Voedingssystemen (voeding, als het eenvoudiger is, want zelfs machines moeten iets eten) vormen een belangrijk onderdeel van het ruimtevaartuig. Ze moeten onder extreme omstandigheden werken en uiterst betrouwbaar zijn. Met de steeds toenemende energiebehoefte van complexe ruimtevaartuigen hebben we in de toekomst echter nieuwe technologieën nodig. Voor missies die tientallen jaren duren, is een nieuwe generatie voedingen nodig. Welke opties?
De nieuwste mobiele telefoons kunnen nauwelijks een dag leven zonder dat ze op een stopcontact hoeven te worden aangesloten. Maar de Voyager-sonde, 38 jaar geleden gelanceerd, stuurt ons nog steeds informatie van buiten het zonnestelsel. Voyager-sondes kunnen 81.000 instructies per seconde efficiënt verwerken, maar smartphones zijn gemiddeld 7.000 keer sneller.
Uw mobiele telefoons zijn natuurlijk geboren om regelmatig te worden opgeladen en het is onwaarschijnlijk dat ze enkele miljoenen kilometers van het dichtstbijzijnde stopcontact verwijderd zullen worden. Het is niet praktisch om een ruimtevaartuig op te laden dat zich 100 miljoen kilometer van het dichtstbijzijnde station bevindt. In plaats daarvan moet een ruimtevaartuig voldoende energie kunnen opslaan of opwekken om decennia lang door de ruimte te navigeren. En dit, zo bleek, is moeilijk te regelen.
Terwijl sommige boordsystemen slechts af en toe energie verbruiken, moeten andere constant in bedrijf zijn. Transponders en ontvangers moeten te allen tijde actief zijn, en in het geval van een bemande vlucht of ruimtestation moeten levensondersteunende en verlichtingssystemen ook werken.
Dr. Rao Surampudi is de Power Technology Program Manager bij het Jet Propulsion Laboratory van het California Institute of Technology. Al meer dan 30 jaar ontwikkelt hij voedingssystemen voor verschillende NASA-ruimtevaartuigen.
Volgens Surampudi zijn de energiesystemen van ruimtevaartuigen goed voor ongeveer 30% van de transportmassa en kunnen ze worden onderverdeeld in drie belangrijke subgroepen:
stroomopwekking;
Promotie video:
energie opslag;
energiebeheer en distributie
Deze systemen zijn cruciaal voor het functioneren van het ruimtevaartuig. Ze moeten een lage massa hebben, lang leven en "energetisch dicht" zijn, dat wil zeggen, veel energie produceren uit relatief kleine volumes. Ze moeten ook behoorlijk betrouwbaar zijn, omdat sommige dingen in de ruimte bijna onrealistisch of onpraktisch zijn om te repareren.
Deze systemen moeten niet alleen in staat zijn om alle behoeften aan boord van stroom te voorzien, maar ook gedurende de hele missie - waarvan sommige tientallen of honderden jaren kunnen duren.
"De levensverwachting moet lang zijn, want als er iets misgaat, kun je het niet repareren", zegt Surampudi. "Het zal vijf tot zeven jaar duren om Jupiter te bereiken, meer dan tien jaar om Pluto te bereiken, maar het verlaten van het zonnestelsel duurt 20-30 jaar."
Vanwege de unieke omgeving waarin ze werken, moeten de voedingssystemen van het ruimtevaartuig in staat zijn om zonder zwaartekracht en in vacuüm te werken, en ook om kolossale straling te weerstaan (meestal werkt elektronica onder dergelijke omstandigheden niet). "Als je op Venus landt, kunnen de temperaturen 460 graden Celsius bereiken, maar op Jupiter kunnen ze dalen tot -150 graden."
Het ruimtevaartuig, dat richting het centrum van ons zonnestelsel gaat, zal veel zonne-energie ontvangen voor zijn fotovoltaïsche panelen. Zonnepanelen van ruimtevaartuigen zien er misschien uit als gewone zonnepanelen voor onze huizen, maar zijn ontworpen om efficiënter te werken dan thuis.
Door de plotselinge temperatuurstijging van dichtbij de zon kunnen zonnepanelen ook oververhit raken. Dit wordt verzacht door de zonnepanelen weg te draaien van de zon, waardoor blootstelling aan intense straling wordt beperkt.
Wanneer een ruimtevaartuig de baan van een planeet binnengaat, worden zonnecellen minder efficiënt; ze kunnen niet veel energie opwekken vanwege verduisteringen en door de schaduw van de planeet. Er is een betrouwbaar energieopslagsysteem nodig.
Atomen reageren
Een voorbeeld van zo'n energieopslagsysteem zijn nikkel-waterstofbatterijen, die meer dan 50.000 keer kunnen worden opgeladen en een levensduur hebben van meer dan 15 jaar. In tegenstelling tot commerciële batterijen, die niet in de ruimte werken, zijn deze batterijen hermetisch gesloten systemen die in een vacuüm kunnen werken.
Wanneer je wegvliegt van de zon, neemt de zonnestraling geleidelijk af van 1.374 W / m2 rond de aarde naar 50 W / m2 nabij Jupiter, terwijl Pluto al zo'n 1 W / m2 bedraagt. Daarom, wanneer een ruimtevaartuig uit de baan van Jupiter vliegt, wenden wetenschappers zich tot atomaire systemen om het ruimtevaartuig van energie te voorzien.
