mayo 29, 2024

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Energía de respaldo para la sonda espacial Voyager de la NASA y las complejidades de los sistemas de energía basados ​​en RTG

Energía de respaldo para la sonda espacial Voyager de la NASA y las complejidades de los sistemas de energía basados ​​en RTG

Las sondas Voyager 1 y 2 se lanzaron en 1977 y han estado trabajando sin parar durante más de 45 años, abriéndose camino desde la Tierra hasta los planetas exteriores de nuestro sistema solar y más allá. Cortesía de los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) que proporcionaron 470 vatios en el lanzamiento, pueden operar en la oscuridad del espacio profundo como lo hicieron dentro de los confines de nuestro sistema solar iluminado. Sin embargo, dado que nada en el universo es verdaderamente infinito, estos RTG también se desgastan con el tiempo, ya sea por la descomposición natural de su fuente de radiación o por la degradación de los termopares.

A pesar de esta disminución gradual de la fuerza, la NASA Recientemente anunciado Que la Voyager 2 tiene una fuente de energía de respaldo aún desconocida que pospondría el cierre de más instrumentos científicos por unos años más. El cambio esencialmente pasa por alto el circuito regulador de voltaje y el sistema de energía de respaldo asociado, liberando la energía que consume para los instrumentos científicos que habrían comenzado a apagarse años antes.

Si bien esa es una buena noticia en sí misma, también es notable porque el Multi Hundred Watt (MHW) de Voyager de 45 años es el progenitor de los RTG que aún alimentan la sonda New Horizons 17 años después, y el Laboratorio de Ciencias de Marte (Curiosity) Durante más de 10 años, el valor de los RTG se ha demostrado en misiones de exploración a largo plazo.

Aunque el principio básico detrás del RTG es bastante simple, su diseño ha cambiado drásticamente desde que se puso en marcha el RTG SNAP-3 de EE. UU. Cruce Satélite 4B en 1961.

La necesidad de poder

Foto del astronauta Apolo de SNAP-27 RTG en la superficie lunar.  (Crédito NASA)
Foto del astronauta Apolo de SNAP-27 RTG en la superficie lunar. (Crédito NASA)

Incluso en la Tierra, puede ser difícil encontrar una fuente confiable de energía que dure años o incluso décadas, razón por la cual los Sistemas Auxiliares de Energía Nuclear (NASA) de la NASAestallidoEl programa de desarrollo ha producido RTG destinados a uso terrestre y espacial, siendo SNAP-3 el primero en llegar al espacio. El RTG dado solo producía 2,5 vatios y los satélites también tenían paneles solares y baterías de NiCd. Pero como banco de pruebas RTG espacial, SNAP-3 sentó las bases para sucesivas misiones de la NASA.

SNAP-19 proporcionó energía (alrededor de 30 vatios por RTG) para los módulos de aterrizaje Viking 1 y 2, así como para Pioneer 10 y 11. Cinco módulos SNAP-27 proporcionaron energía para los paquetes Apollo Lunar Surface Experiments (ALSEP) que fueron dejados en la superficie lunar por los astronautas del Apolo 12, 14, 15, 16 y 17. Cada SNAP-27 proporcionó aproximadamente 75 vatios a 30 V CC de energía de una barra de combustible de plutonio-238 de 3,8 kg con una capacidad nominal de 1250 vatios. Diez años después, SNAP-27 sigue produciendo más del 90 % de su potencia eléctrica nominal, lo que permite que cada ALSEP transmita datos sobre terremotos lunares y otra información registrada por sus instrumentos durante el tiempo que lo permita el presupuesto de energía.

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Cuando cesaron las operaciones de apoyo para el Proyecto Apolo en 1977, los ALSEP se quedaron con solo sus transmisores operativos. El módulo SNAP-27 del Apolo 13 (unido al exterior del módulo lunar) ha regresado a la Tierra, donde permanece, intacto, en el fondo de la Fosa de Tonga en el Océano Pacífico.

La relativa ineficiencia de los RTG era evidente incluso en ese momento, aunque Snap-10A Experimento que demuestra un reactor de fisión integrado de 500 vatios en un satélite impulsado por un motor de iones que superó fácilmente a los RTG SNAP. Aunque son más potentes por unidad de volumen y combustible nuclear, los RTG basados ​​en termopares tienen la ventaja de no tener absolutamente ninguna pieza móvil y solo requisitos de enfriamiento pasivo. Esto les permite estar literalmente atrapados en una sonda espacial, satélite o vehículo con radiación de calor y/o convección proporcionando el lado frío para térmico.

Estos termopares se utilizan efecto seebeck, el efecto Peltier a la inversa, para convertir el gradiente de temperatura entre dos materiales conductores eléctricos diferentes en esencialmente un generador. Una gran parte del desafío para los RTG basados ​​en termopares es encontrar el montaje más eficiente y duradero. Aunque también se han probado RTG de ciclo Rankine, Brayton y Stirling, tienen la desventaja obvia de piezas mecánicas móviles, que requieren sellos y lubricación.

Al considerar la vida útil estimada de 45 años de la Voyager MHW-RTG Con termopares de silicio-germanio (SiGe) relativamente antiguos, los inconvenientes de agregar componentes mecánicos deberían ser evidentes. Especialmente cuando se consideran las dos generaciones de sucesores de MHW RTG hasta la fecha.

