Menggerakkan kapal angkasa Voyager dengan Sinaran: RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator)

How does a plastic comb attract paper? plus 9 more videos. #aumsum #kids #education #science #learn (Julai 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Menggerakkan kapal angkasa Voyager dengan Sinaran: RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator)


Program Voyager adalah persiapan awal untuk mengkaji beberapa planet luar dengan mengambil keuntungan dari penyelarasan antara Musytari, Zuhal, Uranus, dan Neptunus. Walau bagaimanapun, kedua-dua probe masih berfungsi dan menghantar data saintifik berharga lebih daripada 40 tahun selepas pelancarannya. Dalam artikel ini, kita akan melihat sumber kuasa untuk probe Voyager, Generator Elektrik Radioisotope.

Selamat datang ke siri artikel AAC yang meraikan misi Voyager! Sila periksa siri siri untuk mengetahui lebih lanjut:

  • Pengenalan
  • Komunikasi Jarak Jauh
  • Kawalan, Data, dan Kawalan Sikap Komputer
  • Kamera, Polarimeter, dan Magnetometer
  • Inframerah Interferometer, Spektrometer, dan Astronomi Radio

Masalah Ruang Dalam

Salah satu parameter misi yang paling penting dalam pemeriksaan Voyager ialah menghantar semula data saintifik dan gambar-gambar Jupiter dan Saturnus. Walau bagaimanapun, penjanaan kuasa dari jarak jauh dari matahari adalah masalah yang serius. Dengan mengandaikan senario kes terbaik, jarak antara Matahari dan Musytari adalah kira-kira 5.2AU dan dengan intensiti tenaga dari Matahari di bumi menjadi ~ 1300W / M2 maka keamatan tenaga anggaran dari Matahari pada Musytari ialah ~ 50W / M2. Kejatuhan dramatik ini dalam keamatan suria, walaupun hanya Musytari yang 5 kali lebih jauh dari Matahari berbanding Bumi adalah Matahari, disebabkan oleh undang-undang persegi songsang di mana intensiti pada jarak r adalah berkadaran dengan dataran songsang jarak itu. Sebagai contoh, jika jarak dari matahari berganda maka keamatan dikurangkan dengan faktor 4. Musytari, yang 5AU dari matahari, mempunyai intensiti 1/25 daripada yang terdapat di bumi.

Panel solar hebat … jika anda dekat dengan matahari! Gambar ihsan NASA

Jadi dengan hanya 50W / M2 tenaga dan dengan menganggap kecekapan panel solar sebanyak 15% (angka ini boleh dibahaskan), tenaga satu meter persegi panel solar menjadi 7.5W. Memandangkan bahawa siasatan akan memerlukan bekalan kuasa dekat dengan 400W, jumlah permukaan permukaan panel solar akan menjadi 53.3 M / 2. Pengiraan ini tidak mengambil kira pertemuan Saturnus (jarak 10AU), yang hanya mempunyai 10W / M2 radiasi matahari. Oleh itu, sumber kuasa yang lebih baik diperlukan dan oleh itu para jurutera di NASA memutuskan untuk pergi untuk Generator Elektrik Radioisotope.

Menggunakan Sinaran untuk Kuasa

"Sinaran" adalah istilah yang menggambarkan beberapa proses memindahkan jisim atau tenaga daripada atom. Radiasi elektromagnetik dicipta apabila elektron bergerak dari tenaga tinggi ke orbital rendah tenaga dan foton dihasilkan-radiasi jenis ini membolehkan Voyager untuk berkomunikasi tanpa wayar dengan Bumi. Sinaran nuklear berlaku apabila nukleon (proton dan neutron) menyusun semula diri mereka untuk bergerak dari tenaga yang tinggi ke zarah-zarah keadaan tenaga yang rendah dan foton dihasilkan dan ditangkap untuk menghasilkan haba-radiasi jenis ini menyediakan Voyager dengan kuasa.

Spektrum elektromagnet. Gambar ihsan OSHA

Mendalam kedalaman sinaran sinaran. Gambar ihsan dari Mirion

The RTGs pada probe Voyager bergantung pada Plutonium-238, yang mana terutamanya Alpha emitter. Radiasi alpha adalah jenis yang paling pengionan yang bermaksud bahawa ia mempunyai keupayaan yang kuat untuk melepaskan atom-atom lain dari elektron mereka. Tetapi, Alpha juga merupakan yang paling mudah untuk melindungi.

Generator Elektrik Radioisotope - Bagaimana Mereka Berfungsi

RTG asas terdiri daripada bahan radioaktif (sebaiknya satu dengan separuh hayat pendek seperti Plutonium 238 yang mempunyai separuh hayat 83 tahun), dan termokopel. Bahan radioaktif melepaskan tenaga terma apabila mereka mereput dan kesan pemanasan ini, secara semula jadi, dipanggil haba pereputan. Apabila atom mengalami kerosakan radioaktif, tenaga kinetik zarah-zarah yang dipancarkan ditukarkan menjadi tenaga terma. Tenaga terma ini kemudiannya digunakan pada "bahagian panas" termokopel dan "bahagian sejuk" disimpan seramai mungkin (dengan menggunakan sink haba). Hasilnya ialah penjanaan EMF di seluruh termokopel yang boleh digunakan secara langsung sebagai sumber elektrik.

