Включение космического корабля «Вояджер» с излучением: RTG (радиоизотопный термоэлектрический генератор)
Программа Voyager была первоначально настроена для изучения нескольких внешних планет, используя преимущества выравнивания между Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном. Однако два зонда все еще функционируют и отправляют ценные научные данные более 40 лет после их запуска. В этой статье мы рассмотрим источник питания для зондов Voyager - радиоизотопного термоэлектрического генератора.
Добро пожаловать в серии статей AAC, посвященных миссиям Voyager! Пожалуйста, ознакомьтесь с остальной частью серии, чтобы узнать больше:
- Введение
- Связь на большие расстояния
- Компьютеры управления, данных и управления положением
- Камеры, поляриметры и магнитометры
- Инфракрасный интерферометр, спектрометр и радиоастрономия
Глубокая космическая проблема
Одним из самых важных параметров миссии зондов Вояджера было отправить назад научные данные и изображения Юпитера и Сатурна. Однако выработка электроэнергии с такого расстояния от солнца является серьезной проблемой. Предполагая, что наилучший случайный сценарий, расстояние между Солнцем и Юпитером составляет приблизительно 5, 2 АU, а при энергии от Солнца на Земле ~ 1300 Вт / М2, то приближенная энергия от Солнца на Юпитере составляет ~ 50 Вт / М2. Это резкое падение интенсивности Солнца, несмотря на то, что только Юпитер находится в 5 раз дальше от Солнца, чем Земля к Солнцу, обусловлен законом обратного квадрата, где интенсивность на расстоянии r пропорциональна обратному квадрату этого расстояния. Например, если расстояние от Солнца удваивается, интенсивность уменьшается в 4 раза. Юпитер, будучи 5AU от Солнца, имеет интенсивность 1/25 от найденной на Земле.
Солнечные панели великолепны … если вы близко к солнцу! Изображение предоставлено NASA
Таким образом, только с энергией 50 Вт / М2 и при условии, что эффективность солнечных панелей составляет 15% (этот показатель является спорным), энергия на квадратный метр солнечной панели составляет 7, 5 Вт. Учитывая, что для зонда потребуется источник питания, близкий к 400 Вт, общая площадь поверхности солнечной панели составит 53, 3 М / 2. Этот расчет даже не учитывает встречу Сатурна (расстояние 10 АУ), которая имела бы только 10 Вт / М2 солнечного излучения. Поэтому нужен был лучший источник энергии, поэтому инженеры НАСА решили пойти на радиоизотопный термоэлектрический генератор.
Использование излучения для мощности
«Радиация» - это термин, описывающий несколько процессов переноса массы или энергии из атома. Электромагнитное излучение создается, когда электроны движутся от высоких энергий к низкоэнергетическим орбиталям и создаются фотоны - этот вид излучения позволяет Voyager беспроводным образом общаться с Землей. Ядерное излучение происходит, когда нуклоны (протоны и нейтроны) перестраиваются для перехода от высокоэнергетических состояний к частицам с более высокой энергией и фотонами, и создаются и захватываются для создания тепла - этот вид излучения обеспечивает мощность Вояджера.
Электромагнитный спектр. Изображение предоставлено OSHA
Глубина проникновения ионизирующего излучения. Изображение предоставлено Mirion
РИТЭГы на пробниках «Вояджер» полагаются на Плутоний-238, который в первую очередь является альфа-эмиттером. Альфа-излучение является наиболее ионизирующим типом, что означает, что он обладает сильной способностью удалять другие атомы своих электронов. Но Альфа также легче всего защищать.
Радиоизотопный термоэлектрический генератор - как они работают
Основной РИТЭГ состоит из радиоактивного материала (предпочтительно одного с коротким периодом полураспада, такого как Плутоний 238, который имеет период полураспада 83 года) и термопары. Радиоактивные вещества выделяют тепловую энергию, когда они распадаются, и этот нагревательный эффект, естественно, называется теплоемкой распада. Когда атом подвергается радиоактивному распаду, кинетическая энергия излучаемых частиц преобразуется в тепловую энергию. Затем эту тепловую энергию наносят на «горячую сторону» термопары, а «холодная сторона» поддерживается как можно холоднее (с использованием радиатора). Результатом является генерация ЭДС через термопару, которая может быть непосредственно использована в качестве электрического источника.