No es tu RTG de la década de 1970

Mientras que el MHW-RTG de la Voyager fue desarrollado específicamente para la misión por la NASA, su sucesor, creativamente titulado Fuente de calor de uso general (GPHSEl RTG fue diseñado por la división espacial de General Electric y posteriormente se ha utilizado en las misiones Ulysses (1990-2009), Galileo (1989-2003), Cassini-Huygens (1997-2017) y New Horizons (2006-). Cada GPHS-RTG produce aproximadamente 300 vatios de potencia eléctrica a partir de un termopar de 4400 vatios, utilizando termopares similares de silicio y germanio.

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Un aspecto interesante aquí es que incluso los rovers de Marte que funcionan con energía solar incluyen un módulo de radioisótopos, aunque en forma de módulo de calentamiento de radioisótopos (RHU), con el Rover viajero La presencia de tres tales RHUs, f Espíritu y oportunidad Ocho RHU cada uno. Estos RHU proporcionan una fuente de calor constante que permite que la escasa electricidad de los paneles solares y las baterías se use para otras tareas además de hacer funcionar los calentadores.

La unidad GPHS proporciona temperatura constante al sistema de energía de radioisótopos.  (crédito: NASA)
La unidad GPHS proporciona temperatura constante al sistema de energía de radioisótopos. (crédito: NASA)

Mientras tanto, el rover de Marte actualmente activo, curiosidad Y su resistencia dual, obtiene energía eléctrica y calor de un dispositivo Un generador termoeléctrico de radioisótopos multifuncional (mmrtg) soledad. Estos conjuntos RTG utilizan pares ferroeléctricos PbTe/TAGS, lo que significa una aleación de plomo/telurio para un lado y telurio (Te), plata (Ag), germanio (Ge) y antimonio (Sb) para el otro lado del par. El MMRTG está clasificado para hasta 17 vidas útiles, pero es probable que supere las especificaciones de diseño por un margen significativo como los MHW-RTG y otros. El combustible de plutonio-238 con MMRTG está contenido en Unidades de fuente de calor de uso general (GPHS), que sirven para proteger el combustible contra daños.

Principal modo de fallo De los termopares SiGe, el germanio fue migrando con el tiempo, provocando la sublimación. Esto se evitó en diseños posteriores al recubrir los termopares SiGe con nitruro de silicio. Los termopares PbTe/TAGS deberían proporcionar una mayor estabilidad en este sentido, y los MMRTG en Curiosity y Persistence han servido como pruebas de duración en el mundo real.

problema de combustible

Las sondas Voyager 1 y 2 están bastante apartadas para una importante sesión de servicio y mantenimiento, por lo que la NASA tuvo que ser creativa para optimizar el uso de energía. Aunque un circuito de energía de respaldo puede haber sido considerado una necesidad en la década de 1970 en caso de fluctuaciones de energía de cualquiera de los tres RTG en cada sonda espacial, hay suficientes datos de observación del mundo real para respaldar la sugerencia de que puede no ser necesario. Salvo efectos exóticos. .

Con aproximadamente 46 años de datos de Voyager RTG, ahora podemos ver que la estabilidad de los termopares es necesaria para mantener una salida de potencia constante, a medida que decae. plutonio-238 La fuente de combustible es mucho más fácil de modelar y predecir. Ahora que con los MMRTG podemos abordar muchos de los problemas que hacen que los termopares se deterioren con el tiempo. El único componente que falta es el combustible de plutonio-238.

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La mayor parte del plutonio-238 que había tenido Estados Unidos provenía del sitio del río Savannah (SRS) antes de cerrar esta instalación y sus propios reactores en 1988. Entonces, Estados Unidos estaba importando plutonio Pu-238 de Rusia antes de que las reservas de este último también comenzaran a agotarse, lo que llevó a la vergonzosa posición de Estados Unidos al quedarse sin lo que es uno de los mejores isótopos radiactivos para usar en RTG para misiones de larga duración. Con una vida media corta de 87,7 años y solo una desintegración alfa, el plutonio-238 es bastante benigno para el material circundante, al tiempo que proporciona grandes cantidades de energía térmica.

Con solo suficiente plutonio-238 para dos MMRTG en los rovers de Marte actuales y dos más más allá, Estados Unidos ha Reiniciar ahora Producción de plutonio 238. Aunque el plutonio 238 se puede crear a través de varios métodos diferentes, el método preferido parece ser utilizar una reserva de neptunio 237 y exponerla a neutrones en reactores de fisión o fuentes de neutrones similares, para generar plutonio 238 por captura de neutrones Según la NASA, alrededor de 1,5 kg de plutonio-238 por año debería ser suficiente para satisfacer la demanda de futuras misiones espaciales.

Pequeña nave espacial en la oscuridad

viajero 1 se encuentra actualmente a una distancia de 159,14 AU (23,807 mil millones de km) de la Tierra, y viajero 2 Está solo marginalmente más cerca a 133.03 AU que la Tierra. Como proyecto que tiene sus raíces en Space Race y ha acabado viviendo no solo de muchos de sus creadores, sino también de la geopolítica de la época, es quizás una de las pocas constantes hechas por el hombre con las que todos podemos identificarnos de alguna manera. moda.

Como portadores de los discos dorados que contienen la esencia de la humanidad, la extensión de la vida de estas naves espaciales va más allá de la mera ciencia que pueden hacer, en la oscuridad del espacio profundo. Con cada año adicional, podemos aprender un poco más y ver más de lo que le espera a la humanidad más allá del alcance de este sistema solar más o menos común.