Misi luar angkasa yang berlangsung selama beberapa dekade - atau bahkan lebih lama - akan membutuhkan catu daya generasi baru.
Sistem tenaga adalah komponen penting dari pesawat ruang angkasa. Sistem ini harus sangat andal dan dirancang untuk tahan terhadap lingkungan yang keras.
Perangkat canggih saat ini membutuhkan lebih banyak daya - bagaimana masa depan pasokan listrik mereka?
Smartphone modern rata-rata hampir tidak dapat bertahan sehari dengan sekali pengisian daya. Dan wahana Voyager, diluncurkan 38 tahun lalu, masih memancarkan sinyal ke Bumi setelah meninggalkan tata surya.
Komputer Voyager mampu 81 ribu operasi per detik - tetapi prosesor smartphone tujuh ribu kali lebih cepat.
Saat merancang telepon, tentu saja, diasumsikan bahwa itu akan diisi ulang secara teratur dan tidak mungkin beberapa juta kilometer dari outlet terdekat.
Tidak akan berhasil untuk mengisi baterai pesawat ruang angkasa, yang menurut rencana, harus ditempatkan seratus juta kilometer dari sumber saat ini, itu tidak akan berfungsi - itu harus dapat membawa baterai dengan kapasitas yang cukup di atas kapal untuk beroperasi selama beberapa dekade, atau menghasilkan listrik sendiri.
Ternyata cukup sulit untuk memecahkan masalah desain seperti itu.
Video promosi:
Beberapa perangkat terpasang hanya membutuhkan listrik dari waktu ke waktu, tetapi perangkat lain harus terus menyala.
Penerima dan pemancar harus selalu dihidupkan, dan dalam penerbangan berawak atau di stasiun luar angkasa berawak, sistem penyangga kehidupan dan penerangan juga harus dihidupkan.
Dr. Rao Surampudi memimpin Program Teknologi Energi di Jet Propulsion Laboratory di California Institute of Technology di Amerika Serikat. Selama lebih dari 30 tahun dia telah mengembangkan sistem tenaga untuk berbagai kendaraan NASA.
Menurutnya, sistem energi biasanya menyumbang sekitar 30% dari total massa pesawat ruang angkasa. Ini menyelesaikan tiga tugas utama:
- pembangkit listrik
- penyimpanan listrik
- distribusi listrik
Semua bagian sistem ini sangat penting untuk pengoperasian peralatan. Mereka harus ringan, tahan lama dan memiliki "kepadatan energi" yang tinggi - yaitu, menghasilkan banyak energi dengan volume yang cukup kecil.
Selain itu, mereka harus dapat diandalkan, karena mengirim seseorang ke luar angkasa untuk memperbaiki kerusakan sangat tidak praktis.
Sistem tidak hanya harus menghasilkan energi yang cukup untuk semua kebutuhan, tetapi juga melakukannya sepanjang penerbangan - dan dapat bertahan selama beberapa dekade, dan di masa depan, mungkin selama berabad-abad.
“Umur desain harus panjang - jika ada yang rusak, tidak akan ada yang memperbaikinya,” kata Surampudi. "Penerbangan ke Jupiter memakan waktu lima hingga tujuh tahun, ke Pluto lebih dari 10 tahun, dan dibutuhkan 20 hingga 30 tahun untuk meninggalkan tata surya."
Sistem tenaga pesawat ruang angkasa berada dalam kondisi yang sangat spesifik - mereka harus tetap berfungsi tanpa adanya gravitasi, dalam ruang hampa, di bawah pengaruh radiasi yang sangat intens (yang akan menonaktifkan sebagian besar perangkat elektronik konvensional) dan suhu ekstrem.
“Jika Anda mendarat di Venus, maka 460 derajat akan terlalu tinggi,” kata sang spesialis. "Dan saat mendarat di Jupiter, suhu akan minus 150".
Pesawat ruang angkasa yang menuju pusat tata surya tidak kekurangan energi yang dikumpulkan oleh panel fotovoltaik mereka.
Panel-panel ini terlihat sedikit berbeda dari panel surya yang dipasang di atap bangunan tempat tinggal, tetapi pada saat yang sama mereka bekerja dengan efisiensi yang jauh lebih tinggi.
Di dekat matahari sangat panas dan panel PV bisa menjadi terlalu panas. Untuk menghindari hal ini, panel-panel tersebut menjauhi Matahari.
Di orbit planet, panel fotovoltaik kurang efisien: panel menghasilkan lebih sedikit energi, karena dari waktu ke waktu panel tersebut dipagari dari Matahari oleh planet itu sendiri. Dalam situasi seperti ini, diperlukan sistem penyimpanan energi yang andal.
Solusi atom
Sistem semacam itu dapat dibangun berdasarkan baterai nikel-hidrogen, yang dapat menahan lebih dari 50 ribu siklus pengisian dan bertahan lebih dari 15 tahun.
Tidak seperti baterai konvensional, yang tidak berfungsi di luar angkasa, baterai ini disegel dan dapat berfungsi secara normal dalam ruang hampa.
Dengan jarak dari Matahari, tingkat radiasi matahari secara alami berkurang: untuk Bumi 1374 watt per meter persegi, untuk Jupiter - 50, dan untuk Pluto - hanya satu watt per meter persegi.
Oleh karena itu, jika pesawat luar angkasa meninggalkan orbit Jupiter, maka ia menggunakan sistem tenaga atom.
Yang paling umum adalah generator termoelektrik radioisotop (RTG) yang digunakan pada probe Voyager dan Cassini dan pada penjelajah Curiosity.
