NASA のボイジャー宇宙探査機のバックアップ電源、および複雑な RTG ベースの電源システム

ボイジャー 1 号と 2 号の探査機は 1977 年に打ち上げられ、45 年以上ノンストップで活動しており、地球から太陽系の外惑星、さらにその先へと進んでいます。 打ち上げ時に 470 ワットを供給した放射性同位体熱電発電機 (RTG) のおかげで、照らされた太陽系の範囲内で行ったように、深宇宙の暗闇で動作することができます。 ただし、宇宙には真に無限のものは存在しないため、これらの RTG は、放射源の自然な減衰または熱電対の劣化によるものであるかにかかわらず、時間の経過とともに摩耗します。

このように強度が徐々に低下しているにもかかわらず、NASA 最近発表された そのボイジャー 2 には、まだ未知のバックアップ電源があり、さらに数年後にはさらに多くの科学機器をシャットダウンするのが遅れるでしょう。 この変更により、通常の回路電圧と関連するバックアップ電源システムが基本的にバイパスされ、何年も前にシャットダウンし始めたであろう科学機器のために消費される電力が解放されます。

それ自体は朗報ですが、ボイジャーの 45 年前のマルチ ハンドレッド ワット (MHW) は、17 年後もニュー ホライズンズ プローブと火星科学研究所 (キュリオシティ) に電力を供給している RTG の先祖であるため、注目に値します。 10 年以上にわたり、RTG の価値は長期探査ミッションで示されてきました。

RTG の基本原理は非常にシンプルですが、米国の SNAP-3 RTG が搭載されてから、その設計は劇的に変化しました。 クロッシング 1961年の衛星4B。

力の必要性

地球上でさえ、何年も何十年も持続する信頼できるエネルギー源を見つけるのは難しい場合があります。そのため、NASA の補助原子力システム (NASA) はポップ開発プログラムでは、地上および宇宙での使用を目的とした RTG が作成されており、SNAP-3 は最初に宇宙に到達しました。 指定された RTG は 2.5 ワットしか生成せず、衛星にはソーラー パネルと NiCd バッテリーも搭載されていました。 しかし、宇宙 RTG のテストベッドとして、SNAP-3 はその後の NASA ミッションの基礎を築きました。

SNAP-19 はバイキング着陸船 1 号機と 2 号機、およびパイオニア 10 号機と 11 号機に電力 (RTG あたり約 30 ワット) を供給しました。5 つの SNAP-27 モジュールがアポロ月面実験パッケージに電力を供給しました (アルセップ) アポロの宇宙飛行士 12、14、15、16、17 によって月面に残されました。 各 SNAP-27 は、定格 1250 ワットの 3.8 kg プルトニウム 238 燃料棒から 30 V DC で約 75 ワットの電力を供給しました。 10 年後、SNAP-27 はまだ定格電力の 90% 以上を生成しており、各 ALSEP は月震に関するデータや、電力バジェットが許す限り機器によって記録されたその他の情報を送信できます。

アポロ計画の支援活動が 1977 年に終了するまでに、ALSEP は送信機のみが動作する状態で残されました。 アポロ 13 号の SNAP-27 モジュール (月着陸船の外側に取り付けられている) は地球に帰還し、太平洋のトンガ海溝の底に無傷で残っています。

RTG の相対的な非効率性は、当時でも明らかでしたが、 スナップ-10A 500 ワットの核分裂反応炉をイオン エンジン駆動衛星に組み込んだ実験で、SNAP RTG を容易に凌駕しました。 熱電対ベースの RTG は、単位体積と核燃料あたりの電力がより強力ですが、可動部品がまったくなく、受動的な冷却要件のみが必要であるという利点があります。 これにより、宇宙探査機、衛星、または乗り物に文字通り貼り付けられ、熱放射および/または対流によって冷却面が提供されます。 熱の.

これらの熱電対が使用されます ゼーベック効果、逆のペルチェ効果で、2つの異なる導電性材料間の温度勾配を本質的に発電機に変換します。 熱電対に基づく RTG の課題の大部分は、最も効率的で耐久性のあるマウントを見つけることです。 ランキン、ブレイトン、スターリング サイクル RTG も試されましたが、機械部品を動かすという明らかな欠点があり、シールと潤滑が必要です。

ボイジャーの推定寿命45年を考えると MHW-RTG 比較的古いシリコン-ゲルマニウム (SiGe) 熱電対では、機械部品を追加することの欠点は明らかです。 特にこれまでの 2 世代の MHW RTG の後継者を考えると。

1970 年代の RTG ではありません

ボイジャーの MHW-RTG は、NASA によってミッションのために特別に開発されましたが、その後継者は、創造的に「 汎用熱源 (GPHSRTG はゼネラル エレクトリックの宇宙部門によって設計され、その後、ユリシーズ (1990-2009)、ガリレオ (1989-2003)、カッシーニ-ホイヘンス (1997-2017)、ニュー ホライズンズ (2006-) ミッションで使用されました。 各 GPHS-RTG は、同様のシリコンおよびゲルマニウム熱電対を使用して、4400 ワットの熱電対から約 300 ワットの電力を生成します。

