Sistem catu daya (catu daya, jika lebih sederhana, karena bahkan mesin perlu makan sesuatu) adalah bagian penting dari pesawat ruang angkasa. Mereka harus bekerja dalam kondisi ekstrim dan sangat dapat diandalkan. Namun, dengan kebutuhan energi yang terus meningkat dari pesawat ruang angkasa kompleks, kita akan membutuhkan teknologi baru di masa depan. Misi yang akan berlangsung selama beberapa dekade akan membutuhkan catu daya generasi baru. Pilihan apa?
Ponsel terbaru hampir tidak bisa bertahan sehari tanpa harus dicolokkan ke stopkontak. Tapi wahana Voyager, yang diluncurkan 38 tahun lalu, masih mengirimkan informasi dari luar tata surya. Voyager probe mampu memproses 81.000 instruksi setiap detik secara efisien, tetapi rata-rata ponsel cerdas 7.000 kali lebih cepat.
Ponsel Anda, tentu saja, dilahirkan untuk diisi ulang secara teratur dan kemungkinan besar jaraknya tidak sampai beberapa juta kilometer dari outlet terdekat. Tidak praktis mengisi ulang pesawat ruang angkasa yang berada 100 juta kilometer dari stasiun terdekat. Sebaliknya, pesawat ruang angkasa harus mampu menyimpan atau menghasilkan energi yang cukup untuk menavigasi ruang angkasa selama beberapa dekade. Dan ini ternyata sulit untuk diatur.
Meskipun beberapa sistem onboard terkadang hanya membutuhkan energi, yang lain harus terus berjalan. Transponder dan penerima harus aktif setiap saat, dan dalam kasus penerbangan berawak atau stasiun luar angkasa, sistem pendukung kehidupan dan pencahayaan juga harus berfungsi.
Dr. Rao Surampudi adalah Manajer Program Teknologi Tenaga di Laboratorium Propulsi Jet di Institut Teknologi California. Selama lebih dari 30 tahun ia telah mengembangkan sistem pasokan listrik untuk berbagai pesawat ruang angkasa NASA.
Menurut Surampudi, sistem tenaga pesawat ruang angkasa menyumbang sekitar 30% dari massa transportasi dan dapat dipecah menjadi tiga subkelompok penting:
pembangkit listrik;
Video promosi:
penyimpanan energi;
manajemen daya dan distribusi
Sistem ini sangat penting untuk berfungsinya pesawat ruang angkasa. Mereka harus memiliki massa yang rendah, berumur panjang, dan menjadi "padat energi", artinya, menghasilkan banyak energi dari volume yang relatif kecil. Mereka juga harus cukup andal, karena beberapa hal di luar angkasa akan hampir tidak realistis atau tidak praktis untuk diperbaiki.
Sistem ini tidak hanya harus mampu menyediakan daya untuk semua kebutuhan onboard, tetapi juga melakukannya di seluruh misi - beberapa di antaranya dapat bertahan puluhan atau ratusan tahun.
“Harapan hidup harus panjang, karena kalau ada yang tidak beres, tidak bisa diperbaiki,” kata Surampudi. "Butuh lima sampai tujuh tahun untuk sampai ke Jupiter, lebih dari sepuluh tahun ke Pluto, tapi meninggalkan tata surya adalah 20-30 tahun."
Karena lingkungan unik tempat mereka beroperasi, sistem catu daya pesawat ruang angkasa harus dapat beroperasi dalam gravitasi nol dan dalam ruang hampa, serta menahan radiasi kolosal (biasanya, elektronik tidak berfungsi dalam kondisi seperti itu). "Jika Anda mendarat di Venus, suhu bisa mencapai 460 derajat Celcius, tapi di Jupiter bisa turun hingga -150 derajat."
Pesawat luar angkasa, yang menuju pusat tata surya kita, akan menerima banyak energi matahari untuk panel fotovoltaiknya. Panel surya pesawat ruang angkasa mungkin terlihat seperti panel surya biasa untuk rumah kita, tetapi dirancang untuk bekerja lebih efisien daripada di rumah.
Kenaikan suhu yang tiba-tiba dari jarak dekat dengan matahari juga dapat menyebabkan panel surya menjadi terlalu panas. Ini dikurangi dengan memutar panel surya menjauh dari Matahari, yang membatasi paparan sinar yang intens.
Saat pesawat ruang angkasa memasuki orbit planet, sel surya menjadi kurang efisien; mereka tidak dapat menghasilkan banyak energi karena gerhana dan melewati bayangan planet. Dibutuhkan sistem penyimpanan energi yang andal.
Atom merespon
Salah satu jenis sistem penyimpanan energi tersebut adalah baterai nikel-hidrogen, yang dapat diisi ulang lebih dari 50.000 kali dan memiliki masa pakai lebih dari 15 tahun. Tidak seperti baterai komersial, yang tidak beroperasi di luar angkasa, baterai ini adalah sistem tertutup rapat yang dapat beroperasi dalam ruang hampa.
Saat Anda terbang menjauh dari Matahari, radiasi matahari secara bertahap berkurang dari 1,374 W / m2 di sekitar Bumi menjadi 50 W / m2 di dekat Jupiter, sementara Pluto sudah mencapai sekitar 1 W / m2. Oleh karena itu, ketika pesawat ruang angkasa terbang keluar dari orbit Jupiter, para ilmuwan beralih ke sistem atom untuk menyediakan energi bagi pesawat ruang angkasa tersebut.