Het meest voorkomende type zijn de radio-isotoop thermo-elektrische generatoren (afgekort RTG's), die werden gebruikt op Voyager, Cassini en de Curiosity rover. Het zijn solid-state-apparaten die geen bewegende delen hebben. Ze genereren warmte tijdens het radioactieve verval van elementen zoals plutonium en hebben een levensduur van meer dan 30 jaar.
Wanneer het gebruik van een RTG niet mogelijk is - bijvoorbeeld als het gewicht van de afscherming die nodig is om de bemanning te beschermen het voertuig onpraktisch maakt - en de afstand tot de zon het gebruik van zonnepanelen onmogelijk maakt, worden brandstofcellen gedraaid.
Waterstof-zuurstof-brandstofcellen werden gebruikt tijdens de ruimtemissies Apollo en Gemini. Hoewel waterstof-zuurstof-brandstofcellen niet kunnen worden opgeladen, hebben ze een hoge specifieke energie en laten ze alleen water achter voor astronauten om te drinken.
Lopend onderzoek door NASA en JPL zal toekomstige energiesystemen in staat stellen meer energie op te wekken en op te slaan met minder ruimte en voor een langere tijd. Desalniettemin hebben nieuwe ruimtevaartuigen steeds meer reserves nodig, omdat hun systemen aan boord complexer worden en hongerig naar energie.
De hoge energie-eisen gelden vooral wanneer het ruimtevaartuig een elektrisch voortstuwingssysteem gebruikt, zoals de ionenmotor, dat voor het eerst werd geleverd aan Deep Space 1 in 1998 en nog steeds met succes op ruimtevaartuigen wordt gebruikt. Elektrische voortstuwingssystemen stoten brandstof meestal met hoge snelheid uit, maar andere gebruiken elektrodynamische touwen die in wisselwerking staan met de magnetische velden van de planeet om het ruimtevaartuig te verplaatsen.
De meeste energiesystemen op aarde werken niet in de ruimte. Daarom moet elk nieuw voedingssysteem grondig worden getest voordat het op een ruimtevaartuig wordt geïnstalleerd. NASA en JPL gebruiken hun laboratoria om de zware omstandigheden te simuleren waarin deze nieuwe technologie zal werken, waarbij nieuwe componenten en systemen worden bestookt met straling en ze worden blootgesteld aan extreme temperaturen.
Extra leven
Stirling-radio-isotopengeneratoren worden momenteel voorbereid op toekomstige missies. Op basis van bestaande RTG's zijn deze generatoren veel efficiënter dan hun thermo-elektrische broers en zussen, en kunnen ze veel kleiner zijn, zij het met een complexere opstelling.
Er worden ook nieuwe soorten batterijen ontwikkeld voor de geplande missie van NASA naar Europa (een van de manen van Jupiter). Ze moeten werken in een temperatuurbereik van -80 tot -100 graden Celsius. De mogelijkheid om geavanceerde lithium-ionbatterijen te maken met dubbel zoveel opgeslagen energie wordt bestudeerd. Ze konden astronauten twee keer zo lang op de maan laten doorbrengen voordat de batterijen leeg raken.
Er worden nieuwe zonnepanelen ontwikkeld die kunnen werken onder omstandigheden met verminderde lichtintensiteit en temperaturen, dat wil zeggen dat het ruimtevaartuig verder van de zon kan werken op zonne-energie.
Op een dag zal NASA eindelijk besluiten om een permanente basis op Mars te bouwen met mensen, en misschien wel op een andere planeet. Het agentschap heeft stroomopwekkingssystemen nodig die veel krachtiger zijn dan de bestaande.
De maan is rijk aan helium-3, een zeldzaam element op aarde dat een ideale brandstof zou kunnen zijn voor kernfusie. Een dergelijke synthese wordt tot dusver echter niet als stabiel of betrouwbaar genoeg beschouwd om de basis te vormen voor de stroomvoorziening van het ruimtevaartuig. Bovendien is een typische fusiereactor, zoals een tokamak, ongeveer zo groot als een huis en past hij niet in een ruimtevaartuig.
Hoe zit het met kernreactoren die perfect zouden zijn voor elektrisch aangedreven ruimtevaartuigen en geplande missies om op de maan en Mars te landen? In plaats van een apart stroomvoorzieningssysteem naar de kolonie te brengen, zou de nucleaire generator van het ruimtevaartuig kunnen worden gebruikt.
Ruimtevaartuigen met een nucleair-elektrische motor komen in de toekomst in aanmerking voor langetermijnmissies. "Voor een omleidingsmissie van de asteroïde zijn krachtige zonnepanelen nodig die het ruimtevaartuig voldoende elektrische voortstuwing bieden om rond de asteroïde te manoeuvreren", zegt Surampudi. "Op een gegeven moment zouden we het lanceren op zonne-energie, maar met kernenergie wordt alles veel goedkoper."
We zullen echter jarenlang geen nucleair aangedreven ruimtevaartuigen zien. "De technologie is nog niet volwassen", zegt Surampudi. "We moeten ervoor zorgen dat ze na de lancering veilig zijn." Ze zullen rigoureuze tests moeten ondergaan om te laten zien of het veilig is om dergelijke nucleaire installaties bloot te stellen aan de harde tests van de ruimte."
Door de nieuwe energievoorzieningssystemen kan het ruimtevaartuig langer opereren en verder reizen, maar staat het nog maar aan het begin van zijn ontwikkeling. Wanneer ze worden getest, worden ze cruciale componenten voor bemande missies naar Mars en daarbuiten.