ここで興味深い点は、太陽電池式の火星探査機でさえ、放射性同位体加熱モジュールの形ではあるが、放射性同位体モジュールを含んでいることです (リュー）、 とともに ソジャーナローバー そのような 3 つの RHU の存在、f 精神とチャンス それぞれ 8 つの RHU。 これらの RHU は一定の熱源を提供し、ソーラー パネルとバッテリーからのわずかな電力をヒーターの実行以外のタスクに使用できるようにします。

そんな中、現在活躍中の火星探査機は、 好奇心 デュアル抵抗器で、1 つのデバイスから電気エネルギーと熱を取得します。 多機能放射性同位体熱電発電機 (mmrtg) 孤独。 これらの RTG セットは、PbTe/TAGS 強誘電体ペアを使用します。これは、ペアの片側に鉛/テルル合金、反対側にテルル (Te)、銀 (Ag)、ゲルマニウム (Ge)、およびアンチモン (Sb) を意味します。 MMRTG は最大 17 寿命と評価されていますが、MHW-RTG などと比べて大幅に設計仕様を上回る可能性があります。 MMRTG を含むプルトニウム 238 燃料は、燃料を損傷から保護する役目を果たす汎用熱源ユニット (GPHS) に含まれています。

主要 故障モード SiGe 熱電対のうち、ゲルマニウムは時間とともに移動し、昇華を引き起こしました。 これは、SiGe熱電対を窒化シリコンでコーティングすることにより、後の設計で防止されました。 PbTe / TAGS熱電対は、この点でさらなる安定性を提供するはずであり、好奇心と持続性のMMRTGは、実際の持続時間テストとして機能しました。

燃料の問題

ボイジャー 1 号と 2 号の探査機は、主要なサービスとメンテナンス セッションの邪魔にならないので、NASA はエネルギー使用を最適化するために工夫を凝らさなければなりませんでした。 1970 年代には、各宇宙探査機の 3 つの RTG のいずれかからの電力変動が発生した場合に備えて、バックアップ電源回路が必要であると考えられていた可能性がありますが、必要ではない可能性があるという示唆を裏付ける十分な実世界の観測データがあります。エキゾチックな効果を除いて. .

ボイジャー RTG からの約 46 年間のデータにより、熱電対の安定性が一定の電力出力を維持するために必要であることがわかります。 プルトニウム-238 燃料源は、モデル化と予測がはるかに簡単です。 MMRTG を使用することで、時間の経過とともに熱電対が劣化する原因となる多くの問題に対処できるようになりました。 欠落している唯一のコンポーネントは、プルトニウム 238 燃料です。

米国が持っていたプルトニウム 238 のほとんどは、サバンナ川のサイト (SRS）1988年にこの施設とそれ自身の原子炉を閉鎖する前に。 その後、米国はロシアからPu-238プルトニウムを輸入していたが、ロシアの備蓄も枯渇し始め、米国の恥ずかしい立場につながった。長期ミッションの RTG で使用するのに最適な放射性同位元素のリストです。 半減期が 87.7 年と短く、アルファ崩壊のみのプルトニウム 238 は、大量の熱エネルギーを提供しながら、周囲の物質に対してかなり無害です。

プルトニウム 238 は、現在の火星探査機に搭載されている 2 つの MMRTG と、さらに 2 つの MMRTG に必要な量しか残っていないため、米国は 今すぐ再起動 プルトニウム 238 の製造. プルトニウム 238 はいくつかの異なる方法で作成できますが、好ましい方法は、ネプツニウム 237 のストックを使用し、それを核分裂炉または同様の中性子源で中性子にさらすことです。中性子捕獲。 NASA によると、将来の宇宙ミッションの需要を満たすには、年間約 1.5 kg のプルトニウム 238 で十分なはずです。

暗闇の中の小さな宇宙船

ボイジャー1号 現在、地球から 159.14 天文単位 (238 億 7000 万 km) の距離にあり、 ボイジャー 2 それは 133.03 天文単位で、地球よりわずかに近いだけです。 Space Race にルーツを持ち、多くのクリエイターだけでなく、当時の地政学の影響を受けて生き残ったプロジェクトとして、これはおそらく、私たちが何らかの形で認識できる数少ない人工の定数の 1 つです。 ファッション。

人類の本質を含んだ黄金の円盤を運ぶこの宇宙船の延命は、深宇宙の闇の中で、彼らができる単なる科学を超えています。 年を追うごとに、私たちはもう少し学び、この多かれ少なかれ普通の太陽系の手の届かないところに人類を待ち受けているものをもっと見ることができるかもしれません.