قدرت: روی زمین ما تمایل داریم آن را بدیهی تلقی کنیم. بیشتر انرژی خانه شما با سوزاندن سوخت های فسیلی – زغال سنگ و گاز طبیعی – تولید می شود تقریبا 61 درصد قدرت آمریکا 20 درصد دیگر در تولید می شود نیروگاه های هسته ای. این منابع غیر قابل تجدید هستند – کارشناسان تخمین می زنند که ما ممکن است 50 تا 100 سال داشته باشیم سوخت های فسیلی و بیش از 200 سال اورانیوم طبیعی چپ، اما زمین به گنجینه ای از منابع انرژی تجدیدپذیر نیز دسترسی دارد. در سال 2019، آب، باد و خورشید انرژی کافی برای تولید برق تولید کردند به طور متوسط 60 میلیون آمریکایی خانوارها.
مهم نیست که از کجا می آید، انرژی موجود در زمین فراوان است. اما در سیارات دیگر و در خلاء فضا، انرژی منبع بسیار کمیاب‌تر است. در مریخ، جایی که چندین شرکت فضایی و غیرانتفاعی قصد دارند در نهایت یک مستعمره انسانیقدرت می تواند ناسازگار و غیر قابل اعتماد باشد.
به عنوان مثال خورشیدی را در نظر بگیرید: با طوفان های غبار قوی و غیرقابل پیش بینی در طول روز و دما تا -157 درجه فارنهایت در شب، ناسا در نگه داشتن مریخ نوردهای روباتیک با انرژی دائمی خورشید مشکل دارد. در فوریه 2019، مریخ نورد آپورچونیتی ناسا بود مرده اعلام شد بعد از هشت ماه سکوت پس از طوفان گرد و غبار عظیم که سیاره سرخ را فرا گرفت. مانند بسیاری از مریخ نوردهای دیگر، Opportunity با پنل های خورشیدی برای عملکرد روزانه و شارژ باتری طراحی شده است. در شب، فرصت تلاش می کرد تا قدرت را تا ساعت هشت حفظ کند بخاری های رادیوایزوتوپ– گلوله‌های پلوتونیوم-238 که خود به خود تجزیه می‌شوند و گرما ایجاد می‌کنند – از یخ زدن باتری‌های او جلوگیری می‌کنند. اما آن بخاری ها برای روشن نگه داشتن فرصت پس از مدفون شدن توسط طوفان گرد و غبار و گرفتار شدن در تاریکی ابدی کافی نبودند.
در سال های اخیر، مریخ نوردهای جدید، کنجکاوی و ماندگاریطراحی شده اند تا با برق از ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ چند منظوره (MMRTG). تامین انرژی MMRTG با گرمای ایجاد شده توسط همان واپاشی ایزوتوپ رادیویی آغاز می شود که باتری های آپورچونیتی را گرم نگه می دارد. این گرما توسط ترموکوپل های حالت جامد – یک جفت متصل – به الکتریسیته تبدیل می شود بشقاب ها که در صورت متفاوت بودن دمای آنها یک مدار الکتریکی تشکیل می دهند. یک صفحه در تماس با هسته پلوتونیوم 238 است در حالی که صفحه دیگر خنک نگه داشته می شود.
MMRTG ها برای انواع مختلفی از ماموریت های فضایی مورد استفاده قرار گرفته اند: از ماموریت ها به ماه و مریخ تا ماموریت های بین ستاره ای پسندیدن ویجر کاوشگرها پلوتونیوم-238 یک انتخاب مطلوب برای این کاوشگرها است زیرا 83 سال طول می کشد تا نیمی از اتم های نمونه تجزیه شوند و رادیواکتیویته خود را از دست بدهند. اما پلوتونیوم 238 گران است و به سختی به دست می آید و با تحلیل رفتن، قدرت آن کاهش می یابد. یک شکل بسیار پایدارتر تولید انرژی، راکتور هسته ای است که بر روی اورانیوم 235 معمولی کار می کند. شکافت هسته ای انرژی را به عنوان محصول جانبی تقسیم اورانیوم به اتم های کوچکتر از طریق یک واکنش زنجیره ای خودپایدار تولید می کند. کنترل نشده، این واکنش می تواند فاجعه بار باشد، اما راکتورهای هسته ای با دقت طراحی شده می توانند این انرژی گرمایی را برداشت کرده و آن را به برق قابل استفاده تبدیل کنند.
