Sistem bekalan kuasa (bekalan kuasa, jika lebih mudah, kerana mesin juga perlu memakan sesuatu) adalah bahagian penting dalam kapal angkasa. Mereka harus bekerja dalam keadaan yang teruk dan boleh dipercayai. Namun, dengan permintaan tenaga kapal angkasa yang kompleks yang semakin meningkat, kita akan memerlukan teknologi baru pada masa akan datang. Misi yang akan berlangsung selama beberapa dekad memerlukan bekalan elektrik generasi baru. Apa pilihan?
Telefon bimbit terbaru hampir tidak dapat bertahan sehari tanpa perlu dicolokkan ke soket elektrik. Tetapi siasatan Voyager, yang dilancarkan 38 tahun yang lalu, masih mengirimkan maklumat kepada kita dari luar sistem suria. Probe Voyager mampu memproses 81,000 arahan setiap saat dengan cekap, tetapi rata-rata telefon pintar 7,000 kali lebih pantas.
Telefon bimbit anda, tentu saja, dilahirkan untuk dicas semula secara berkala dan tidak mungkin menempuh jarak beberapa juta kilometer dari kedai terdekat. Adalah tidak praktikal untuk mengisi semula kapal angkasa yang berjarak 100 juta kilometer dari stesen terdekat. Sebaliknya, kapal angkasa mesti mampu menyimpan atau menghasilkan tenaga yang cukup untuk menavigasi ruang selama beberapa dekad. Dan ini, ternyata, sukar diatur.
Walaupun beberapa sistem onboard hanya memerlukan tenaga, kadangkala yang lain mesti sentiasa berjalan. Transponder dan penerima mesti aktif setiap masa, dan dalam kes penerbangan atau stesen angkasa berawak, sistem penyokong hidup dan pencahayaan juga mesti berfungsi.
Dr. Rao Surampudi adalah Pengurus Program Teknologi Tenaga di Jet Propulsion Laboratory di Institut Teknologi California. Selama lebih dari 30 tahun dia mengembangkan sistem bekalan kuasa untuk pelbagai kapal angkasa NASA.
Menurut Surampudi, sistem tenaga kapal angkasa menyumbang kira-kira 30% dari jisim pengangkutan dan dapat dipecah menjadi tiga subkelompok penting:
penjanaan kuasa;
Video promosi:
simpanan tenaga;
pengurusan dan pengagihan kuasa
Sistem ini sangat penting untuk fungsi kapal angkasa. Mereka mesti mempunyai jisim yang rendah, hidup lama dan "pekat bertenaga," iaitu menghasilkan banyak tenaga dari jumlah yang agak kecil. Mereka juga perlu dipercayai, kerana beberapa perkara di ruang angkasa hampir tidak realistik atau tidak praktikal untuk diperbaiki.
Sistem-sistem ini bukan sahaja dapat memberikan kekuatan untuk semua keperluan kapal, tetapi juga dapat melakukannya sepanjang keseluruhan misi - beberapa di antaranya dapat bertahan puluhan atau ratusan tahun.
"Jangka hayat harus panjang, kerana jika ada yang salah, anda tidak dapat memperbaikinya," kata Surampudi. "Perlu lima hingga tujuh tahun untuk sampai ke Musytari, lebih dari sepuluh tahun ke Pluto, tetapi meninggalkan sistem suria adalah 20-30 tahun."
Oleh kerana persekitaran yang unik di mana mereka beroperasi, sistem bekalan kuasa kapal angkasa mesti dapat beroperasi dalam graviti sifar dan dalam vakum, serta menahan radiasi kolosal (biasanya, elektronik tidak berfungsi dalam keadaan seperti itu). "Jika anda mendarat di Venus, suhu dapat mencapai 460 darjah Celsius, tetapi di Musytari mereka dapat turun hingga -150 darjah."
Kapal angkasa, yang menuju ke pusat sistem suria kita, akan menerima banyak tenaga suria untuk panel fotovoltaiknya. Panel solar kapal angkasa mungkin kelihatan seperti panel solar biasa untuk kediaman kita, tetapi dirancang untuk berfungsi dengan lebih cekap daripada di rumah.
Kenaikan suhu secara tiba-tiba dari jarak dekat dengan matahari juga boleh menyebabkan panel solar terlalu panas. Ini dikurangi dengan memutar panel suria dari Matahari, yang membatasi pendedahan kepada sinar yang kuat.
Apabila kapal angkasa memasuki orbit planet, sel suria menjadi kurang cekap; mereka tidak dapat menghasilkan banyak tenaga kerana gerhana dan melewati bayangan planet ini. Sistem penyimpanan tenaga yang boleh dipercayai diperlukan.
Atom bertindak balas
Salah satu jenis sistem simpanan tenaga adalah bateri nikel-hidrogen, yang dapat diisi ulang lebih dari 50,000 kali dan mempunyai jangka hayat lebih dari 15 tahun. Tidak seperti bateri komersial, yang tidak beroperasi di luar angkasa, bateri ini adalah sistem tertutup rapat yang dapat beroperasi dalam keadaan hampa.
Ketika anda terbang jauh dari Matahari, radiasi suria secara beransur-ansur menurun dari 1,374 W / m2 di sekitar Bumi menjadi 50 W / m2 dekat Musytari, sementara Pluto sudah berjumlah sekitar 1 W / m2. Oleh itu, ketika kapal angkasa terbang dari orbit Musytari, para saintis beralih ke sistem atom untuk memberi tenaga kapal angkasa.
