Daya cadangan untuk Voyager Space Probe NASA, dan seluk-beluk sistem daya berbasis RTG

Probe Voyager 1 dan 2 diluncurkan pada tahun 1977, dan telah bekerja tanpa henti selama lebih dari 45 tahun, melakukan perjalanan dari Bumi ke planet luar tata surya kita dan seterusnya. Berkat generator termoelektrik radioisotop (RTG) yang menyediakan 470 watt saat diluncurkan, mereka dapat beroperasi di kegelapan ruang angkasa seperti yang mereka lakukan di dalam batas tata surya kita yang terang. Namun, karena tidak ada sesuatu pun di alam semesta yang benar-benar tidak terbatas, RTG ini juga aus seiring waktu, baik karena peluruhan alami sumber radiasinya atau karena degradasi termokopel.

Meskipun kekuatannya menurun secara bertahap, NASA Baru-baru ini diumumkan Voyager 2 itu memiliki sumber daya cadangan yang belum diketahui yang akan menunda mematikan lebih banyak instrumen sains beberapa tahun lagi. Perubahan tersebut pada dasarnya melewati sirkuit pengatur tegangan dan sistem daya cadangan terkait, membebaskan daya yang dikonsumsi untuk instrumen ilmiah yang akan mulai dimatikan bertahun-tahun sebelumnya.

Meskipun itu kabar baik, itu juga patut diperhatikan karena Multi Hundred Watt (MHW) Voyager yang berusia 45 tahun adalah nenek moyang RTG yang masih menggerakkan penyelidikan New Horizons 17 tahun kemudian, dan Mars Science Laboratory (Curiosity) Selama lebih dari 10 tahun, nilai RTG telah ditunjukkan dalam misi eksplorasi jangka panjang.

Meskipun prinsip dasar di balik RTG cukup sederhana, desainnya telah berubah secara dramatis sejak US SNAP-3 RTG dipasang Persimpangan Satelit 4B pada tahun 1961.

Kebutuhan akan kekuatan

Bahkan di Bumi, sulit untuk menemukan sumber energi yang andal yang akan bertahan selama bertahun-tahun atau bahkan puluhan tahun, itulah sebabnya Sistem Tenaga Nuklir Tambahan NASA (NASA)popProgram pengembangan telah menghasilkan RTG yang ditujukan untuk penggunaan di darat dan ruang angkasa, dengan SNAP-3 menjadi yang pertama mencapai ruang angkasa. RTG yang diberikan hanya menghasilkan 2,5 watt, dan satelit juga memiliki panel surya dan baterai NiCd. Tapi sebagai uji coba RTG luar angkasa, SNAP-3 meletakkan dasar untuk misi NASA berturut-turut.

SNAP-19 menyediakan daya (sekitar 30 watt per RTG) untuk pendarat Viking 1 dan 2, serta Pioneer 10 dan 11. Lima modul SNAP-27 menyediakan daya untuk paket Eksperimen Permukaan Bulan Apollo (ALSEP) yang ditinggalkan di permukaan bulan oleh astronot Apollo 12, 14, 15, 16 dan 17. Setiap SNAP-27 menyediakan sekitar 75 watt pada daya 30 V DC dari batang bahan bakar plutonium-238 3,8 kg dengan daya 1250 watt di sana. Sepuluh tahun kemudian, SNAP-27 masih memproduksi lebih dari 90% daya listrik terukurnya, memungkinkan setiap ALSEP mengirimkan data gempa bulan dan informasi lain yang direkam oleh instrumennya selama anggaran daya memungkinkan.

Pada saat operasi dukungan untuk Proyek Apollo dihentikan pada tahun 1977, ALSEP hanya tersisa pemancar yang beroperasi. Modul SNAP-27 Apollo 13 (terpasang di bagian luar modul bulan) telah kembali ke Bumi, di mana ia tetap – utuh – di dasar Palung Tonga di Samudra Pasifik.

Namun, inefisiensi relatif RTG sudah terlihat bahkan pada saat itu Jepret-10A Eksperimen mendemonstrasikan reaktor fisi 500 watt terintegrasi dalam satelit bertenaga mesin ion yang dengan mudah mengungguli SNAP RTG. Meskipun lebih kuat per unit volume dan bahan bakar nuklir, RTG berbasis termokopel memiliki keuntungan karena sama sekali tidak memiliki bagian yang bergerak dan hanya membutuhkan pendinginan pasif. Hal ini memungkinkan mereka untuk benar-benar terjebak di wahana antariksa, satelit, atau kendaraan dengan radiasi panas dan/atau konveksi yang menyediakan sisi dingin untuk panas.

Termokopel ini digunakan Efek seebeck, efek Peltier sebaliknya, untuk mengubah gradien suhu antara dua bahan penghantar listrik yang berbeda menjadi generator. Sebagian besar tantangan untuk RTG berdasarkan termokopel adalah menemukan dudukan yang paling efisien dan tahan lama. Meskipun RTG siklus Rankine, Brayton dan Stirling juga telah dicoba, mereka memiliki kelemahan yang jelas dari bagian mekanis yang bergerak, yang membutuhkan segel dan pelumasan.

Saat mempertimbangkan perkiraan masa hidup Voyager selama 45 tahun MHW-RTG Dengan termokopel silikon-germanium (SiGe) yang relatif lama, kelemahan penambahan komponen mekanis harus terlihat jelas. Apalagi jika mengingat dua generasi penerus MHW RTG hingga saat ini.

