Misi angkasa yang berlangsung beberapa dekad - atau lebih lama lagi - memerlukan bekalan elektrik generasi baru.
Sistem kuasa adalah komponen penting kapal angkasa. Sistem ini mesti sangat dipercayai dan dirancang untuk menahan persekitaran yang keras.
Peranti canggih masa kini memerlukan lebih banyak tenaga - apakah masa depan bekalan kuasa mereka?
Telefon pintar moden rata-rata hampir tidak dapat bertahan sehari dengan sekali caj. Dan siasatan Voyager, dilancarkan 38 tahun yang lalu, masih menghantar isyarat ke Bumi setelah meninggalkan sistem suria.
Komputer Voyager mampu 81 ribu operasi sesaat - tetapi pemproses telefon pintar tujuh ribu kali lebih pantas.
Semasa merancang telefon, tentu saja, diasumsikan bahawa ia akan diisi ulang secara berkala dan tidak mungkin berjarak beberapa juta kilometer dari outlet terdekat.
Ia tidak akan berfungsi untuk mengecas bateri kapal angkasa, yang, menurut rancangannya, seharusnya terletak seratus juta kilometer dari sumber semasa, ia tidak akan berfungsi - ia perlu membawa bateri dengan kapasiti yang mencukupi untuk beroperasi selama beberapa dekad, atau menghasilkan elektrik sendiri.
Ternyata agak sukar untuk menyelesaikan masalah reka bentuk seperti itu.
Video promosi:
Sebilangan peranti dalam pesawat hanya memerlukan elektrik dari semasa ke semasa, tetapi yang lain perlu sentiasa beroperasi.
Penerima dan pemancar harus selalu dihidupkan, dan dalam penerbangan berawak atau di stesen angkasa berawak, sistem sokongan dan lampu hidup juga harus dihidupkan.
Dr. Rao Surampudi mengetuai Program Teknologi Tenaga di Jet Propulsion Laboratory di Institut Teknologi California di Amerika Syarikat. Selama lebih dari 30 tahun dia mengembangkan sistem kuasa untuk pelbagai kenderaan NASA.
Menurutnya, sistem tenaga biasanya menyumbang sekitar 30% daripada jumlah jisim kapal angkasa. Ia menyelesaikan tiga tugas utama:
- penjanaan elektrik
- simpanan elektrik
- pengagihan elektrik
Semua bahagian sistem ini sangat penting untuk operasi radas. Mereka mesti ringan, tahan lama dan mempunyai "ketumpatan tenaga" yang tinggi - iaitu, menghasilkan banyak tenaga dengan isipadu yang agak kecil.
Selain itu, mereka mesti dipercayai, kerana menghantar seseorang ke angkasa untuk memperbaiki kerosakan sangat tidak praktikal.
Sistem ini bukan sahaja menjana tenaga yang mencukupi untuk semua keperluan, tetapi juga melakukannya sepanjang penerbangan - dan dapat bertahan selama beberapa dekad, dan di masa depan, mungkin selama berabad-abad.
"Kehidupan reka bentuk harus panjang - jika sesuatu pecah, tidak akan ada yang dapat diperbaiki," kata Surampudi. "Penerbangan ke Musytari memakan waktu lima hingga tujuh tahun, ke Pluto lebih dari 10 tahun, dan diperlukan 20 hingga 30 tahun untuk meninggalkan sistem suria."
Sistem kuasa kapal angkasa berada dalam keadaan yang sangat spesifik - ia mesti tetap beroperasi tanpa adanya graviti, dalam keadaan hampa, di bawah pengaruh radiasi yang sangat kuat (yang akan mematikan kebanyakan alat elektronik konvensional) dan suhu yang melampau.
"Sekiranya anda mendarat di Venus, maka 460 darjah akan berada di atas laut," kata pakar. "Dan ketika mendarat di Musytari, suhunya akan minus 150".
Kapal angkasa yang menuju ke pusat sistem suria tidak kekurangan tenaga yang dikumpulkan oleh panel fotovoltaik mereka.
Panel ini kelihatan sedikit berbeza dengan panel solar yang dipasang di bumbung bangunan kediaman, tetapi pada masa yang sama ia berfungsi dengan kecekapan yang jauh lebih tinggi.
Ia sangat panas berhampiran cahaya matahari dan panel PV boleh terlalu panas. Untuk mengelakkan ini, panel dipalingkan dari Matahari.
Di orbit planet, panel fotovoltaik kurang cekap: mereka menghasilkan lebih sedikit tenaga, kerana dari semasa ke semasa mereka dipagari dari Matahari oleh planet itu sendiri. Dalam keadaan seperti ini, diperlukan sistem penyimpanan tenaga yang boleh dipercayai.
Penyelesaian atom
Sistem sedemikian dapat dibina berdasarkan bateri nikel-hidrogen, yang dapat bertahan lebih dari 50 ribu kitaran pengisian dan bertahan lebih dari 15 tahun.
Tidak seperti bateri konvensional, yang tidak berfungsi di ruang angkasa, bateri ini ditutup dan boleh berfungsi secara normal dalam keadaan hampagas.
Ketika kita menjauh dari Matahari, tahap radiasi matahari secara semula jadi menurun: untuk Bumi adalah 1374 watt per meter persegi, untuk Musytari - 50, dan untuk Pluto - hanya satu watt per meter persegi.
Oleh itu, jika kapal angkasa meninggalkan orbit Musytari, maka ia menggunakan sistem tenaga atom.
Yang paling biasa di antaranya ialah penjana termoelektrik radioisotop (RTG) yang digunakan pada probe Voyager dan Cassini dan pada Curiosity rover.
