauszögern würde. Die Änderung umgeht im Wesentlichen die normale Stromkreisspannung und das damit verbundene Notstromsystem, wodurch der Strom freigesetzt wird, der für wissenschaftliche Instrumente verbraucht wird, die Jahre früher abgeschaltet worden wären.

Das ist zwar an und für sich eine gute Nachricht, aber auch bemerkenswert, weil das 45 Jahre alte Multi Hundred Watt (MHW) der Voyager der Vorläufer der RTGs ist, die 17 Jahre später immer noch die Sonde New Horizons und das Mars Science Laboratory (Curiosity) antreiben. Seit mehr als 10 Jahren zeigt sich der Wert von RTGs in langfristigen Explorationsmissionen.

Obwohl das Grundprinzip hinter dem RTG recht einfach ist, hat sich sein Design dramatisch verändert, seit das US SNAP-3 RTG eingesetzt wurde Kreuzung Satellit 4B im Jahr 1961.

Das Bedürfnis nach Macht

Apollo-Astronautenfoto von SNAP-27 RTG auf der Mondoberfläche.  (Gutschrift NASA)
Apollo-Astronautenfoto von SNAP-27 RTG auf der Mondoberfläche. (Gutschrift NASA)

Selbst auf der Erde kann es schwierig sein, eine zuverlässige Energiequelle zu finden, die Jahre oder sogar Jahrzehnte hält, weshalb die Auxiliary Nuclear Power Systems (NASA) der NASAPopDas Entwicklungsprogramm hat RTGs hervorgebracht, die für den Einsatz am Boden und im Weltraum bestimmt sind, wobei SNAP-3 das erste ist, das den Weltraum erreicht. Das angegebene RTG lieferte nur 2,5 Watt, und die Satelliten hatten auch Solarpanels und NiCd-Akkus. Aber als Weltraum-RTG-Testumgebung legte SNAP-3 den Grundstein für aufeinanderfolgende NASA-Missionen.

SNAP-19 lieferte Strom (ca. 30 Watt pro RTG) für die Viking-Lander 1 und 2 sowie Pioneer 10 und 11. Fünf SNAP-27-Module lieferten Strom für die Apollo Lunar Surface Experiments-Pakete (ALSEP), die von den Apollo-Astronauten 12, 14, 15, 16 und 17 auf der Mondoberfläche zurückgelassen wurden. Jeder SNAP-27 lieferte ungefähr 75 Watt bei 30 V Gleichstrom aus einem 3,8 kg schweren Plutonium-238-Brennstab mit einer Nennleistung von 1250 Watt. Zehn Jahre später produziert SNAP-27 immer noch mehr als 90 % seiner elektrischen Nennleistung, sodass jedes ALSEP Daten über Mondbeben und andere von seinen Instrumenten aufgezeichnete Informationen so lange übertragen kann, wie es das Energiebudget zulässt.

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Als die Unterstützungsoperationen für das Projekt Apollo 1977 eingestellt wurden, waren die ALSEPs nur noch mit ihren Sendern in Betrieb. Das SNAP-27-Modul von Apollo 13 (an der Außenseite der Mondlandefähre angebracht) ist zur Erde zurückgekehrt, wo es – intakt – am Grund des Tonga-Grabens im Pazifischen Ozean verbleibt.

Die relative Ineffizienz von RTGs war jedoch schon damals offensichtlich Snap-10A Experiment zur Demonstration eines integrierten 500-Watt-Spaltungsreaktors in einem Ionentriebwerk-betriebenen Satelliten, der SNAP-RTGs leicht übertraf. Obwohl sie pro Volumeneinheit und Kernbrennstoff leistungsstärker sind, haben auf Thermoelementen basierende RTGs den Vorteil, dass sie absolut keine beweglichen Teile und nur passive Kühlanforderungen haben. Dadurch können sie buchstäblich an einer Raumsonde, einem Satelliten oder einem Fahrzeug befestigt werden, wobei Wärmestrahlung und/oder Konvektion für die kühle Seite sorgen Thermal-.