Хотя базовый РИТЭГ может показаться простым, есть много факторов, которые необходимо учитывать. Одним из наиболее важных соображений является безопасность людей и окружающей среды. Для RTG для производства потребляемой мощности (например, сотни ватт) используемый радиоактивный материал должен иметь возможность генерировать значительное количество тепла (несколько кВт). Материалы с коротким периодом полураспада подвергаются большему количеству радиоактивных распадов в секунду, чем материал с более длительным периодом полураспада. Тепло, выделяемое радиоактивным материалом, обратно пропорционально его периоду полураспада, и поэтому материалы с короткими периодами полураспада генерируют наибольшую теплоту. Вот почему используются такие элементы, как плутоний-238, стронций-90 и полоний-210.
Радиоизотопный термоэлектрический генератор - Проблемы
Топливо РИТЭГ очень радиоактивно и, таким образом, создает надежную угрозу для окружающей среды, если его выпускают. Вот почему зонд Кассини врезался в Сатурн, так как РТГ на борту мог потенциально повредить неоткрытую жизнь на лунах Сатурна. Поэтому РИТЭГ содержит много уровней защиты для предотвращения выброса радиоактивного материала. РИТЭГы Voyagers состоят из топливной сборки (называемой источником тепла) и самого реального генератора.
Радиоактивный материал разделяется на многие гранулы (чтобы предотвратить критическую массу, которая приведет к реакции деления), причем каждый осадок размещается в небольшой области. Сфера состоит из двух слоев: ударной оболочки и ударной оболочки, которые помогают предотвратить выброс радиоактивного материала в случае катастрофического отказа. Эти сферы затем помещаются в контейнер, который затем помещается внутри генератора.
Генератор состоит из нескольких уни-пар Si-Ge, которые генерируют электричество, а уни-пары также соединены с ребрами, которые помогают рассеивать тепло на холодной стороне термопар через радиационное охлаждение.
Второе, более причудливое внимание должно быть уделено RTG, который является помехой. Радиоактивные материалы могут подвергаться двум видам распада; альфа-распад и бета-распад. Независимо от того, какой распад происходит, гамма-частица также излучается (из-за «остаточной энергии» в ядре). Хотя альфа- и бета-частицы легко поглощаются RTG, гамма-частицы легко пройдут. Это может быть серьезной проблемой для любых чувствительных приборов и / или схем, поскольку биты могут быть перевернуты, и ложные обнаружения могут быть сделаны с помощью детекторов.
Поэтому РИТЭГ следует избегать таких устройств, и поэтому РИТЭГы на датчиках Voyager размещаются на стреле вдали от чувствительной электроники. Ориентация электроники на 180 градусов по сравнению с RTG, поскольку сам датчик может смягчить некоторые гамма-выбросы и что РИТЭГ излучает больше гамма-лучей на своем длинном крае, чем его концы.
Прочитайте больше
- В реактор Фукусимы: одностороннее путешествие для беспилотных летательных аппаратов
- Алмазные батареи могут использовать ядерные отходы для производства электроэнергии в течение тысячелетий
- Защита технологической инфраструктуры с помощью EMP-Proof Conductive Concrete
Резюме
Благодаря радиоактивному распаду некоторых элементов зонды Voyager продолжают работать намного дальше своих исходных параметров миссии. В то время как РИТЭГы сегодня работают только на 50% мощности (из-за распада почти половины плутония-238), они все еще могут обеспечивать питание для передачи данных. К 2020 году бортовая аппаратура на зондах Вояджера будет отключена один за другим в попытке сохранить энергию и держать зонды в общении с радиотелескопами на Земле. К 2025 году не будет достаточной мощности для управления бортовым научным оборудованием и тем самым прекращена научная работа зондов Вояджера.
РИТЭГы обеспечивают зонды, поступающие во внешнюю солнечную систему с мощностью, когда солнечная энергия становится слишком маленькой, и они могут обеспечить мощность в течение длительного времени. Пока не появятся более экзотические технологии генерации энергии, РИТЭГы по-прежнему будут любимыми для долгосрочного освоения космоса.