Stromversorgungssysteme (Stromversorgung, wenn es einfacher ist, weil sogar Maschinen etwas essen müssen) sind ein wichtiger Bestandteil des Raumfahrzeugs. Sie müssen unter extremen Bedingungen arbeiten und äußerst zuverlässig sein. Angesichts des ständig wachsenden Energiebedarfs komplexer Raumfahrzeuge werden wir jedoch in Zukunft neue Technologien benötigen. Missionen, die Jahrzehnte dauern werden, erfordern eine neue Generation von Stromversorgungen. Welche Möglichkeiten?
Die neuesten Mobiltelefone können einen Tag kaum überleben, ohne an eine Steckdose angeschlossen zu sein. Die vor 38 Jahren eingeführte Voyager-Sonde sendet uns jedoch immer noch Informationen von außerhalb des Sonnensystems. Voyager-Sonden können 81.000 Anweisungen pro Sekunde effizient verarbeiten, Smartphones sind jedoch im Durchschnitt 7.000-mal schneller.
Ihre Mobiltelefone müssen natürlich regelmäßig aufgeladen werden, und es ist unwahrscheinlich, dass sie mehrere Millionen Kilometer von der nächsten Verkaufsstelle entfernt sind. Es ist nicht praktisch, ein Raumschiff aufzuladen, das 100 Millionen Kilometer von der nächsten Station entfernt ist. Stattdessen muss ein Raumschiff in der Lage sein, genügend Energie zu speichern oder zu erzeugen, um jahrzehntelang im Weltraum zu navigieren. Und das ist, wie sich herausstellte, schwer zu arrangieren.
Während einige Bordsysteme nur gelegentlich Energie benötigen, müssen andere ständig laufen. Transponder und Empfänger müssen jederzeit aktiv sein, und im Falle eines bemannten Fluges oder einer bemannten Raumstation müssen auch Lebenserhaltungs- und Beleuchtungssysteme funktionieren.
Dr. Rao Surampudi ist Programmmanager für Energietechnologie am Jet Propulsion Laboratory des California Institute of Technology. Seit über 30 Jahren entwickelt er Stromversorgungssysteme für verschiedene NASA-Raumfahrzeuge.
Laut Surampudi machen Raumfahrzeug-Antriebssysteme ungefähr 30% der Transportmasse aus und können in drei wichtige Untergruppen unterteilt werden:
Energieerzeugung;
Werbevideo:
Energiespeicher;
Energieverwaltung und -verteilung
Diese Systeme sind für die Funktion des Raumfahrzeugs von entscheidender Bedeutung. Sie müssen eine geringe Masse haben, lange leben und „energetisch dicht“sein, dh aus relativ kleinen Mengen viel Energie produzieren. Sie müssen auch ziemlich zuverlässig sein, da einige Dinge im Weltraum fast unrealistisch oder unpraktisch zu reparieren wären.
Diese Systeme müssen nicht nur in der Lage sein, alle Anforderungen an Bord mit Strom zu versorgen, sondern dies auch während der gesamten Mission - von denen einige zehn oder Hunderte von Jahren dauern können.
"Die Lebenserwartung muss lang sein, denn wenn etwas schief geht, kann man es nicht reparieren", sagt Surampudi. "Es wird fünf bis sieben Jahre dauern, bis Jupiter erreicht ist, mehr als zehn Jahre bis Pluto, aber das Verlassen des Sonnensystems dauert 20 bis 30 Jahre."
Aufgrund der einzigartigen Umgebung, in der sie betrieben werden, müssen die Stromversorgungssysteme des Raumfahrzeugs in der Lage sein, in der Schwerelosigkeit und im Vakuum zu arbeiten und kolossaler Strahlung standzuhalten (normalerweise funktioniert die Elektronik unter solchen Bedingungen nicht). "Wenn Sie auf der Venus landen, können die Temperaturen 460 Grad Celsius erreichen, aber auf dem Jupiter können sie auf -150 Grad fallen."
