Радиоизотопные генераторы для зондов дальнего действия
Обеспечение космических аппаратов солнечной энергией может показаться несложной задачей, учитывая, насколько интенсивным может быть солнечный свет на Земле. Космические аппараты, находящиеся вблизи Земли, используют большие солнечные батареи, чтобы получать от солнца электроэнергию, необходимую для работы их систем связи и научных приборов.
Однако чем дальше в космос вы забираетесь, тем слабее становится солнечный свет и тем менее полезным он становится для питания систем с солнечными батареями. Даже во внутренней части Солнечной системы космические аппараты, такие как лунные или марсоходы, нуждаются в альтернативных источниках энергии.
Как астрофизик и профессор физики, я преподаю курс аэрокосмической инженерии для старших классов, посвященный космической среде. Один из ключевых уроков, который я преподаю своим студентам, заключается в том, насколько безжалостным может быть космос. В этих экстремальных условиях, когда космические аппараты должны выдерживать интенсивные солнечные вспышки, радиацию и перепады температур от сотен градусов ниже нуля до сотен градусов выше нуля, инженеры разработали инновационные решения для обеспечения энергией некоторых из самых удаленных и изолированных космических миссий.
Итак, как инженеры обеспечивают энергией космические миссии в отдаленных уголках нашей Солнечной системы и за ее пределами? Решением является технология, разработанная в 1960-х годах на основе научных принципов, открытых два столетия назад: радиоизотопные термоэлектрические генераторы, или RTGs.
RTGs, по сути, являются ядерными батареями. Но в отличие от батареек типа ААА в пульте дистанционного управления вашего телевизора, RTGS могут обеспечивать питание в течение десятилетий, находясь за сотни миллионов -миллиарды миль от Земли.
Атомная энергия
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы не основаны на химических реакциях, как батареи в вашем телефоне. Вместо этого они основаны на радиоактивном распаде элементов для получения тепла и, в конечном итоге, электричества. Хотя эта концепция похожа на концепцию атомной электростанции, RTGs работают по другому принципу.
Большинство RTGs построены с использованием плутония-238 в качестве источника энергии, который непригоден для использования на атомных электростанциях, поскольку он не поддерживает реакции деления. Вместо этого плутоний-238 является нестабильным элементом, который подвергается радиоактивному распаду.
Радиоактивный распад, или ядерный распад, происходит, когда нестабильное атомное ядро самопроизвольно и случайным образом испускает частицы и энергию для достижения более стабильной конфигурации. Этот процесс часто приводит к превращению одного элемента в другой, поскольку ядро может терять протоны.
Когда плутоний-238 распадается, он испускает альфа-частицы, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Когда плутоний-238, который начинается с 94 протонов, испускает альфа-частицу, он теряет два протона и превращается в уран-234, который содержит 92 протона.
Эти альфа-частицы взаимодействуют с материалом, окружающим плутоний, и передают ему энергию, которая нагревает этот материал. При радиоактивном распаде плутония-238 выделяется достаточно энергии, чтобы он мог светиться красным от собственного тепла, и именно это мощное тепло является источником энергии для ритэга.
Тепло как источник энергии
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы могут преобразовывать тепло в электричество, используя принцип, называемый эффектом Зеебека, открытый немецким ученым Томасом Зеебеком в 1821 году. В качестве дополнительного преимущества можно отметить то, что тепло, выделяемое некоторыми типами ритэгов, может помочь сохранить электронику и другие компоненты в условиях полета в дальний космос в теплом состоянии и обеспечить их нормальную работу.
В своей базовой форме эффект Зеебека описывает, как два провода из разных проводящих материалов, соединенные в петлю, вырабатывают ток в этой петле при воздействии разницы температур.
Устройства, использующие этот принцип, называются термоэлектрическими парами, или термопарами. Эти термопары позволяют ритэгам вырабатывать электричество за счет разницы температур, создаваемой теплом распада плутония-238 и ледяным холодом космоса.
В базовом радиоизотопном термоэлектрическом генераторе имеется контейнер с плутонием-238, хранящимся в виде диоксида плутония, часто в твердом керамическом виде, что обеспечивает дополнительную безопасность в случае аварии. Плутониевый материал окружен защитным слоем фольгированной изоляции, к которому прикреплено большое количество термопар. Вся сборка находится внутри защитного алюминиевого корпуса.
Внутренняя часть RTG и одна сторона термопар остаются горячими — около 1000°F (538°C), в то время как внешняя сторона RTG и другая сторона термопар находятся в открытом пространстве. Этот наружный слой, обращенный в пространство, может быть холодным на несколько сотен градусов ниже нуля по Фаренгейту.
Такая значительная разница температур позволяет РИТЭГУ преобразовывать тепло, получаемое в результате радиоактивного распада, в электричество. Это электричество питает все виды космических аппаратов, от систем связи до научных приборов и марсоходов на Марсе, включая пять текущих миссий НАСА.
Но не спешите приобретать RTG для дома. При современных технологиях они могут выдавать мощность всего в несколько сотен ватт. Этого может быть достаточно для питания обычного ноутбука, но недостаточно для игр с мощным графическим процессором.
Однако для полетов в дальний космос этих двухсот ватт более чем достаточно.
Реальным преимуществом RTGs является их способность обеспечивать предсказуемую и стабильную мощность. Радиоактивный распад плутония происходит постоянно — каждую секунду каждого дня в течение десятилетий. Примерно за 90 лет в RTGs распадется только половина плутония. RTGs не требуют наличия движущихся частей для выработки электроэнергии, что значительно снижает вероятность их поломки или прекращения работы.
Кроме того, они имеют отличные показатели безопасности и спроектированы таким образом, чтобы выдерживать нормальную эксплуатацию, а также быть безопасными в случае аварии.
RTGs в действии
RTGs были ключом к успеху многих миссий НАСА по исследованию Солнечной системы и дальнего космоса. Марсоходы Curiosity и Perseverance, а также космический аппарат New Horizons, посетившие Плутон в 2015 году, использовали ритэги. New Horizons отправляется за пределы Солнечной системы, где его RTGs будут обеспечивать энергией то, чего не смогли бы обеспечить солнечные батареи.
Однако ни одна миссия не использует RTGs в такой степени, как "Вояджер". В 1977 году НАСА запустило два космических аппарата-близнеца "Вояджер-1" и "Вояджер-2", чтобы совершить экскурсию по внешней части Солнечной системы, а затем отправиться за ее пределы.
Каждый аппарат был оснащен тремя ритэгами, обеспечивающими при запуске мощность в общей сложности 470 Вт. Прошло почти 50 лет с момента запуска зондов "Вояджер", и оба они по-прежнему выполняют научные миссии, собирая и отправляя данные на Землю.
"Вояджер-1" и "Вояджер-2" находятся на расстоянии около 15,5 миллиардов миль и 13 миллиардов миль (почти 25 миллиардов километров и 21 миллиард километров) от Земли соответственно, что делает их самыми удаленными объектами, созданными человеком за всю историю. Даже на таких экстремальных расстояниях их RTGs по-прежнему обеспечивают стабильную мощность.
Эти космические аппараты являются свидетельством изобретательности инженеров, которые впервые разработали RTGs в начале 1960-х годов.