Walaupun RTG asas mungkin kelihatan sederhana, terdapat banyak faktor yang perlu dipertimbangkan. Salah satu pertimbangan yang paling penting adalah keselamatan kepada manusia dan alam sekitar. Untuk RTG untuk menghasilkan kuasa yang boleh digunakan (beratus-ratus watts contohnya), bahan radioaktif yang digunakan mesti menghasilkan jumlah haba yang besar (beberapa kW). Bahan yang mempunyai separuh hayat pendek menjalani lebih banyak peleburan radioaktif sesaat daripada bahan dengan separuh hayat yang lebih lama. Haba yang dihasilkan oleh bahan radioaktif berkadar songsang dengan separuh hayatnya dan oleh itu bahan-bahan yang mempunyai separuh hayat pendek menghasilkan haba yang paling banyak. Ini sebabnya elemen seperti Plutonium-238, Strontium-90, dan Polonium-210 digunakan.

Generator Elektrik Radioisotope - Isu-isu

Bahan bakar RTG sangat radioaktif dan dengan itu menimbulkan ancaman yang boleh dipercayai kepada alam sekitar jika dibebaskan. Inilah sebabnya mengapa siasatan Cassini terhempas ke Saturnus kerana di atas RTG mungkin berpotensi membahayakan kehidupan yang belum ditemui pada bulan Saturnus. Oleh itu, RTG mengandungi banyak lapisan perlindungan untuk mencegah pembebasan bahan radioaktif. The Voyagers RTGs terdiri daripada perhimpunan bahan api (dirujuk sebagai sumber panas), dan penjana sebenar itu sendiri.

Bahan radioaktif terbahagi kepada banyak pelet (untuk mengelakkan massa kritikal yang akan menghasilkan tindak balas pembelahan), dengan setiap pelet ditempatkan dalam lingkungan yang kecil. Lingkaran ini terdiri daripada dua lapisan, satu shell kesan, dan satu shell impak pasca, yang membantu untuk mencegah pembebasan bahan radioaktif sekiranya berlaku kegagalan bencana. Lingkaran ini kemudiannya dimasukkan ke dalam bekas yang kemudian diletakkan di dalam penjana.

Penjana terdiri daripada banyak pasangan Uni-Ge yang menjana elektrik dan pasangan uni-pasangan juga dihubungkan dengan sirip yang membantu menghilangkan haba di bahagian sejuk termokopel melalui penyejukan radiasi.

Pertimbangan kedua yang lebih aneh harus diambil dengan RTGs yang merupakan gangguan. Bahan radioaktif boleh mengalami dua jenis kerosakan; kerosakan alfa dan kerosakan beta. Terlepas dari apa pun peluruhan yang terjadi, zarah gamma juga dipancarkan (kerana "tenaga sisa" dalam nukleus). Walaupun zarah alfa dan beta mudah diserap oleh RTG zarah gamma akan mudah dilalui. Ini boleh menjadi masalah serius bagi mana-mana instrumentasi dan / atau litar yang sensitif kerana bit boleh dibalikkan dan pengesanan palsu boleh dibuat oleh pengesan.

Oleh itu, RTG perlu dijauhkan dari peranti tersebut dan inilah sebab mengapa RTGs pada probe Voyager diletakkan pada ledakan jauh dari elektronik sensitif. Orientasi elektronik berada pada 180 darjah ke RTG kerana probe itu sendiri dapat mengatasi beberapa pelepasan gamma dan RTG memancarkan lebih banyak sinar gamma di tepi panjangnya daripada ujungnya.

Baca Lebih Lanjut

  • Ke Reaktor Fukushima: Perjalanan Satu Hala untuk Drones
  • Bateri Diamond Boleh Menggunakan Sisa Nuklear untuk Menjana Elektrik untuk Millennia
  • Melindungi Infrastruktur Teknologi dengan konkrit konduktif EMP-Bukti

Ringkasan

Terima kasih kepada pereputan radioaktif unsur-unsur tertentu probe Voyager terus beroperasi jauh melebihi parameter misi asal mereka. Walaupun RTG hari ini hanya beroperasi pada kira-kira 50% kuasa (disebabkan oleh kerosakan hampir separuh plutonium-238), mereka masih dapat memberikan kuasa untuk penghantaran data. Menjelang 2020, peralatan onboard pada probe Voyager akan dimatikan satu demi satu dalam usaha untuk memulihara kuasa dan memastikan probe dalam komunikasi dengan teleskop radio di Bumi. Pada tahun 2025, tidak akan ada kuasa yang mencukupi untuk mengendalikan peralatan sains di atas kapal dan dengan itu menamatkan operasi saintifik dari probe Voyager.

RTGs menyediakan probe ke sistem suria luar dengan kuasa apabila tenaga solar menjadi terlalu sedikit dan mereka dapat memberikan kuasa untuk masa yang lama. Sehingga teknik penjanaan kuasa yang lebih eksotik menjadi RTG yang tersedia masih akan menjadi kegemaran untuk penerokaan ruang angkasa jangka panjang.