Ruimtemissies van meerdere decennia - of zelfs langer - vereisen een nieuwe generatie voedingen.
Het voedingssysteem is een essentieel onderdeel van het ruimtevaartuig. Deze systemen moeten uiterst betrouwbaar zijn en ontworpen om zware omstandigheden te weerstaan.
De geavanceerde apparaten van vandaag hebben steeds meer stroom nodig - wat is de toekomst van hun voedingen?
Een gemiddelde moderne smartphone gaat nauwelijks een dag mee op een enkele lading. En de Voyager-sonde, 38 jaar geleden gelanceerd, zendt nog steeds signalen naar de aarde nadat hij het zonnestelsel heeft verlaten.
Voyager-computers kunnen 81.000 bewerkingen per seconde uitvoeren, maar de processor van een smartphone is zevenduizend keer sneller.
Bij het ontwerpen van een telefoon wordt er natuurlijk van uitgegaan dat deze regelmatig wordt opgeladen en dat het onwaarschijnlijk is dat hij enkele miljoenen kilometers van het dichtstbijzijnde stopcontact verwijderd is.
Het zal niet werken om de batterij van het ruimtevaartuig op te laden, die zich volgens het plan honderd miljoen kilometer van de huidige bron zou moeten bevinden, het zal niet werken - het moet ofwel batterijen met voldoende capaciteit aan boord kunnen dragen om tientallen jaren te werken, ofwel zelf elektriciteit opwekken.
Het blijkt best lastig om een dergelijk ontwerpprobleem op te lossen.
Promotie video:
Sommige apparaten aan boord hebben slechts af en toe elektriciteit nodig, maar andere moeten continu werken.
Ontvangers en zenders moeten altijd zijn ingeschakeld, en tijdens bemande vluchten of op een bemand ruimtestation moeten ook levensondersteunende en verlichtingssystemen zijn ingeschakeld.
Dr. Rao Surampudi leidt het Energy Technology Program van het Jet Propulsion Laboratory van het California Institute of Technology in de Verenigde Staten. Al meer dan 30 jaar ontwikkelt hij stroomsystemen voor verschillende NASA-voertuigen.
Volgens hem is het energiesysteem meestal goed voor ongeveer 30% van de totale massa van het ruimtevaartuig. Het lost drie hoofdtaken op:
- elektriciteitsopwekking
- opslag van elektriciteit
- elektriciteitsdistributie
Al deze onderdelen van het systeem zijn essentieel voor de werking van het apparaat. Ze moeten lichtgewicht en duurzaam zijn en een hoge "energiedichtheid" hebben, dat wil zeggen, veel energie opwekken met een vrij klein volume.
Bovendien moeten ze betrouwbaar zijn, omdat het erg onpraktisch is om een persoon de ruimte in te sturen om storingen op te lossen.
Het systeem moet niet alleen genoeg energie opwekken voor alle behoeften, maar ook gedurende de hele vlucht - en het kan tientallen jaren meegaan, en in de toekomst misschien wel eeuwen.
"De levensduur van het ontwerp moet lang zijn - als er iets kapot gaat, is er niemand om te repareren", zegt Surampudi. "De vlucht naar Jupiter duurt vijf tot zeven jaar, naar Pluto meer dan 10 jaar en het duurt 20 tot 30 jaar om het zonnestelsel te verlaten."
De voedingssystemen van een ruimtevaartuig bevinden zich in zeer specifieke omstandigheden - ze moeten functioneel blijven in afwezigheid van zwaartekracht, in een vacuüm, onder invloed van zeer intense straling (die de meeste conventionele elektronische apparaten zou uitschakelen) en extreme temperaturen.
“Als je op Venus landt, is 460 graden overboord”, zegt de specialist. "En als je op Jupiter landt, wordt de temperatuur min 150".
Ruimtevaartuigen die naar het midden van het zonnestelsel gaan, hebben geen tekort aan energie die wordt verzameld door hun fotovoltaïsche panelen.
Deze panelen zien er weinig anders uit dan zonnepanelen die op daken van woongebouwen zijn geïnstalleerd, maar tegelijkertijd werken ze veel efficiënter.
Het is erg warm in de buurt van de zon en de PV-panelen kunnen oververhit raken. Om dit te voorkomen, worden de panelen weggedraaid van de zon.
In een baan om de planeet zijn fotovoltaïsche panelen minder efficiënt: ze wekken minder energie op, aangezien ze van tijd tot tijd door de planeet zelf van de zon worden afgeschermd. In dergelijke situaties is een betrouwbaar energieopslagsysteem nodig.
Atomaire oplossing
Zo'n systeem kan worden gebouwd op basis van nikkel-waterstofbatterijen, die meer dan 50 duizend oplaadcycli kunnen doorstaan en meer dan 15 jaar meegaan.
In tegenstelling tot conventionele batterijen, die niet in de ruimte werken, zijn deze batterijen verzegeld en kunnen ze normaal functioneren in een vacuüm.
Als we weggaan van de zon, neemt het niveau van de zonnestraling natuurlijk af: voor de aarde is dat 1374 watt per vierkante meter, voor Jupiter - 50 en voor Pluto - slechts één watt per vierkante meter.
Daarom, als het ruimtevaartuig de baan van Jupiter verlaat, gebruikt het atoomkrachtsystemen.
De meest voorkomende hiervan is de radio-isotopen thermo-elektrische generator (RTG) die wordt gebruikt op de Voyager- en Cassini-sondes en op de Curiosity-rover.