Tidak ada bahagian bergerak dalam bekalan kuasa ini. Mereka menjana tenaga dengan menguraikan isotop radioaktif seperti plutonium. Hayat perkhidmatan mereka melebihi 30 tahun.
Sekiranya tidak mungkin menggunakan RTG (misalnya, jika layar yang terlalu besar untuk penerbangan diperlukan untuk melindungi kru dari radiasi), dan panel fotovoltaik tidak sesuai kerana jarak yang terlalu jauh dari Matahari, maka sel bahan bakar dapat digunakan.
Sel bahan bakar hidrogen-oksigen digunakan dalam program angkasa Amerika Gemini dan Apollo. Sel-sel ini tidak dapat diisi ulang, tetapi mereka mengeluarkan banyak tenaga, dan produk sampingan dari proses ini adalah air, yang kemudian dapat diminum oleh kru.
NASA dan Jet Propulsion Laboratory berusaha untuk mewujudkan sistem yang lebih kuat, berintensifkan tenaga dan padat dengan jangka hayat yang tinggi.
Tetapi kapal angkasa baru memerlukan lebih banyak tenaga: sistem kapal mereka sentiasa menjadi rumit dan menggunakan banyak elektrik.
Hal ini terutama berlaku untuk kapal yang menggunakan pemacu elektrik - contohnya, alat pendorong ion, pertama kali digunakan pada probe Deep Space 1 pada tahun 1998 dan sejak itu tersebar luas.
Motor elektrik biasanya berfungsi dengan mengeluarkan bahan api secara elektrik pada kelajuan tinggi, tetapi ada juga yang mempercepat alat melalui interaksi elektrodinamik dengan medan magnet planet.
Sebilangan besar sistem tenaga bumi tidak mampu beroperasi di angkasa. Oleh itu, apa-apa skema baru menjalani beberapa ujian serius sebelum dipasang di kapal angkasa.
Makmal NASA mencipta semula keadaan yang sukar di mana peranti baru harus berfungsi: ia disinari dengan radiasi dan mengalami perubahan suhu yang melampau.
Ke arah perbatasan baru
Ada kemungkinan bahawa generator radioisotop Stirling yang lebih baik akan digunakan dalam penerbangan masa depan. Mereka menggunakan prinsip yang serupa dengan RTG, tetapi jauh lebih cekap.
Di samping itu, mereka boleh dibuat sangat kecil - walaupun reka bentuknya lebih rumit.
Bateri baru sedang dibina untuk penerbangan yang dirancang NASA ke Eropah, salah satu bulan Musytari. Mereka akan dapat beroperasi pada suhu antara -80 hingga -100 darjah.
Dan bateri lithium-ion baru yang diusahakan oleh pereka akan mempunyai kapasiti dua kali ganda daripada bateri semasa. Dengan bantuan mereka, angkasawan boleh, misalnya, menghabiskan dua kali lebih lama di permukaan bulan sebelum kembali ke kapal untuk mengisi semula.
Panel solar baru juga sedang dirancang yang dapat mengumpulkan tenaga dengan cekap dalam cahaya dan suhu rendah - ini akan membolehkan peranti pada panel fotovoltaik terbang dari Matahari.
Pada tahap tertentu, NASA berhasrat untuk membuat pangkalan tetap di Marikh - dan mungkin di planet yang lebih jauh.
Sistem tenaga penempatan seperti itu harus jauh lebih kuat daripada yang digunakan di angkasa sekarang, dan dirancang untuk operasi yang lebih lama.
Terdapat banyak helium-3 di bulan - isotop ini jarang dijumpai di Bumi dan merupakan bahan bakar yang ideal untuk loji tenaga termonuklear. Namun, belum tentu dapat mencapai kestabilan peleburan termonuklear yang mencukupi untuk menggunakan sumber tenaga ini dalam kapal angkasa.
Sebagai tambahan, reaktor termonuklear yang ada sekarang menempati kawasan hangar pesawat, dan dalam bentuk ini mustahil untuk menggunakannya untuk penerbangan angkasa.
Adakah mungkin menggunakan reaktor nuklear konvensional - terutama pada kenderaan dengan pendorong elektrik dan dalam misi yang dirancang ke Bulan dan Marikh?
Dalam kes ini, koloni tidak perlu menjalankan sumber elektrik yang berasingan - reaktor kapal boleh memainkan peranannya.
Untuk penerbangan jangka panjang, kemungkinan baling-baling elektrik atom digunakan.
"Misi Defleksi Asteroid memerlukan panel suria yang besar untuk memiliki tenaga elektrik yang cukup untuk bergerak di sekitar asteroid," kata Surampudi. "Kami sedang mempertimbangkan pilihan penggerak elektrik suria, tetapi elektrik atomik lebih murah."
Namun, kita tidak mungkin melihat kapal angkasa berkuasa nuklear dalam masa terdekat.
“Teknologi ini belum cukup berkembang. Kita mesti benar-benar yakin dengan keselamatannya sebelum melancarkan peranti sedemikian ke angkasa,”jelas pakar.
Ujian ketat lebih lanjut diperlukan untuk memastikan bahawa reaktor mampu menahan ketegangan penerbangan angkasa.
Semua sistem tenaga yang menjanjikan ini akan membolehkan kapal angkasa bertahan lebih lama dan terbang jarak jauh - tetapi sejauh ini ia berada di peringkat awal pembangunan.
Apabila ujian berjaya diselesaikan, sistem sedemikian akan menjadi komponen wajib penerbangan ke Mars - dan seterusnya.
