1960’ların teknolojisi NASA’nın Voyager Problarını yaklaşık 50 yıldır canlı tutuyor

Güneş enerjisi ile uzay aracına güç vermek, güneşin ışığının yeryüzünde ne kadar yoğun hissedebileceği göz önüne alındığında, bir meydan okuma gibi görünmeyebilir. Dünya’nın yakınındaki uzay aracı İletişim sistemlerini ve bilim enstrümanlarını çalıştırmak için gereken elektrik için güneşten yararlanmak için büyük güneş panelleri kullanın.

Bununla birlikte, uzaya ne kadar uzağa giderseniz, güneş ışığı o kadar zayıf hale gelir ve güneş panellerine sahip sistemleri güçlendirmek için daha az yararlı olur. İç güneş sisteminde bile, Lunar veya Mars Rovers gibi uzay aracının alternatif güç kaynaklarına ihtiyacı vardır.

Bir Astrofizikçi ve fizik profesörüUzay ortamında üst düzey bir havacılık mühendisliği kursu öğretiyorum. Öğrencilerime vurguladığım temel derslerden biri, affetmeyen alanın ne kadar olabileceğidir. Uzay aracının yoğun güneş patlamalarına, radyasyona ve sıcaklık dalgalanmalarına sıfırdan yüzlerce dereceden sıfırın üzerinde yüzlerce dereceye dayanması gereken bu aşırı ortamda, mühendisler en uzak ve izole uzay görevlerinden bazılarına güç vermek için yenilikçi çözümler geliştirdiler.

Peki, mühendisler güneş sistemimizin ve ötesindeki dış mekanlara nasıl güç veriyor? Çözüm, 1960’larda iki yüzyıl önce keşfedilen bilimsel ilkelere dayanarak geliştirilen teknolojidir: radyoizotop termoelektrik jeneratörleriveya RTGS.

RTG’ler aslında nükleer enerjili pillerdir. Ancak TV uzaktan kumandanızdaki AAA pillerinin aksine, RTG’ler onlarca yıl boyunca güç sağlayabilirken, Dünya’dan yüz milyonlarca ila milyarlarca mil uzaklıkta olabilir.

Nükleer güç

Radyoizotop termoelektrik jeneratörleri kimyasal reaksiyonlara güvenmez Telefonunuzdaki piller gibi. Bunun yerine, ısı ve nihayetinde elektrik üretmek için elemanların radyoaktif bozulmasına güvenirler. Bu konsept bir nükleer santralRTG’ler farklı bir prensip üzerinde çalışır.

RTG’lerin çoğu kullanılarak oluşturulur Plütonyum-238 fisyon reaksiyonlarını sürdürmediği için nükleer santraller için kullanılamaz enerji kaynağı olarak. Bunun yerine, plütonyum-238, radyoaktif bozulmaya maruz kalacak kararsız bir unsurdur.

Radyoaktif bozulmaveya nükleer çürüme, kararsız bir atom çekirdeği, daha kararlı bir konfigürasyona ulaşmak için kendiliğinden ve rastgele parçacıkları ve enerjiyi yaydığında olur. Bu süreç genellikle elementin başka bir element haline gelmesine neden olur, çünkü çekirdek protonları kaybedebilir.

Plütonyum-238 bozulduğunda, alfa parçacıklarıiki proton ve iki nötrondan oluşan. 94 protonla başlayan plütonyum-238, bir alfa parçacığı serbest bıraktığında, iki proton kaybeder ve 92 proton olan uranyum-234’e dönüşür.

Bu alfa parçacıkları, bu malzemeyi ısıtan plütonyumun çevreleyen malzemeye etkileşimi ve enerji aktarır. Plütonyum-238’in radyoaktif çürümesi, kendi ısısından kırmızıya parlayabilecek kadar enerji salar ve bir RTG’ye güç vermek için enerji kaynağı olan bu güçlü ısıdır.

Güç Olarak Isı

Radyoizotop termoelektrik jeneratörleri, Seebeck etkisi adı verilen ve tarafından keşfedilen bir prensibi kullanarak ısıyı elektriğe dönüştürebilir. 1821’de Alman bilim adamı Thomas Seebeck. Ek bir fayda olarak, ısı Bazı RTG türleri Elektroniklerin ve derin alanda bir görevin diğer bileşenlerinin sıcak ve iyi çalışmasına yardımcı olabilir.

Temel formunda, Seebeck etkisi, bir döngüde birleştirilen farklı iletken malzemelerin iki telinin, bir sıcaklık farkına maruz kaldığında bu döngüde nasıl bir akım ürettiğini açıklar.

