مولدات المشعة – داخل “البطاريات النووية” التي تعمل على تشغيل المركبة الفضائية البعيدة

قد لا يبدو تشغيل المركبات الفضائية ذات الطاقة الشمسية بمثابة تحد ، بالنظر إلى مدى شعبية ضوء الشمس على الأرض. تستخدم المركبة الفضائية بالقرب من الأرض ألواح شمسية كبيرة لتسخير الشمس للكهرباء اللازمة لتشغيل أنظمة الاتصالات وأدوات العلوم.

ومع ذلك ، كلما كانت المساحة التي تذهب إليها ، كلما أصبح ضوء الشمس أضعف وأقل فائدة بالنسبة إلى أنظمة تشغيل الألواح الشمسية. حتى في النظام الشمسي الداخلي ، تحتاج المركبات الفضائية مثل القمر أو المريخ إلى مصادر قوة بديلة.

بصفتي عالم الفيزياء الفلكية وأستاذ الفيزياء ، أقوم بتدريس دورة هندسة الفضاء الطيران على مستوى كبير حول بيئة الفضاء. أحد الدروس الرئيسية التي أؤكد لطلابي هي مدى عدم ارتباط مساحة. في هذه البيئة المتطرفة حيث يجب على المركبة الفضائية تحمل المشاعل الشمسية المكثفة ، تقلبات الإشعاع ودرجة الحرارة من مئات الدرجات التي تقل عن صفر إلى مئات الدرجات فوق الصفر ، طور المهندسون حلولًا مبتكرة لتشغيل بعض من أكثر المهام الفضائية البعيدة والمعزولة.

إذن كيف يمكن للمهندسين مهامو الطاقة في المناطق الخارجية لنظامنا الشمسي وما بعده؟ الحل هو التكنولوجيا التي تم تطويرها في الستينيات استنادًا إلى المبادئ العلمية التي تم اكتشافها قبل قرنين من الزمان: المولدات الكهرومائية الحرارية ، أو RTGs.

RTGs هي في الأساس بطاريات تعمل بالطاقة النووية. ولكن على عكس بطاريات AAA في جهاز التحكم عن بُعد في التلفزيون ، يمكن لـ RTGs توفير الطاقة لعقود من الزمن بينما مئات الملايين إلى مليارات الأميال من الأرض.

الطاقة النووية

لا تعتمد المولدات الكهروإجهادية الحرارية المشعة على التفاعلات الكيميائية مثل البطاريات في هاتفك. بدلاً من ذلك ، يعتمدون على التحلل المشع للعناصر لإنتاج الحرارة والكهرباء في نهاية المطاف. في حين أن هذا المفهوم يبدو مشابهًا لمحطة الطاقة النووية ، فإن RTGs تعمل على مبدأ مختلف.

تم تصميم معظم RTGs باستخدام البلوتونيوم 238 كمصدر للطاقة ، وهو أمر غير قابل للاستخدام في محطات الطاقة النووية لأنه لا يحافظ على تفاعلات الانشطار. بدلاً من ذلك ، يعد Plutonium-238 عنصرًا غير مستقر سيخضع للتسوس المشع.

يحدث الانحلال المشع ، أو التحلل النووي ، عندما تنبعث نواة ذرية غير مستقرة بشكل تلقائي وعشوائي الجسيمات والطاقة للوصول إلى تكوين أكثر استقرارًا. غالبًا ما تتسبب هذه العملية في تغيير العنصر إلى عنصر آخر ، لأن النواة يمكن أن تفقد البروتونات.

عندما يتحلل البلوتونيوم -238 ، ينبعث من جزيئات ألفا ، والتي تتكون من بروتونات ونيوترونات. عندما يطلق البلوتونيوم -238 ، الذي يبدأ بـ 94 بروتونًا ، جسيم ألفا ، فإنه يفقد بروتونات ويتحول إلى اليورانيوم -234 ، الذي يحتوي على 92 بروتونات.

تتفاعل جزيئات ألفا هذه ونقلها إلى الطاقة المحيطة بالبلوتونيوم ، والتي تسخن تلك المادة. يطلق الانحلال المشع للبلوتونيوم -238 طاقة كافية يمكن أن يتوهج باللون الأحمر من الحرارة الخاصة به ، وهي هذه الحرارة القوية هي مصدر الطاقة لتشغيل RTG.

الحرارة كطاقة

يمكن أن تتحول المولدات الكهروإجهادية عن طريق المشعة إلى الكهرباء باستخدام مبدأ يسمى تأثير SEEBECK ، الذي اكتشفه العالم الألماني Thomas Seebeck في عام 1821. وكفائدة إضافية ، يمكن أن تساعد الحرارة من بعض أنواع RTGs في الحفاظ على الإلكترونيات والمكونات الأخرى للمهمة العميقة الدافئة والعمل بشكل جيد.

في شكله الأساسي ، يصف تأثير SEEBECK كيف ينتج سلكان من مواد موصلة مختلفة في حلقة تيارًا في تلك الحلقة عند تعرضه لفرقة درجة الحرارة.