Deze voedingen bevatten geen bewegende onderdelen. Ze wekken energie op door radioactieve isotopen zoals plutonium te laten vervallen. Hun levensduur is meer dan 30 jaar.
Als het niet mogelijk is om een RTG te gebruiken (bijvoorbeeld als er een scherm nodig is dat te massief is om te vliegen om de bemanning tegen straling te beschermen) en fotovoltaïsche panelen zijn niet geschikt vanwege een te grote afstand tot de zon, dan kunnen brandstofcellen worden gebruikt.
In de Amerikaanse ruimtevaartprogramma's Gemini en Apollo werden waterstof-zuurstof-brandstofcellen gebruikt. Deze cellen kunnen niet worden opgeladen, maar ze geven veel energie af, en een bijproduct van dit proces is water, dat de bemanning vervolgens kan drinken.
NASA en het Jet Propulsion Laboratory werken aan krachtigere, energie-intensieve en compactere systemen met een lange levensduur.
Maar nieuwe ruimtevaartuigen hebben steeds meer energie nodig: hun boordsystemen worden steeds complexer en verbruiken veel elektriciteit.
Dit geldt met name voor schepen die een elektrische aandrijving gebruiken - bijvoorbeeld het ionenvoortstuwingsapparaat, dat voor het eerst werd gebruikt op de Deep Space 1-sonde in 1998 en sindsdien wijdverspreid is.
Elektromotoren werken meestal door brandstof met hoge snelheid elektrisch uit te stoten, maar er zijn ook motoren die het apparaat versnellen door elektrodynamische interactie met de magnetische velden van planeten.
De meeste energiesystemen van de aarde zijn niet in staat om in de ruimte te werken. Daarom ondergaat elk nieuw schema een reeks serieuze tests voordat het op een ruimtevaartuig wordt geïnstalleerd.
NASA-laboratoria bootsen de barre omstandigheden na waarin het nieuwe apparaat zal moeten functioneren: het wordt bestraald met straling en onderworpen aan extreme temperatuurveranderingen.
Op weg naar nieuwe grenzen
Het is mogelijk dat in toekomstige vluchten verbeterde Stirling-radio-isotopengeneratoren zullen worden gebruikt. Ze werken volgens een principe vergelijkbaar met de RTG, maar veel efficiënter.
Bovendien kunnen ze erg klein worden gemaakt - hoewel het ontwerp verder gecompliceerd is.
Er worden nieuwe batterijen gebouwd voor de geplande vlucht van NASA naar Europa, een van de manen van Jupiter. Ze kunnen werken bij temperaturen van -80 tot -100 graden.
En de nieuwe lithium-ionbatterijen waar ontwerpers momenteel aan werken, zullen twee keer zoveel capaciteit hebben als de huidige. Met hun hulp kunnen astronauten bijvoorbeeld twee keer zo lang op het maanoppervlak doorbrengen voordat ze terugkeren naar het schip om zich op te laden.
Er worden ook nieuwe zonnepanelen ontworpen die efficiënt energie kunnen verzamelen bij weinig licht en lage temperaturen - hierdoor kunnen apparaten op fotovoltaïsche panelen wegvliegen van de zon.
Op een bepaald moment is NASA van plan een permanente basis op Mars te vestigen - en mogelijk op verder weg gelegen planeten.
De energiesystemen van dergelijke nederzettingen zouden veel krachtiger moeten zijn dan die welke tegenwoordig in de ruimte worden gebruikt, en ontworpen voor een veel langere werking.
Er is veel helium-3 op de maan - deze isotoop wordt zelden op aarde gevonden en is de ideale brandstof voor thermonucleaire energiecentrales. Het is echter nog niet mogelijk geweest om voldoende stabiliteit van thermonucleaire fusie te bereiken om deze energiebron in ruimtevaartuigen te gebruiken.
Bovendien bezetten de momenteel bestaande thermonucleaire reactoren het gebied van een vliegtuighangar, en in deze vorm is het onmogelijk om ze te gebruiken voor ruimtevluchten.
Is het mogelijk om conventionele kernreactoren te gebruiken - vooral in voertuigen met elektrische aandrijving en in geplande missies naar de maan en Mars?
In dit geval hoeft de kolonie geen aparte elektriciteitsbron te laten draaien - een scheepsreactor kan zijn rol spelen.
Voor langetermijnvluchten is het mogelijk dat atoom-elektrische voortstuwers worden gebruikt.
"De Asteroid Deflection Mission vereist grote zonnepanelen om voldoende elektriciteit te hebben om rond de asteroïde te manoeuvreren", zegt Surampudi. "We overwegen momenteel een zonne-elektrische voortstuwingsoptie, maar atomair-elektrisch zou goedkoper zijn."
Het is echter onwaarschijnlijk dat we in de nabije toekomst nucleair aangedreven ruimtevaartuigen zullen zien.
“Deze technologie is nog niet voldoende ontwikkeld. We moeten absoluut zeker zijn van de veiligheid ervan voordat we een dergelijk apparaat de ruimte in lanceren”, legt de specialist uit.
Verdere rigoureuze tests zijn vereist om ervoor te zorgen dat de reactor bestand is tegen de ontberingen van de ruimtevlucht.
Al deze veelbelovende energiesystemen zullen het mogelijk maken dat ruimtevaartuigen langer meegaan en lange afstanden vliegen - maar tot dusver bevinden ze zich in de vroege stadia van ontwikkeling.
Wanneer de tests met succes zijn afgerond, worden dergelijke systemen een verplicht onderdeel van vluchten naar Mars - en daarbuiten.
