Weltraummissionen, die mehrere Jahrzehnte oder sogar länger dauern, erfordern eine neue Generation von Stromversorgungen.
Das Energiesystem ist ein wesentlicher Bestandteil des Raumfahrzeugs. Diese Systeme müssen äußerst zuverlässig und für raue Umgebungen ausgelegt sein.
Heutige hochentwickelte Geräte benötigen immer mehr Strom - wie sieht die Zukunft ihrer Netzteile aus?
Ein durchschnittliches modernes Smartphone kann mit einer einzigen Ladung kaum einen Tag halten. Und die vor 38 Jahren eingeführte Voyager-Sonde sendet nach dem Verlassen des Sonnensystems immer noch Signale zur Erde.
Voyager-Computer können 81.000 Vorgänge pro Sekunde ausführen - der Prozessor eines Smartphones ist jedoch siebentausendmal schneller.
Bei der Entwicklung eines Telefons wird natürlich davon ausgegangen, dass es regelmäßig aufgeladen wird und wahrscheinlich nicht mehrere Millionen Kilometer von der nächsten Steckdose entfernt ist.
Es wird nicht funktionieren, um die Batterie des Raumfahrzeugs aufzuladen, die sich laut Plan hundert Millionen Kilometer von der Stromquelle entfernt befinden sollte. Es wird nicht funktionieren. Es muss in der Lage sein, entweder Batterien mit ausreichender Kapazität für den Betrieb über Jahrzehnte an Bord zu tragen oder selbst Strom zu erzeugen.
Es stellt sich als ziemlich schwierig heraus, ein solches Designproblem zu lösen.
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Einige Bordgeräte benötigen nur von Zeit zu Zeit Strom, andere müssen ununterbrochen laufen.
Empfänger und Sender müssen immer eingeschaltet sein, und im bemannten Flug oder auf einer bemannten Raumstation müssen auch Lebenserhaltungs- und Beleuchtungssysteme eingeschaltet sein.
Dr. Rao Surampudi leitet das Energietechnologieprogramm am Jet Propulsion Laboratory des California Institute of Technology in den USA. Seit über 30 Jahren entwickelt er Antriebssysteme für verschiedene NASA-Fahrzeuge.
Ihm zufolge macht das Energiesystem normalerweise etwa 30% der Gesamtmasse des Raumfahrzeugs aus. Es löst drei Hauptaufgaben:
- Stromerzeugung
- Speicherung von Strom
- Stromverteilung
Alle diese Teile des Systems sind für den Betrieb des Geräts von entscheidender Bedeutung. Sie müssen leicht und langlebig sein und eine hohe "Energiedichte" haben - das heißt, sie erzeugen viel Energie mit einem relativ kleinen Volumen.
Darüber hinaus müssen sie zuverlässig sein, da es sehr unpraktisch ist, eine Person in den Weltraum zu schicken, um Pannen zu beheben.
Das System muss nicht nur genug Energie für alle Bedürfnisse erzeugen, sondern dies auch während des gesamten Fluges - und es kann Jahrzehnte und in Zukunft vielleicht Jahrhunderte dauern.
„Die Lebensdauer des Designs sollte lang sein - wenn etwas kaputt geht, kann niemand repariert werden“, sagt Surampudi. "Der Flug nach Jupiter dauert fünf bis sieben Jahre, nach Pluto mehr als zehn Jahre, und es dauert 20 bis 30 Jahre, um das Sonnensystem zu verlassen."
Die Antriebssysteme eines Raumfahrzeugs befinden sich unter sehr spezifischen Bedingungen - sie müssen ohne Schwerkraft im Vakuum unter dem Einfluss sehr intensiver Strahlung (die die meisten herkömmlichen elektronischen Geräte deaktivieren würde) und extremer Temperaturen funktionsfähig bleiben.
"Wenn Sie auf der Venus landen, sind 460 Grad über Bord", sagt der Spezialist. "Und wenn Sie auf dem Jupiter landen, beträgt die Temperatur minus 150".
Raumfahrzeuge, die in Richtung Zentrum des Sonnensystems fliegen, haben keinen Mangel an Energie, die von ihren Photovoltaikmodulen gesammelt wird.
Diese Module unterscheiden sich kaum von Solarmodulen, die auf den Dächern von Wohngebäuden installiert sind, arbeiten jedoch gleichzeitig mit einem viel höheren Wirkungsgrad.
In der Nähe der Sonne ist es sehr heiß und die PV-Module können überhitzen. Um dies zu vermeiden, werden die Paneele von der Sonne abgewandt.
In der Planetenbahn sind Photovoltaik-Module weniger effizient: Sie erzeugen weniger Energie, da sie von Zeit zu Zeit vom Planeten selbst von der Sonne abgeschirmt werden. In solchen Situationen wird ein zuverlässiges Energiespeichersystem benötigt.
Atomare Lösung
Ein solches System kann auf der Basis von Nickel-Wasserstoff-Batterien aufgebaut werden, die mehr als 50.000 Ladezyklen aushalten und mehr als 15 Jahre halten.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, die im Weltraum nicht funktionieren, sind diese Batterien versiegelt und können im Vakuum normal funktionieren.
Mit der Entfernung von der Sonne nimmt die Sonnenstrahlung natürlich ab: Für die Erde sind es 1374 Watt pro Quadratmeter, für Jupiter - 50 und für Pluto - nur ein Watt pro Quadratmeter.
Wenn das Raumschiff die Umlaufbahn des Jupiter verlässt, verwendet es Atomkraftsysteme.
Am gebräuchlichsten ist der thermoelektrische Radioisotopgenerator (RTG), der bei den Sonden Voyager und Cassini sowie beim Curiosity Rover verwendet wird.