وتسمى الأجهزة التي تستخدم هذا المبدأ الأزواج الحرارية ، أو المزدوجات الحرارية. تتيح هذه المزدوجات الحرارية RTGs لإنتاج الكهرباء من الفرق في درجة الحرارة التي تم إنشاؤها بواسطة حرارة البلوتونيوم -238 تحلل والبرد البارد من الفضاء.

تصميم مولد كهروضوئي

في مولد كهروضوئي أساسي ، لديك حاوية من البلوتونيوم -238 ، مخزنة في شكل بلوتونيوم ديوكسيد ، وغالبًا ما تكون في حالة خزفية صلبة توفر أمانًا إضافيًا في حالة وقوع حادث. تحيط مادة البلوتونيوم بطبقة واقية من عزل الرقائق التي يتم إرفاق مجموعة كبيرة من المزدوجات الحرارية. التجميع كله داخل غلاف الألومنيوم الواقي.

يتم الحفاظ على الجزء الداخلي من RTG وجانب واحد من المزدوج الحراري – على ما يقرب من 1000 درجة فهرنهايت (538 درجة مئوية) – في حين أن الجزء الخارجي من RTG والجانب الآخر من المزدوج الحراري يتعرضون للمساحة. يمكن أن تكون هذه الطبقة خارج الفضاء باردة مثل بضع مئات من الدرجات فهرنهايت أقل من الصفر.

يسمح هذا الفرق القوي في درجة الحرارة لـ RTG بتحويل الحرارة من التحلل الإشعاعي إلى الكهرباء. هذه الكهرباء تعمل على تشغيل جميع أنواع المركبات الفضائية ، من أنظمة الاتصالات إلى أدوات العلوم إلى روفرز على المريخ ، بما في ذلك خمس بعثات ناسا الحالية.

لكن لا تشعر بالحماس الشديد لشراء RTG لمنزلك. مع التكنولوجيا الحالية ، يمكن أن تنتج فقط بضع مئات من واط من الطاقة. قد يكون ذلك كافيًا لتشغيل الكمبيوتر المحمول القياسي ، ولكن ليس بما يكفي لتشغيل ألعاب الفيديو مع وحدة معالجة الرسومات القوية.

بالنسبة لمهام الفضاء العميق ، فإن هذين المئات من واط أكثر من كافية.

الفائدة الحقيقية من RTGS هي قدرتها على توفير قوة متوقعة ومتسقة. إن التحلل الإشعاعي للبلوتونيوم ثابت – كل ثانية من كل يوم لعقود. على مدار حوالي 90 عامًا ، فإن نصف البلوتونيوم فقط في RTG سيكونون قد تلاشى. لا يتطلب RTG أجزاء متحركة لتوليد الكهرباء ، مما يجعلها أقل عرضة لتكسير أو التوقف عن العمل.

بالإضافة إلى ذلك ، لديهم سجل أمان ممتاز ، وهم مصممون للبقاء على قيد الحياة في استخدامهم العادي وأيضًا أن يكونوا آمنين في حالة وقوع حادث.

RTGs في العمل

كانت RTGs مفتاح نجاح العديد من نظام الطاقة الشمسية في ناسا ومهام الفضاء العميق. استخدمت مريخ الفضول والمثابرة روفرز والمركبة الفضائية الجديدة التي زارت بلوتو في عام 2015 RTGs. تسير New Horizons خارج النظام الشمسي ، حيث توفر RTGs الطاقة التي لا تستطيع الألواح الشمسية.

ومع ذلك ، لا توجد مهام تلتقط قوة RTGs تمامًا مثل مهام Voyager. أطلقت ناسا مركبة الفضاء المزدوجة Voyager 1 و Voyager 2 في عام 1977 للقيام بجولة في النظام الشمسي الخارجي ثم رحلة خارجها.

تم تجهيز كل حرفة بثلاثة RTGs ، مما يوفر ما مجموعه 470 واط من الطاقة عند الإطلاق. لقد مر ما يقرب من 50 عامًا منذ إطلاق تحقيقات Voyager ، ولا يزال كلاهما مهام علمية نشطة ، حيث قاموا بجمع البيانات وإرسالها إلى الأرض.

تبلغ مساحتها حوالي 15.5 مليار ميل و 13 مليار ميل (حوالي 25 مليار كيلومتر و 21 مليار كيلومتر) من الأرض ، على التوالي ، مما يجعلهم أكثر الأشياء البعيدة عن صنع الإنسان على الإطلاق. حتى في هذه المسافات الشديدة ، لا تزال RTGs الخاصة بهم توفر لهم قوة ثابتة.

هذه المركبة الفضائية هي شهادة على براعة المهندسين الذين صمموا لأول مرة RTGs في أوائل الستينيات.

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: بنيامين رولستون ، جامعة كلاركسون

اقرأ المزيد:

لا يعمل Benjamin Roulston مع أسهم أو استشارةها أو تلقيها من أي شركة أو مؤسسة ستستفيد من هذه المقالة ، ولم تكشف عن أي انتماءات ذات صلة تتجاوز تعيينها الأكاديمي.