Tidak ada bagian yang bergerak dalam catu daya ini. Mereka menghasilkan energi dengan meluruhkan isotop radioaktif seperti plutonium. Kehidupan pelayanan mereka melebihi 30 tahun.
Jika tidak memungkinkan untuk menggunakan RTG (misalnya, jika layar yang terlalu besar untuk penerbangan diperlukan untuk melindungi awak pesawat dari radiasi), dan panel fotovoltaik tidak cocok karena jarak yang terlalu jauh dari Matahari, maka sel bahan bakar dapat digunakan.
Sel bahan bakar hidrogen-oksigen digunakan dalam program luar angkasa Amerika Gemini dan Apollo. Sel-sel ini tidak dapat diisi ulang, tetapi melepaskan banyak energi, dan produk sampingan dari proses ini adalah air, yang kemudian dapat diminum oleh kru.
NASA dan Jet Propulsion Laboratory bekerja untuk menciptakan sistem yang lebih bertenaga, intensif energi, dan kompak dengan masa pakai tinggi.
Tetapi pesawat ruang angkasa baru membutuhkan lebih banyak energi: sistem onboard mereka terus-menerus menjadi kompleks dan menghabiskan banyak listrik.
Hal ini terutama berlaku untuk kapal yang menggunakan penggerak listrik - misalnya, perangkat penggerak ion, yang pertama kali digunakan pada wahana Deep Space 1 pada tahun 1998 dan telah tersebar luas.
Motor listrik biasanya bekerja dengan mengeluarkan bahan bakar secara elektrik dengan kecepatan tinggi, tetapi ada juga yang mempercepat alat tersebut melalui interaksi elektrodinamika dengan medan magnet planet.
Sebagian besar sistem energi bumi tidak mampu beroperasi di luar angkasa. Oleh karena itu, setiap skema baru harus melalui serangkaian pengujian serius sebelum dipasang pada pesawat ruang angkasa.
Laboratorium NASA menciptakan kembali kondisi yang keras di mana perangkat baru harus berfungsi: ia disinari dengan radiasi dan mengalami perubahan suhu yang ekstrim.
Menuju perbatasan baru
Ada kemungkinan bahwa generator radioisotop Stirling yang ditingkatkan akan digunakan dalam penerbangan mendatang. Mereka bekerja berdasarkan prinsip yang mirip dengan RTG, tetapi jauh lebih efisien.
Selain itu, mereka dapat dibuat sangat kecil - meskipun desainnya lebih rumit.
Baterai baru sedang dibangun untuk penerbangan yang direncanakan NASA ke Eropa, salah satu bulan Jupiter. Mereka akan dapat beroperasi pada suhu mulai dari -80 hingga -100 derajat.
Dan baterai lithium-ion baru yang sedang dikerjakan oleh para desainer akan memiliki kapasitas dua kali lipat dari yang ada saat ini. Dengan bantuan mereka, astronot dapat, misalnya, menghabiskan waktu dua kali lebih lama di permukaan bulan sebelum kembali ke kapal untuk mengisi ulang.
Panel surya baru juga sedang dirancang yang dapat mengumpulkan energi secara efisien dalam cahaya rendah dan suhu rendah - ini akan memungkinkan perangkat pada panel fotovoltaik terbang menjauh dari Matahari.
Pada tahap tertentu, NASA bermaksud untuk membangun pangkalan permanen di Mars - dan mungkin di planet yang lebih jauh.
Sistem energi permukiman semacam itu harus jauh lebih kuat daripada yang digunakan di luar angkasa saat ini, dan dirancang untuk operasi yang lebih lama.
Ada banyak helium-3 di bulan - isotop ini jarang ditemukan di Bumi dan merupakan bahan bakar ideal untuk pembangkit listrik termonuklir. Namun, belum mungkin untuk mencapai stabilitas fusi termonuklir yang memadai untuk menggunakan sumber energi ini dalam pesawat ruang angkasa.
Selain itu, reaktor termonuklir yang ada saat ini menempati area hanggar pesawat, dan dalam bentuk ini tidak mungkin digunakan untuk penerbangan luar angkasa.
Apakah mungkin menggunakan reaktor nuklir konvensional - terutama pada kendaraan dengan penggerak listrik dan dalam misi terencana ke Bulan dan Mars?
Dalam hal ini, koloni tidak harus menjalankan sumber listrik terpisah - reaktor kapal dapat memainkan perannya.
Untuk penerbangan jangka panjang, baling-baling atom-listrik mungkin akan digunakan.
“Misi Defleksi Asteroid membutuhkan panel surya besar untuk memiliki daya listrik yang cukup untuk bermanuver di sekitar asteroid,” kata Surampudi. "Kami saat ini sedang mempertimbangkan opsi penggerak tenaga surya, tetapi atom-listrik akan lebih murah."
Namun, kami tidak mungkin melihat pesawat ruang angkasa bertenaga nuklir dalam waktu dekat.
“Teknologi ini belum cukup berkembang. Kami harus benar-benar yakin akan keamanannya sebelum meluncurkan perangkat semacam itu ke luar angkasa,”jelas spesialis tersebut.
Pengujian ketat lebih lanjut diperlukan untuk memastikan bahwa reaktor mampu menahan kerasnya penerbangan luar angkasa.
Semua sistem tenaga yang menjanjikan ini akan memungkinkan pesawat ruang angkasa bertahan lebih lama dan terbang jarak jauh - tetapi sejauh ini mereka berada dalam tahap awal pengembangan.
Ketika tes berhasil diselesaikan, sistem semacam itu akan menjadi komponen wajib penerbangan ke Mars - dan seterusnya.