Jenis yang paling biasa adalah penjana termoelektrik radioisotop (RTGs pendek), yang telah digunakan pada Voyager, Cassini, dan Curiosity rover. Mereka adalah peranti keadaan pepejal yang tidak mempunyai bahagian yang bergerak. Mereka menghasilkan haba semasa pelanggaran radioaktif unsur-unsur seperti plutonium dan jangka hayat lebih dari 30 tahun.
Apabila penggunaan RTG tidak mungkin - misalnya, jika berat pelindung yang diperlukan untuk melindungi kru menjadikan kenderaan tidak praktikal - dan jarak dari Matahari menghalangi penggunaan panel suria, maka sel bahan bakar dipusingkan.
Sel bahan bakar hidrogen-oksigen digunakan semasa misi angkasa Apollo dan Gemini. Walaupun sel bahan bakar hidrogen-oksigen tidak dapat diisi semula, mereka mempunyai tenaga spesifik yang tinggi dan tidak meninggalkan air untuk diminum oleh angkasawan.
Penyelidikan yang berterusan oleh NASA dan JPL akan membolehkan sistem kuasa masa depan menjana dan menyimpan lebih banyak tenaga menggunakan lebih sedikit ruang dan untuk jangka masa yang lebih lama. Walaupun begitu, kapal angkasa baru memerlukan lebih banyak cadangan kerana sistem kapal terbang mereka menjadi lebih kompleks dan lapar akan tenaga.
Keperluan tenaga yang tinggi terutama berlaku apabila kapal angkasa menggunakan sistem pendorong elektrik seperti ion thruster, pertama kali dihantar ke Deep Space 1 pada tahun 1998 dan masih berjaya digunakan pada kapal angkasa. Sistem pendorong elektrik biasanya mengeluarkan bahan bakar dengan elektrik pada kelajuan tinggi, tetapi yang lain menggunakan tali elektrodinamik yang berinteraksi dengan medan magnet planet untuk menggerakkan kapal angkasa.
Sebilangan besar sistem tenaga di Bumi tidak akan berfungsi di angkasa. Oleh itu, mana-mana sistem bekalan kuasa baru mesti diuji dengan teliti sebelum dipasang di kapal angkasa. NASA dan JPL menggunakan makmal mereka untuk mensimulasikan keadaan yang teruk di mana teknologi baru ini akan beroperasi, mengebom komponen dan sistem baru dengan radiasi dan mendedahkannya pada suhu yang melampau.
Kehidupan tambahan
Generator radioisotop yang sedang bergerak kini sedang dipersiapkan untuk misi masa depan. Berdasarkan RTG yang ada, penjana ini jauh lebih efisien daripada adik-beradik termoelektrik mereka, dan boleh menjadi jauh lebih kecil, walaupun dengan susunan yang lebih kompleks.
Jenis bateri baru juga sedang dikembangkan untuk misi yang dirancang NASA ke Europa (salah satu bulan Musytari). Mereka mesti beroperasi dalam lingkungan suhu -80 hingga -100 darjah celcius. Kemungkinan membuat bateri lithium-ion canggih dengan dua kali ganda tenaga yang disimpan sedang dikaji. Mereka membolehkan angkasawan menghabiskan dua kali lebih lama di bulan sebelum bateri habis.
Panel solar baru sedang dikembangkan yang akan dapat beroperasi dalam keadaan intensitas cahaya dan suhu yang berkurang, iaitu, kapal angkasa akan dapat beroperasi pada tenaga suria yang lebih jauh dari Matahari.
Suatu hari NASA akhirnya akan memutuskan untuk membina pangkalan tetap di Marikh dengan orang, dan mungkin di planet lain. Agensi ini memerlukan sistem penjanaan kuasa yang jauh lebih hebat daripada yang ada.
Bulan kaya dengan helium-3, unsur langka di Bumi yang dapat menjadi bahan bakar ideal untuk peleburan nuklear. Walau bagaimanapun, setakat ini sintesis seperti itu tidak dianggap stabil atau cukup dipercayai untuk menjadi asas kepada bekalan kuasa kapal angkasa. Sebagai tambahan, reaktor peleburan khas, seperti tokamak, berukuran seukuran rumah dan tidak akan sesuai dengan kapal angkasa.
Bagaimana dengan reaktor nuklear yang sesuai untuk kapal angkasa berkuasa elektrik dan misi yang dirancang untuk mendarat di Bulan dan Marikh? Daripada membawa sistem bekalan kuasa yang terpisah ke koloni, penjana nuklear kapal angkasa itu dapat digunakan.
Kapal angkasa dengan enjin jenis elektrik-nuklear dipertimbangkan untuk misi jangka panjang di masa depan. "Misi pengalihan asteroid memerlukan panel suria yang kuat yang akan menyediakan tenaga elektrik yang cukup untuk kapal angkasa untuk bergerak di sekitar asteroid," kata Surampudi. "Pada suatu ketika kami akan melancarkannya dengan tenaga suria, tetapi dengan tenaga nuklear, semuanya akan jauh lebih murah."
Namun, kita tidak akan melihat kapal angkasa berkuasa nuklear selama bertahun-tahun. "Teknologi ini belum matang," kata Surampudi. "Kami perlu memastikan mereka selamat setelah dilancarkan." Mereka harus menjalani ujian yang ketat untuk menunjukkan sama ada selamat untuk memaparkan pemasangan nuklear tersebut ke ujian luar angkasa yang keras."
Sistem bekalan tenaga baru akan membolehkan kapal angkasa beroperasi lebih lama dan bergerak lebih jauh, tetapi masih hanya pada awal pengembangannya. Apabila diuji, mereka akan menjadi komponen penting untuk misi berawak ke Marikh dan seterusnya.
