As sondas Voyager 1 e 2 foram lançadas em 1977 e têm trabalhado ininterruptamente por mais de 45 anos, indo da Terra para os planetas externos do nosso sistema solar e além. Cortesia dos geradores termoelétricos de radioisótopos (RTGs) que forneceram 470 watts no lançamento, eles são capazes de operar na escuridão do espaço profundo como faziam dentro dos limites de nosso sistema solar iluminado. No entanto, como nada no universo é verdadeiramente infinito, esses RTGs também se desgastam com o tempo, seja pelo decaimento natural de sua fonte de radiação ou pela degradação de termopares.
Apesar dessa diminuição gradual de força, a Nasa Anunciado recentemente Essa Voyager 2 tem uma fonte ainda desconhecida de energia de backup que adiaria o desligamento de mais instrumentos científicos por mais alguns anos. A mudança basicamente ignora a tensão normal do circuito e o sistema de energia de backup associado, liberando a energia que isso consome para instrumentos científicos que teriam começado a desligar anos antes.
Embora isso seja uma boa notícia por si só, também é digno de nota porque o Multi Hundred Watt (MHW) de 45 anos da Voyager é o progenitor dos RTGs que ainda alimentam a sonda New Horizons 17 anos depois, e o Mars Science Laboratory (Curiosity) Por mais de 10 anos, o valor dos RTGs foi demonstrado em missões de exploração de longo prazo.
Embora o princípio básico por trás do RTG seja bastante simples, seu design mudou drasticamente desde que o US SNAP-3 RTG foi instalado. Cruzando Satélite 4B em 1961.
A necessidade de poder
Mesmo na Terra, pode ser difícil encontrar uma fonte confiável de energia que dure anos ou até décadas, e é por isso que os Sistemas Auxiliares de Energia Nuclear (NASA) da NASApopO programa de desenvolvimento produziu RTGs destinados ao uso terrestre e espacial, sendo o SNAP-3 o primeiro a chegar ao espaço. O RTG fornecido produzia apenas 2,5 watts e os satélites também tinham painéis solares e baterias de NiCd. Mas como um banco de testes RTG espacial, o SNAP-3 lançou as bases para sucessivas missões da NASA.
O SNAP-19 forneceu energia (cerca de 30 watts por RTG) para as sondas Viking 1 e 2, bem como Pioneer 10 e 11. Cinco módulos SNAP-27 forneceram energia para os pacotes Apollo Lunar Surface Experiments (ALSEP) que foram deixados na superfície lunar pelos astronautas da Apollo 12, 14, 15, 16 e 17. Cada SNAP-27 forneceu aproximadamente 75 watts a 30 V CC de energia de uma barra de combustível de 3,8 kg de plutônio-238 classificada para 1250 watts. Dez anos depois, o SNAP-27 ainda está produzindo mais de 90% de sua energia elétrica nominal, permitindo que cada ALSEP transmita dados sobre moonquakes e outras informações registradas por seus instrumentos enquanto o orçamento de energia permitir.
Quando as operações de suporte para o Projeto Apollo cessaram em 1977, os ALSEPs ficaram apenas com seus transmissores operacionais. O módulo SNAP-27 da Apollo 13 (anexado à parte externa do módulo lunar) retornou à Terra, onde permanece intacto no fundo da Fossa de Tonga, no Oceano Pacífico.
A relativa ineficiência dos RTGs era evidente mesmo na época, embora Snap-10A Experimento demonstrando um reator de fissão integrado de 500 watts em um satélite movido a motor iônico que superou facilmente os RTGs SNAP. Embora mais potentes por unidade de volume e combustível nuclear, os RTGs baseados em termopares têm a vantagem de não ter absolutamente nenhuma parte móvel e apenas requisitos de resfriamento passivo. Isso permite que eles fiquem literalmente presos em uma sonda espacial, satélite ou veículo com radiação de calor e/ou convecção, fornecendo o lado frio para térmico.
Esses termopares são usados efeito Seebeck, o efeito Peltier ao contrário, para converter o gradiente de temperatura entre dois materiais eletricamente condutores diferentes em essencialmente um gerador. Grande parte do desafio dos RTGs baseados em termopares é encontrar a montagem mais eficiente e durável. Embora os RTGs de ciclo Rankine, Brayton e Stirling também tenham sido testados, eles têm a desvantagem óbvia de peças mecânicas móveis, que requerem vedações e lubrificação.
Ao considerar a vida útil estimada de 45 anos da Voyager MHW-RTGs Com termopares de silício-germânio (SiGe) relativamente antigos, as desvantagens de adicionar componentes mecânicos devem ser aparentes. Especialmente ao considerar as duas gerações de sucessores do MHW RTG até o momento.