Diese Netzteile enthalten keine beweglichen Teile. Sie erzeugen Energie durch Zerfall radioaktiver Isotope wie Plutonium. Ihre Lebensdauer beträgt mehr als 30 Jahre.
Wenn es unmöglich ist, ein RTG zu verwenden (wenn beispielsweise ein für den Flug zu massiver Bildschirm erforderlich ist, um die Besatzung vor Strahlung zu schützen) und Photovoltaik-Module aufgrund eines zu großen Abstands von der Sonne nicht geeignet sind, können Brennstoffzellen verwendet werden.
Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen wurden in den amerikanischen Raumfahrtprogrammen Gemini und Apollo eingesetzt. Diese Zellen können nicht wieder aufgeladen werden, aber sie setzen viel Energie frei. Ein Nebenprodukt dieses Prozesses ist Wasser, das die Besatzung dann trinken kann.
Die NASA und das Jet Propulsion Laboratory arbeiten daran, leistungsstärkere, energieintensivere und kompaktere Systeme mit hoher Lebensdauer zu entwickeln.
Neue Raumfahrzeuge benötigen jedoch immer mehr Energie: Ihre Bordsysteme werden ständig komplexer und verbrauchen viel Strom.
Dies gilt insbesondere für Schiffe, die einen elektrischen Antrieb verwenden - zum Beispiel das Ionenantriebsgerät, das 1998 erstmals an der Deep Space 1-Sonde eingesetzt wurde und seitdem weit verbreitet ist.
Elektromotoren arbeiten normalerweise, indem sie Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit elektrisch ausstoßen, aber es gibt auch solche, die die Vorrichtung durch elektrodynamische Wechselwirkung mit den Magnetfeldern von Planeten beschleunigen.
Die meisten Energiesysteme der Erde sind nicht in der Lage, im Weltraum zu arbeiten. Daher durchläuft jedes neue Schema eine Reihe schwerwiegender Tests, bevor es auf einem Raumschiff installiert wird.
Die NASA-Labors stellen die rauen Bedingungen wieder her, unter denen das neue Gerät funktionieren muss: Es wird mit Strahlung bestrahlt und extremen Temperaturänderungen ausgesetzt.
Auf dem Weg zu neuen Grenzen
Es ist möglich, dass verbesserte Stirling-Radioisotopengeneratoren in zukünftigen Flügen eingesetzt werden. Sie arbeiten nach einem Prinzip ähnlich dem RTG, sind aber viel effizienter.
Außerdem können sie sehr klein gemacht werden - obwohl das Design noch komplizierter ist.
Für den geplanten Flug der NASA nach Europa, einem der Jupitermonde, werden neue Batterien gebaut. Sie können bei Temperaturen zwischen -80 und -100 Grad betrieben werden.
Und die neuen Lithium-Ionen-Batterien, an denen Designer derzeit arbeiten, haben die doppelte Kapazität als die aktuellen. Mit ihrer Hilfe können Astronauten beispielsweise doppelt so lange auf der Mondoberfläche verbringen, bevor sie zum Aufladen zum Schiff zurückkehren.
Es werden auch neue Solarmodule entwickelt, mit denen Energie bei schlechten Lichtverhältnissen und niedrigen Temperaturen effizient gesammelt werden kann. Dadurch können Geräte auf Photovoltaikmodulen von der Sonne wegfliegen.
Irgendwann beabsichtigt die NASA, eine dauerhafte Basis auf dem Mars zu errichten - und möglicherweise auf weiter entfernten Planeten.
Die Energiesysteme solcher Siedlungen sollten viel leistungsfähiger sein als die heute im Weltraum verwendeten und für einen viel längeren Betrieb ausgelegt sein.
Auf dem Mond befindet sich viel Helium-3 - dieses Isotop kommt auf der Erde selten vor und ist der ideale Brennstoff für Kernkraftwerke. Es war jedoch noch nicht möglich, eine ausreichende Stabilität der Kernfusion zu erreichen, um diese Energiequelle in Raumfahrzeugen zu nutzen.
Darüber hinaus nehmen die derzeit vorhandenen Kernreaktoren den Bereich eines Flugzeughangars ein, und in dieser Form ist es unmöglich, sie für Raumflüge zu verwenden.
Ist es möglich, konventionelle Kernreaktoren einzusetzen - insbesondere in Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb und bei geplanten Missionen zum Mond und Mars?
In diesem Fall muss die Kolonie keine separate Stromquelle betreiben - ein Schiffsreaktor kann seine Rolle spielen.
Für Langzeitflüge ist es möglich, dass atomelektrische Propeller verwendet werden.
"Die Asteroiden-Ablenkungsmission erfordert, dass große Sonnenkollektoren über genügend elektrische Energie verfügen, um um den Asteroiden herum zu manövrieren", sagt Surampudi. "Wir erwägen derzeit eine solarelektrische Antriebsoption, aber atomelektrisch wäre billiger."
Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass wir in naher Zukunft Raumfahrzeuge mit Atomantrieb sehen werden.
„Diese Technologie ist noch nicht ausreichend entwickelt. Wir müssen absolut sicher sein, bevor wir ein solches Gerät in den Weltraum bringen “, erklärt der Spezialist.
Weitere strenge Tests sind erforderlich, um sicherzustellen, dass der Reaktor den Strapazen der Raumfahrt standhält.
All diese vielversprechenden Antriebssysteme ermöglichen es Raumfahrzeugen, länger zu halten und lange Strecken zu fliegen - aber sie befinden sich bisher in einem frühen Entwicklungsstadium.
Wenn die Tests erfolgreich abgeschlossen wurden, werden solche Systeme zu einem obligatorischen Bestandteil von Flügen zum Mars - und darüber hinaus.