Bukan RTG tahun 1970-an Anda

Sementara MHW-RTG Voyager dikembangkan khusus untuk misi oleh NASA, penggantinya, diberi judul kreatif Sumber panas tujuan umum (GPHSRTG dirancang oleh divisi luar angkasa General Electric dan kemudian digunakan pada misi Ulysses (1990-2009), Galileo (1989-2003), Cassini-Huygens (1997-2017) dan New Horizons (2006-). Setiap GPHS-RTG menghasilkan daya listrik sekitar 300 watt dari termokopel 4400 watt, menggunakan termokopel silikon dan germanium yang serupa.

Aspek yang menarik di sini adalah bahwa penjelajah Mars bertenaga surya pun menyertakan modul radioisotop, meskipun dalam bentuk modul pemanas radioisotop (RHU), dengan Rover Pendatang Adanya tiga RHU tersebut, f Semangat dan kesempatan Delapan RHU masing-masing. RHU ini menyediakan sumber panas konstan yang memungkinkan listrik langka dari panel surya dan baterai digunakan untuk tugas selain menjalankan pemanas.

Sementara itu, penjelajah Mars yang saat ini aktif, keingintahuan Dan dual resistornya, mendapat energi listrik dan panas dari satu perangkat Generator termoelektrik radioisotop multifungsi (mmrtg) kesepian. Set RTG ini menggunakan pasangan feroelektrik PbTe/TAGS, yang berarti paduan timbal/telurium untuk satu sisi dan telurium (Te), perak (Ag), germanium (Ge), dan antimon (Sb) untuk sisi pasangan yang lain. MMRTG diberi peringkat hingga 17 masa pakai, tetapi kemungkinan akan mengungguli spesifikasi desain dengan selisih yang signifikan seperti MHW-RTG dan lainnya. Bahan bakar plutonium-238 dengan MMRTG terkandung dalam General Purpose Heat Source Units (GPHS) yang berfungsi untuk melindungi bahan bakar dari kerusakan.

Utama mode gagal Dari termokopel SiGe, germanium bermigrasi dari waktu ke waktu, menyebabkan sublimasi. Ini dicegah dalam desain selanjutnya dengan melapisi termokopel SiGe dengan silikon nitrida. Termokopel PbTe/TAGS harus memberikan stabilitas lebih lanjut dalam hal ini, dan MMRTG dalam Curiosity and Persistence telah berfungsi sebagai uji durasi dunia nyata.

masalah bahan bakar

Probe Voyager 1 dan 2 cukup jauh untuk sesi layanan dan pemeliharaan besar, jadi NASA harus kreatif untuk mengoptimalkan penggunaan energi. Meskipun sirkuit daya cadangan mungkin telah dianggap sebagai kebutuhan pada tahun 1970-an jika terjadi fluktuasi daya dari salah satu dari tiga RTG pada setiap wahana antariksa, ada cukup data pengamatan dunia nyata untuk mendukung saran bahwa itu mungkin tidak diperlukan, kecuali efek eksotis. .

Dengan data sekitar 46 tahun dari Voyager RTGs, kita sekarang dapat melihat bahwa stabilitas termokopel diperlukan untuk mempertahankan output daya yang konstan, seiring dengan penurunan daya. plutonium-238 Sumber bahan bakar jauh lebih mudah untuk dimodelkan dan diprediksi. Sekarang dengan MMRTG kami dapat mengatasi banyak masalah yang menyebabkan kerusakan termokopel seiring waktu. Satu-satunya komponen yang hilang adalah bahan bakar plutonium-238.

Sebagian besar plutonium-238 yang dimiliki Amerika Serikat berasal dari situs Sungai Savannah (SRS) sebelum menutup fasilitas ini dan reaktornya sendiri pada tahun 1988. Kemudian, Amerika Serikat mengimpor plutonium Pu-238 dari Rusia sebelum stok yang terakhir juga mulai habis, yang mengarah ke posisi yang memalukan dari Amerika Serikat yang kehabisan satu isotop radioaktif terbaik untuk digunakan dalam RTG untuk misi jangka panjang. Dengan waktu paruh pendek 87,7 tahun dan hanya peluruhan alfa, plutonium-238 cukup jinak terhadap material di sekitarnya, sambil memberikan energi panas dalam jumlah besar.

Dengan hanya cukup plutonium-238 yang tersisa untuk dua MMRTG di penjelajah Mars saat ini dan dua lagi di luar, Amerika Serikat telah Restart sekarang Produksi plutonium-238.Meskipun plutonium-238 dapat dibuat melalui beberapa metode berbeda, metode yang lebih disukai tampaknya menggunakan stok neptunium-237 dan memaparkannya ke neutron dalam reaktor fisi atau sumber neutron serupa, untuk menghasilkan plutonium-238 dengan penangkapan neutron. Menurut NASA, sekitar 1,5 kg plutonium-238 per tahun sudah cukup untuk memenuhi permintaan misi luar angkasa di masa depan.

Pesawat ruang angkasa kecil dalam gelap

Pengembara 1 saat ini berada pada jarak 159,14 AU (23,807 miliar km) dari Bumi, dan Pelayaran 2 Jaraknya hanya sedikit lebih dekat pada 133,03 AU daripada Bumi. Sebagai sebuah proyek yang berakar pada Space Race dan telah berakhir tidak hanya setelah banyak penciptanya, tetapi juga geopolitik pada waktu itu, itu mungkin salah satu dari sedikit konstanta buatan manusia yang dapat kita semua identifikasi dengan cara tertentu. mode.

Sebagai pembawa cakram emas yang mengandung esensi kemanusiaan, perpanjangan hidup pesawat ruang angkasa ini melampaui ilmu pengetahuan yang dapat mereka lakukan, di kegelapan ruang angkasa yang dalam. Dengan setiap tahun tambahan, kita dapat belajar lebih banyak dan melihat lebih banyak tentang apa yang menanti umat manusia di luar jangkauan tata surya yang kurang lebih biasa ini.