Não é o seu RTG dos anos 1970
Enquanto o MHW-RTG da Voyager foi desenvolvido especificamente para a missão pela NASA, seu sucessor, intitulado criativamente Fonte de calor de uso geral (GPHSO RTG foi projetado pela divisão espacial da General Electric e posteriormente foi usado nas missões Ulysses (1990-2009), Galileo (1989-2003), Cassini-Huygens (1997-2017) e New Horizons (2006-). Cada GPHS-RTG produz aproximadamente 300 watts de energia elétrica a partir de um termopar de 4400 watts, usando termopares semelhantes de silício e germânio.
Um aspecto interessante aqui é que mesmo os rovers movidos a energia solar em Marte incluem um módulo de radioisótopos, embora na forma de um módulo de aquecimento de radioisótopos (RHU), com o Sojourner Rover A presença de três dessas RHUs, f Espírito e oportunidade Oito RHUs cada. Essas RHUs fornecem uma fonte de calor constante que permite que a eletricidade escassa dos painéis solares e baterias seja usada para outras tarefas além do funcionamento dos aquecedores.
Enquanto isso, o atualmente ativo Mars rover, curiosidade E seu resistor duplo, obtém energia elétrica e calor de um dispositivo Um gerador termoelétrico radioisótopo multifuncional (mmrtg) solidão. Esses conjuntos RTG usam pares ferroelétricos PbTe/TAGS, ou seja, uma liga de chumbo/telúrio para um lado e telúrio (Te), prata (Ag), germânio (Ge) e antimônio (Sb) para o outro lado do par. O MMRTG é classificado para até 17 tempos de vida, mas é provável que supere as especificações de projeto por uma margem significativa como os MHW-RTGs e outros. O combustível de plutônio-238 com MMRTG está contido em unidades de fonte de calor de uso geral (GPHS), que servem para proteger o combustível contra danos.
Principal Modo de falha Dos termopares de SiGe o germânio foi migrando ao longo do tempo, causando sublimação. Isso foi evitado em projetos posteriores pelo revestimento de termopares de SiGe com nitreto de silício. Os termopares PbTe/TAGS devem fornecer maior estabilidade a esse respeito, e os MMRTGs em Curiosity and Persistence serviram como testes de duração no mundo real.
questão de combustível
As sondas Voyager 1 e 2 estão fora do caminho para uma grande sessão de serviço e manutenção, então a NASA teve que ser criativa para otimizar o uso de energia. Embora um circuito de energia de backup possa ter sido considerado uma necessidade na década de 1970 no caso de flutuações de energia de qualquer um dos três RTGs em cada sonda espacial, há dados observacionais do mundo real suficientes para apoiar a sugestão de que pode não ser necessário, exceto efeitos exóticos. .
Com aproximadamente 46 anos de dados dos RTGs da Voyager, podemos agora ver que a estabilidade dos termopares é necessária para manter uma potência de saída constante, já que o decaimento plutônio-238 A fonte de combustível é muito mais fácil de modelar e prever. Agora que com os MMRTGs podemos resolver muitos dos problemas que causam a deterioração dos termopares com o tempo. O único componente que falta é o combustível plutônio-238.
A maior parte do plutônio-238 que os Estados Unidos possuíam veio do local do rio Savannah (SRS) antes de fechar esta instalação e seus próprios reatores em 1988. Então, os Estados Unidos estavam importando plutônio Pu-238 da Rússia antes que os estoques desta última também começassem a se esgotar, levando à posição embaraçosa dos Estados Unidos ficando sem o que é um dos melhores isótopos radioativos para usar em RTGs para missões de longa duração. Com uma meia-vida curta de 87,7 anos e apenas um decaimento alfa, o plutônio-238 é bastante benigno para o material circundante, ao mesmo tempo em que fornece grandes quantidades de energia térmica.
Com apenas plutônio-238 suficiente para dois MMRTGs nos rovers atuais de Marte e mais dois além, os Estados Unidos Reinicie agora Produção de plutônio-238. Embora o plutônio-238 possa ser criado através de vários métodos diferentes, o método preferido parece ser usar um estoque de neptúnio-237 e expô-lo a nêutrons em reatores de fissão ou fontes de nêutrons semelhantes, para gerar plutônio-238 por captura de nêutrons. Segundo a NASA, cerca de 1,5 kg de plutônio-238 por ano deve ser suficiente para atender à demanda de futuras missões espaciais.
Pequena nave espacial no escuro
Viajante 1 está atualmente a uma distância de 159,14 UA (23,807 bilhões de km) da Terra e Viajante 2 É apenas marginalmente mais próximo em 133,03 UA do que a Terra. Como um projeto que tem suas raízes na Corrida Espacial e acabou vivendo depois não apenas de muitos de seus criadores, mas também da geopolítica da época, talvez seja uma das poucas constantes feitas pelo homem com as quais todos podemos nos identificar de alguma forma. moda.
Como portadores dos discos dourados que contêm a essência da humanidade, a extensão de vida dessas espaçonaves vai além da mera ciência que podem fazer, na escuridão do espaço profundo. Com cada ano adicional, podemos aprender um pouco mais e ver mais do que espera a humanidade além do alcance deste sistema solar mais ou menos comum.