Das Raumschiff, das sich dem Zentrum unseres Sonnensystems nähert, wird für seine Photovoltaik-Module viel Sonnenenergie erhalten. Solarmodule von Raumfahrzeugen sehen für unsere Häuser wie normale Solarmodule aus, sind jedoch so konzipiert, dass sie effizienter arbeiten als zu Hause.
Der plötzliche Temperaturanstieg aus unmittelbarer Nähe zur Sonne kann auch zu einer Überhitzung der Sonnenkollektoren führen. Dies wird durch Drehen der Sonnenkollektoren von der Sonne weg gemildert, wodurch die Exposition gegenüber intensiven Strahlen begrenzt wird.
Wenn ein Raumschiff in die Umlaufbahn eines Planeten eintritt, werden Solarzellen weniger effizient. Sie können aufgrund von Sonnenfinsternissen und durch den Schatten des Planeten nicht viel Energie erzeugen. Ein zuverlässiges Energiespeichersystem ist erforderlich.
Atome antworten
Eine solche Art von Energiespeichersystem sind Nickel-Wasserstoff-Batterien, die mehr als 50.000 Mal aufgeladen werden können und eine Lebensdauer von über 15 Jahren haben. Im Gegensatz zu handelsüblichen Batterien, die nicht im Weltraum betrieben werden, handelt es sich bei diesen Batterien um hermetisch abgeschlossene Systeme, die im Vakuum betrieben werden können.
Wenn Sie von der Sonne wegfliegen, nimmt die Sonnenstrahlung allmählich von 1,374 W / m2 um die Erde auf 50 W / m2 in der Nähe von Jupiter ab, während Pluto bereits 1 W / m2 beträgt. Wenn ein Raumschiff aus der Jupiter-Umlaufbahn fliegt, wenden sich Wissenschaftler daher atomaren Systemen zu, um das Raumschiff mit Energie zu versorgen.
Der gebräuchlichste Typ sind die thermoelektrischen Radioisotopgeneratoren (kurz RTGs), die bei Voyager, Cassini und dem Curiosity Rover verwendet wurden. Sie sind Festkörpergeräte ohne bewegliche Teile. Sie erzeugen beim radioaktiven Zerfall von Elementen wie Plutonium Wärme und haben eine Lebensdauer von über 30 Jahren.
Wenn die Verwendung eines RTG nicht möglich ist - wenn beispielsweise das Gewicht der zum Schutz der Besatzung erforderlichen Abschirmung das Fahrzeug unpraktisch macht - und der Abstand zur Sonne die Verwendung von Sonnenkollektoren ausschließt, werden Brennstoffzellen gedreht.
Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen wurden während der Weltraummissionen Apollo und Gemini eingesetzt. Obwohl Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen nicht aufgeladen werden können, haben sie eine hohe spezifische Energie und lassen nichts als Wasser für Astronauten zum Trinken übrig.
Laufende Forschungen von NASA und JPL werden es zukünftigen Stromversorgungssystemen ermöglichen, mehr Energie auf weniger Raum und für längere Zeit zu erzeugen und zu speichern. Dennoch benötigen neue Raumschiffe immer mehr Reserven, da ihre Bordsysteme komplexer und energiehungriger werden.
Der hohe Energiebedarf gilt insbesondere dann, wenn das Raumfahrzeug ein elektrisches Antriebssystem wie das Ionenstrahlruder verwendet, das 1998 erstmals an Deep Space 1 geliefert wurde und noch immer erfolgreich in Raumfahrzeugen eingesetzt wird. Elektrische Antriebssysteme stoßen normalerweise Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit mit Elektrizität aus, andere verwenden jedoch elektrodynamische Seile, die mit den Magnetfeldern des Planeten interagieren, um das Raumschiff zu bewegen.