Diese Thermoelemente werden verwendet Seebeck-Effekt, der umgekehrte Peltier-Effekt, um den Temperaturgradienten zwischen zwei unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien im Wesentlichen in einen Generator umzuwandeln. Ein großer Teil der Herausforderung für RTGs auf Basis von Thermoelementen besteht darin, die effizienteste und langlebigste Halterung zu finden. Obwohl RTGs mit Rankine-, Brayton- und Stirling-Zyklen ebenfalls ausprobiert wurden, haben sie den offensichtlichen Nachteil, dass sie mechanische Teile bewegen, die Dichtungen und Schmierung erfordern.

Wenn man die geschätzte Lebensdauer der Voyager von 45 Jahren berücksichtigt MHW-RTGs Bei relativ alten Silizium-Germanium (SiGe)-Thermoelementen sollten die Nachteile des Hinzufügens mechanischer Komponenten offensichtlich sein. Vor allem, wenn man die bisherigen zwei Generationen der MHW-RTG-Nachfolger betrachtet.

Nicht Ihr RTG der 1970er Jahre

Während das MHW-RTG von Voyager speziell für die Mission von der NASA entwickelt wurde, trägt sein Nachfolger den kreativen Titel Allzweck-Wärmequelle (GPHSDas RTG wurde von der Raumfahrtabteilung von General Electric entwickelt und wurde anschließend bei den Missionen Ulysses (1990-2009), Galileo (1989-2003), Cassini-Huygens (1997-2017) und New Horizons (2006-) eingesetzt. Jedes GPHS-RTG erzeugt ungefähr 300 Watt elektrische Leistung von einem 4400-Watt-Thermoelement unter Verwendung ähnlicher Silizium- und Germanium-Thermoelemente.

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Interessant dabei ist, dass auch die solarbetriebenen Mars-Rover ein Radioisotopen-Modul enthalten, allerdings in Form eines Radioisotopen-Heizmoduls (RHU), mit dem Sojourner Rover Das Vorhandensein von drei solchen RHUs, f Geist und Gelegenheit Jeweils acht RHUs. Diese RHUs bieten eine konstante Wärmequelle, die es ermöglicht, den knappen Strom aus den Solarmodulen und Batterien für andere Aufgaben als den Betrieb der Heizungen zu verwenden.

Die GPHS-Einheit versorgt das Radioisotopen-Stromversorgungssystem mit konstanter Temperatur.  (Bildnachweis: NASA)
Die GPHS-Einheit versorgt das Radioisotopen-Stromversorgungssystem mit konstanter Temperatur. (Bildnachweis: NASA)

Der derzeit aktive Mars-Rover Neugier Und sein doppelter Widerstand bezieht elektrische Energie und Wärme von einem Gerät Ein multifunktionaler thermoelektrischer Radioisotopengenerator (mmrtg) Einsamkeit. Diese RTG-Sets verwenden ferroelektrische PbTe/TAGS-Paare, d. h. eine Blei/Tellur-Legierung für eine Seite und Tellur (Te), Silber (Ag), Germanium (Ge) und Antimon (Sb) für die andere Seite des Paares. Das MMRTG ist für bis zu 17 Lebensdauern ausgelegt, übertrifft die Designspezifikationen jedoch wahrscheinlich um ein Vielfaches wie die MHW-RTGs und andere. Der Plutonium-238-Brennstoff mit MMRTG ist in General Purpose Heat Source Units (GPHS) enthalten, die dazu dienen, den Brennstoff vor Beschädigung zu schützen.

Hauptsächlich Fehlermodus Von den SiGe-Thermoelementen wanderte das Germanium im Laufe der Zeit und verursachte eine Sublimation. Dies wurde in späteren Designs verhindert, indem SiGe-Thermoelemente mit Siliziumnitrid beschichtet wurden. PbTe/TAGS-Thermoelemente sollten in dieser Hinsicht für weitere Stabilität sorgen, und MMRTGs in Curiosity and Persistence haben als praxisnahe Dauertests gedient.