اولین تلاش ناسا برای طراحی یک راکتور شکافت هسته ای که می تواند در فضا مورد استفاده قرار گیرد، نشات گرفته است سیستم های برق هسته ای کمکی برنامه (SNAP) در دهه 1960. SNAP10A اولین رآکتوری بود که به مدار پرتاب شد، اما پس از 43 روز به دلیل نقص در سیستم الکتریکی آن خاموش شد. ناسا فکر می کند یک بار دیگر در مدار خواهد ماند 3000 سال ها. از آن زمان، ناسا هیچ رآکتور شکافت هسته ای جدیدی راه اندازی نکرده است، اگرچه بسیاری از آنها به مراحل توسعه و آزمایش رسیده اند.
شکست اصلی SNAP10A و بسیاری از جانشینان آن پیچیدگی فنی بود. اما در سال های اخیر، همکاری بین ناسا و اداره ملی امنیت هسته ای (NNSA) منجر به یک راکتور کیلوواتی با استفاده از فناوری استرلینگ (صلیب)– همچنین به عنوان رآکتور کیلوپاور نیز شناخته می شود. برخلاف رآکتورهای شکافت هسته‌ای فضایی قبلی، راکتور Kilopower با هدف سادگی و کارایی طراحی شد. راکتور Kilopower به شکل یک چتر با سر تخت که برای حمل و نقل جمع می شود بسته بندی تا ده کیلووات توان (تقریباً هشت آمریکایی متوسط خانوارها) در یک ساختار فشرده. ناسا این را محاسبه می کند چهار تا از این راکتورها نیروی کافی برای یک پایگاه انسانی فراهم می کند و می تواند به مریخ تحویل داده شود و به صورت رباتیک راه اندازی شود قبل از ورود انسان.
این یک راکتور کیلوواتی دارای دو جزء اصلی است. اول، هسته اورانیوم 235 است که در آن واکنش شکافت رخ می دهد. هسته حاوی یک میله کنترلی است که از شکافت تا زمانی که جدا نشود، جلوگیری می کند. هسته همچنین توسط یک بازتابنده نوترون احاطه شده است که واکنش شکافت را با سرعت ثابت نگه می دارد. انرژی گرمایی ایجاد شده توسط واکنش شکافت از هسته راکتور از طریق لوله های پر از فلز سدیم مایع تا رسیدن به دومین جزء اصلی راکتور یعنی موتورهای استرلینگ منتقل می شود.
موتورهای استرلینگمانند ترموکوپل ها بر اساس اختلاف دما کار می کنند. مقدار معینی گاز بین دو صفحه فلزی همراه با یک پیستون آب بندی می شود. هنگامی که یکی از این صفحات گرم می شود، گاز اطراف آن منبسط شده و پیستون را به سمت صفحه خنک کننده هل می دهد. صفحه سردتر باعث انقباض گاز اطراف می شود و پیستون را به سمت صفحه گرمتر برمی گرداند. این چرخه ادامه می یابد و انرژی جنبشی قابل استفاده تولید می کند که برای استفاده در کارهای مختلف به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.
در سال 2018، ناسا اعلام کرد که رآکتور Kilopower یک سری آزمایش‌های حیاتی ایمنی و قابلیت اطمینان را پشت سر گذاشته است که نشان می‌دهد به زودی برای آزمایش پرواز آماده می‌شود. مارک گیبسون در این باره گفت: «کیلوپاور ما را قادر می‌سازد تا مأموریت‌های با قدرت بسیار بالاتر را انجام دهیم و دهانه‌های سایه‌دار ماه را کشف کنیم». بیانیه مطبوعاتی ناسا. هنگامی که ما شروع به ارسال فضانوردان برای اقامت طولانی مدت در ماه و سایر سیارات می کنیم، به طبقه جدیدی از قدرت نیاز داریم که قبلاً هرگز به آن نیاز نداشته ایم.» ناسا در حال حاضر در حال برنامه ریزی برای بازگرداندن انسان به ماه است. ماه تا سال 2024، ایجاد یک مستعمره قمری که داده ها و تخصص های ارزشمندی را برای ایجاد یک مستعمره مریخ فراهم می کند. در اوایل دهه 2030.
اگر از پست این ماه لذت بردید، قدرت کیهانی را بررسی کنید برچسب برای سری های قدرت بالا سفر بین ستاره ای قبلی ما! در حال حاضر، پست وبلاگ ماه گذشته در مورد خواندن و درک آثار علمی. نظر بدهید یا به ما ایمیل بزنید [email protected] تا نظر خود را در مورد پست این هفته به ما بگویید. و در زیر برای ایمیل های علمی هفتگی مشترک شوید!