Bu prensibi kullanan cihazlara denir termoelektrik çiftler veya termokupllar. Bu termokupllar, RTG’lerin plutonyum-238 çürümesinin ve alanın soğuk soğuk algınlığının ısısından oluşan sıcaklık farkından elektrik üretmesine izin verir.

Radyoizotop termoelektrik jeneratör tasarımı

Temel bir radyoizotop termoelektrik jeneratöründe, plütonyum-dioksit şeklinde depolanan, genellikle bir kaza durumunda ekstra güvenlik sağlayan katı bir seramik durumunda saklanan bir plütonyum-238 kabınız vardır. Plütonyum malzemesi, koruyucu bir katmanla çevrilidir. folyo yalıtım çok sayıda termokuplların eklendiği. Tüm düzenek koruyucu bir alüminyum gövdenin içindedir.

RTG’nin içi ve termokuplların bir tarafı sıcak tutulur – 1.000 dereceye yakın Fahrenheit (538 santigrat derece) – RTG’nin dış ve termokuplların diğer tarafı boşluğa maruz kalır. Bu dışarıda, alana bakan katman Sıfırın altında birkaç yüz Fahrenheit.

Bu güçlü sıcaklık farkı, bir RTG’nin ısıyı radyoaktif bozulmadan elektriğe dönüştürmesine izin verir. Bu elektrik, iletişim sistemlerinden bilim enstrümanlarına, Mars’taki Rovers’a kadar her türlü uzay aracına güç verir, Mevcut beş NASA misyonu dahil.

Ancak eviniz için bir RTG satın almaktan çok heyecanlanmayın. Mevcut teknoloji ile sadece bir Birkaç yüz watt güç. Standart bir dizüstü bilgisayara güç vermek için yeterli olabilir, ancak Video oyunları oynamak için yeterli değil Güçlü bir GPU ile.

Bununla birlikte, derin alan görevleri için, bu birkaç yüz watt fazlasıyla yeterli.

RTG’lerin asıl yararı, öngörülebilir, tutarlı güç sağlama yetenekleridir. Plütonyumun radyoaktif çürümesi sabittir – onlarca yıl boyunca her günün her saniyesi. Yaklaşık 90 yıl boyunca, Plütonyumun sadece yarısı Bir RTG’de çürümüş olacak. Bir RTG, elektrik üretmek için hareketli parça gerektirmez, bu da onları parçalama veya çalışmayı bırakma olasılığını daha az sağlar.

Ayrıca, bir Mükemmel güvenlik kaydıve normal kullanımlarından kurtulmak ve bir kaza durumunda da güvenli olmak için tasarlanmıştır.

Eylemde RTG’ler

RTG’ler, NASA’nın güneş sisteminin ve derin alan görevlerinin çoğunun başarısının anahtarı olmuştur. . Mars Merak ve Azim Rovers ve Yeni ufuklar uzay aracı 2015 yılında Pluto’yu ziyaret eden tüm RTG’ler kullandı. Yeni Horizons, RTG’lerinin güneş panellerinin yapamayacağı yerde güç sağlayacağı güneş sisteminden çıkıyor.

Ancak, hiçbir görev RTG’lerin gücünü Voyager misyonları gibi yakalamaz. NASA, 1977’de Twin Spacecraft Voyager 1 ve Voyager 2’yi başlattı. Dış Güneş Sistemi Turu Ve sonra onun ötesine geç.

Her zanaat Üç RTG ile donatılmışLansmanda toplam 470 watt güç sağlıyor. Voyager problarının piyasaya sürülmesinden bu yana neredeyse 50 yıl geçti ve her ikisi de hala aktif bilim görevleri. Veri toplama ve dünyaya geri gönderme.

Voyager 1 ve Voyager 2, dünyadan sırasıyla 15.5 milyar mil ve 13 milyar mil (yaklaşık 25 milyar kilometre ve 21 milyar kilometre). Şimdiye kadarki en uzak insan yapımı nesneler. Bu aşırı mesafelerde bile, RTG’leri hala onlara tutarlı güç sağlıyor.

Bu uzay aracı, 1960’ların başında RTG’leri ilk tasarlayan mühendislerin yaratıcılığının bir kanıtıdır.

Benjamin RoulstonFizik Yardımcı Doçenti, Clarkson Üniversitesi. Bu makale şuradan yeniden yayınlanmıştır. Konuşma Creative Commons lisansı altında. Oku orijinal makale.