Kraftstoffproblem

Die Sonden Voyager 1 und 2 sind für eine größere Service- und Wartungssitzung ziemlich abgelegen, daher musste die NASA kreativ werden, um den Energieverbrauch zu optimieren. Obwohl ein Notstromkreis in den 1970er Jahren im Falle von Stromschwankungen von einem der drei RTGs auf jeder Raumsonde als notwendig angesehen wurde, gibt es genügend Beobachtungsdaten aus der realen Welt, um den Vorschlag zu untermauern, dass dies möglicherweise nicht erforderlich ist. Exotische Effekte ausgenommen. .

Mit ungefähr 46 Jahren Daten von Voyager-RTGs können wir jetzt sehen, dass die Stabilität von Thermoelementen notwendig ist, um eine konstante Ausgangsleistung als Zerfall aufrechtzuerhalten Plutonium-238 Die Brennstoffquelle ist viel einfacher zu modellieren und vorherzusagen. Jetzt, da wir mit MMRTGs viele der Probleme angehen können, die dazu führen, dass sich Thermoelemente im Laufe der Zeit verschlechtern. Die einzige fehlende Komponente ist Plutonium-238-Brennstoff.

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Das meiste Plutonium-238, das die Vereinigten Staaten hatten, stammte vom Standort Savannah River (SRS), bevor diese Anlage und ihre eigenen Reaktoren 1988 geschlossen wurden. Dann importierten die Vereinigten Staaten Pu-238-Plutonium aus Russland, bevor auch dessen Lagerbestände zur Neige gingen, was dazu führte, dass den Vereinigten Staaten das, was eins ist, ausging der besten radioaktiven Isotope zur Verwendung in RTGs für Langzeitmissionen. Mit einer kurzen Halbwertszeit von 87,7 Jahren und nur einem Alpha-Zerfall ist Plutonium-238 ziemlich gutartig für umgebendes Material, während es große Mengen an Wärmeenergie liefert.

Die Vereinigten Staaten haben nur noch genug Plutonium-238 für zwei MMRTGs auf aktuellen Mars-Rovern und zwei weitere darüber hinaus Jetzt neustarten Plutonium-238-Produktion Obwohl Plutonium-238 durch verschiedene Methoden hergestellt werden kann, scheint die bevorzugte Methode darin zu bestehen, einen Vorrat an Neptunium-237 zu verwenden und ihn Neutronen in Spaltreaktoren oder ähnlichen Neutronenquellen auszusetzen, um Plutonium-238 zu erzeugen Neutroneneinfang. Laut NASA sollten etwa 1,5 kg Plutonium-238 pro Jahr ausreichen, um den Bedarf für zukünftige Weltraummissionen zu decken.

Kleines Raumschiff im Dunkeln

Reisender 1 befindet sich derzeit in einer Entfernung von 159,14 AE (23,807 Milliarden km) von der Erde und Reisender 2 Sie ist mit 133,03 AE nur unwesentlich näher als die Erde. Als ein Projekt, das seine Wurzeln im Space Race hat und nicht nur nach vielen seiner Schöpfer, sondern auch nach der damaligen Geopolitik lebt, ist es vielleicht eine der wenigen von Menschenhand geschaffenen Konstanten, mit denen wir uns alle irgendwie identifizieren können. Mode.

Als Träger der goldenen Scheiben, die die Essenz der Menschheit enthalten, geht die Lebensverlängerung dieser Raumschiffe über die bloße Wissenschaft hinaus, die sie in der Dunkelheit des Weltraums leisten können. Mit jedem weiteren Jahr lernen wir vielleicht etwas mehr und sehen mehr von dem, was die Menschheit außerhalb der Reichweite dieses mehr oder weniger gewöhnlichen Sonnensystems erwartet.