Die meisten Energiesysteme auf der Erde funktionieren nicht im Weltraum. Daher muss jedes neue Stromversorgungssystem vor der Installation auf einem Raumfahrzeug gründlich getestet werden. Die NASA und JPL verwenden ihre Labors, um die rauen Bedingungen zu simulieren, unter denen diese neue Technologie betrieben wird. Sie bombardieren neue Komponenten und Systeme mit Strahlung und setzen sie extremen Temperaturen aus.
Extra Leben
Stirling-Radioisotopengeneratoren werden derzeit für zukünftige Missionen vorbereitet. Basierend auf vorhandenen RTGs sind diese Generatoren viel effizienter als ihre thermoelektrischen Geschwister und können viel kleiner sein, wenn auch mit einer komplexeren Anordnung.
Für die geplante Mission der NASA in Europa (einem der Jupitermonde) werden auch neue Batterietypen entwickelt. Sie müssen in einem Temperaturbereich von -80 bis -100 Grad Celsius betrieben werden. Die Möglichkeit, fortschrittliche Lithium-Ionen-Batterien mit der doppelten gespeicherten Energie herzustellen, wird untersucht. Sie könnten Astronauten erlauben, doppelt so lange auf dem Mond zu verbringen, bevor die Batterien leer werden.
Es werden neue Sonnenkollektoren entwickelt, die unter Bedingungen reduzierter Lichtintensität und Temperaturen betrieben werden können, dh das Raumschiff kann mit Sonnenenergie weiter von der Sonne entfernt betrieben werden.
Eines Tages wird die NASA endlich beschließen, mit Menschen und vielleicht auf einem anderen Planeten eine dauerhafte Basis auf dem Mars zu errichten. Die Agentur wird Stromerzeugungssysteme benötigen, die viel leistungsfähiger sind als bestehende.
Der Mond ist reich an Helium-3, einem seltenen Element auf der Erde, das ein idealer Brennstoff für die Kernfusion sein könnte. Bisher wird eine solche Synthese jedoch nicht als stabil oder zuverlässig genug angesehen, um die Grundlage für die Stromversorgung des Raumfahrzeugs zu bilden. Darüber hinaus hat ein typischer Fusionsreaktor wie ein Tokamak etwa die Größe eines Hauses und passt nicht in ein Raumschiff.
Was ist mit Kernreaktoren, die perfekt für elektrisch angetriebene Raumschiffe und geplante Missionen zur Landung auf dem Mond und dem Mars geeignet sind? Anstatt ein separates Stromversorgungssystem in die Kolonie zu bringen, könnte der Atomgenerator des Raumfahrzeugs verwendet werden.
Raumfahrzeuge mit einem nuklearelektrischen Triebwerkstyp werden für zukünftige Langzeiteinsätze in Betracht gezogen. "Eine Asteroiden-Umleitungsmission erfordert leistungsstarke Sonnenkollektoren, die dem Raumschiff genügend elektrischen Antrieb bieten, um um den Asteroiden herum zu manövrieren", sagt Surampudi. "Irgendwann wollten wir es mit Solarenergie einführen, aber mit Atomkraft wird alles viel billiger."
Wir werden jedoch viele Jahre lang keine atomgetriebenen Raumschiffe sehen. "Die Technologie ist noch nicht ausgereift", sagt Surampudi. "Wir müssen sicherstellen, dass sie nach dem Start sicher sind." Sie müssen strengen Tests unterzogen werden, um zu zeigen, ob es sicher ist, solche kerntechnischen Anlagen den harten Weltraumtests auszusetzen."
Die neuen Energieversorgungssysteme werden es dem Raumschiff ermöglichen, länger zu arbeiten und weiter zu reisen, stehen aber erst am Anfang ihrer Entwicklung. Wenn sie getestet werden, werden sie zu kritischen Komponenten für bemannte Missionen zum Mars und darüber hinaus.