Jenis yang paling umum adalah generator termoelektrik radioisotop (disingkat RTG), yang digunakan pada Voyager, Cassini, dan penjelajah Curiosity. Mereka adalah perangkat solid state yang tidak memiliki bagian yang bergerak. Mereka menghasilkan panas selama peluruhan radioaktif unsur-unsur seperti plutonium dan memiliki umur lebih dari 30 tahun.
Jika penggunaan RTG tidak memungkinkan - misalnya, jika berat pelindung yang diperlukan untuk melindungi awak membuat kendaraan tidak praktis - dan jarak dari Matahari menghalangi penggunaan panel surya, maka sel bahan bakar akan dibalik.
Sel bahan bakar hidrogen-oksigen digunakan selama misi luar angkasa Apollo dan Gemini. Meskipun sel bahan bakar hidrogen-oksigen tidak dapat diisi ulang, mereka memiliki energi spesifik yang tinggi dan tidak menyisakan apa pun selain air untuk diminum oleh astronot.
Penelitian yang sedang berlangsung oleh NASA dan JPL akan memungkinkan sistem tenaga masa depan untuk menghasilkan dan menyimpan lebih banyak energi menggunakan lebih sedikit ruang dan untuk waktu yang lebih lama. Meskipun demikian, pesawat ruang angkasa baru membutuhkan lebih banyak cadangan karena sistem onboard mereka menjadi lebih kompleks dan haus energi.
Kebutuhan energi yang tinggi terutama terjadi ketika pesawat ruang angkasa menggunakan sistem penggerak listrik seperti pendorong ion, pertama kali dikirim ke Deep Space 1 pada tahun 1998 dan masih berhasil digunakan pada pesawat ruang angkasa. Sistem propulsi listrik biasanya mengeluarkan bahan bakar dengan listrik pada kecepatan tinggi, tetapi yang lain menggunakan tali elektrodinamik yang berinteraksi dengan medan magnet planet untuk menggerakkan pesawat ruang angkasa.
Sebagian besar sistem energi di Bumi tidak akan bekerja di luar angkasa. Jadi, setiap sistem catu daya baru harus diuji secara menyeluruh sebelum dipasang di pesawat ruang angkasa. NASA dan JPL menggunakan laboratorium mereka untuk mensimulasikan kondisi keras yang akan dioperasikan oleh teknologi baru ini, membombardir komponen dan sistem baru dengan radiasi dan memaparkannya pada suhu ekstrem.
Kehidupan ekstra
Generator radioisotop Stirling saat ini sedang dipersiapkan untuk misi di masa depan. Berdasarkan RTG yang ada, generator ini jauh lebih efisien daripada saudara termoelektriknya, dan bisa jauh lebih kecil, meskipun dengan pengaturan yang lebih rumit.
Jenis baterai baru juga sedang dikembangkan untuk misi NASA yang direncanakan ke Europa (salah satu bulan Jupiter). Mereka harus beroperasi dalam kisaran suhu -80 hingga -100 derajat Celcius. Kemungkinan untuk membuat baterai lithium-ion canggih dengan dua kali lipat energi yang disimpan sedang dipelajari. Mereka bisa mengizinkan astronot menghabiskan dua kali lebih lama di bulan sebelum baterainya habis.
Panel surya baru sedang dikembangkan yang akan dapat beroperasi dalam kondisi intensitas cahaya dan suhu yang berkurang, yaitu, pesawat ruang angkasa akan dapat beroperasi dengan energi matahari yang lebih jauh dari Matahari.
Suatu hari NASA akhirnya akan memutuskan untuk membangun pangkalan permanen di Mars dengan orang-orang, dan mungkin di planet lain. Badan tersebut akan membutuhkan sistem pembangkit listrik yang jauh lebih bertenaga daripada yang sudah ada.
Bulan kaya akan helium-3, unsur langka di Bumi yang bisa menjadi bahan bakar ideal untuk fusi nuklir. Namun, sejauh ini sintesis semacam itu tidak dianggap stabil atau cukup andal untuk membentuk dasar pasokan daya pesawat ruang angkasa. Selain itu, reaktor fusi tipikal, seperti tokamak, berukuran sebesar rumah dan tidak akan muat ke dalam pesawat ruang angkasa.
Bagaimana dengan reaktor nuklir yang sempurna untuk pesawat luar angkasa bertenaga listrik dan misi yang direncanakan untuk mendarat di Bulan dan Mars? Alih-alih membawa sistem catu daya terpisah ke koloni, generator nuklir pesawat ruang angkasa dapat digunakan.
Pesawat ruang angkasa dengan jenis mesin nuklir-listrik dipertimbangkan untuk misi jangka panjang di masa depan. "Sebuah misi pengalihan asteroid akan membutuhkan panel surya yang kuat yang akan memberikan tenaga penggerak listrik yang cukup bagi pesawat ruang angkasa untuk bermanuver di sekitar asteroid," kata Surampudi. "Pada titik tertentu kami akan meluncurkannya dengan energi matahari, tetapi dengan tenaga nuklir, semuanya akan jauh lebih murah."
Namun, kita tidak akan melihat pesawat ruang angkasa bertenaga nuklir selama bertahun-tahun. “Teknologinya belum matang,” kata Surampudi. "Kami perlu memastikan mereka aman setelah peluncuran." Mereka harus menjalani pengujian ketat untuk menunjukkan apakah aman untuk mengekspos instalasi nuklir seperti itu ke uji coba ruang angkasa yang keras."
Sistem pasokan energi baru akan memungkinkan pesawat ruang angkasa beroperasi lebih lama dan melakukan perjalanan lebih jauh, tetapi masih dalam tahap awal pengembangannya. Saat diuji, mereka akan menjadi komponen penting untuk misi berawak ke Mars dan sekitarnya.
