By Hafifah Aman 
تم إطلاق مسبار فوييجر 1 و 2 في عام 1977 ، وقد عملوا بدون توقف لأكثر من 45 عامًا ، منتقلين من الأرض إلى الكواكب الخارجية لنظامنا الشمسي وما بعده. تم تسليم 470 واط عند الإطلاق بفضل مولدات الطاقة الحرارية بالنظائر المشعة (RTGs) التي تعمل في ظلام الفضاء السحيق ، تمامًا كما تعمل داخل حدود نظامنا الشمسي. نظرًا لأنه لا يوجد شيء في الكون لانهائي حقًا ، فإن مجموعات RTG هذه تبلى بمرور الوقت بسبب التحلل الطبيعي لمصدر الإشعاع الخاص بها وتدهور المزدوجات الحرارية.
على الرغم من أن هذا خفض الطاقة تدريجيًا ، إلا أن وكالة ناسا أعلن مؤخرا تتمتع Voyager 2 بقدرة احتياطية غير معروفة حتى الآن والتي ستؤخر إيقاف تشغيل الأجهزة العلمية لبضع سنوات أخرى. يتجاوز هذا التحويل بشكل أساسي دائرة الجهد التقليدي ونظام الطاقة الاحتياطية المصاحب ، مما يؤدي إلى تحرير الطاقة التي تستهلكها الأدوات العلمية التي كانت ستبدأ في الإغلاق قبل سنوات.
في حين أن هذه أخبار جيدة ، إلا أنها مهمة لأن مجموعات RTG متعددة المئات من واط (MHW) الخاصة بـ Voyager والتي يبلغ عمرها 45 عامًا هي مقدمة لمجموعات RTG التي لا تزال تشغل مسبار New Horizons بعد 17 عامًا. الفائدة) لأكثر من 10 سنوات ، مما يدل على قيمة RTGs في العمل البحثي طويل الأجل.
على الرغم من أن المبدأ الأساسي لمجموعات RTGs بسيط للغاية ، فقد تغير تصميمها بشكل كبير منذ أن قامت الولايات المتحدة بإرسال SNAP-3 RTG. مواصلات القمر الصناعي 4B في عام 1961.
الحاجة إلى القوة
حتى على الأرض ، قد يكون من الصعب العثور على مصدر طاقة موثوق يمكن أن يستمر لسنوات أو حتى عقود ، وهذا هو السبب في أن أنظمة ناسا للطاقة النووية المساعدة (فرقعة) أنتج برنامج التطوير RTGs للاستخدام الأرضي والفضائي ، مع كون SNAP-3 أول من ذهب إلى الفضاء. أنتج RTG هذا 2.5 واط فقط ، وكانت الأقمار الصناعية تحتوي على ألواح شمسية وبطاريات NiCd. ولكن كقاعدة اختبار RTG الفضائية ، وضعت SNAP-3 الأساس لمهام ناسا اللاحقة.
قدمت SNAP-19 الطاقة (حوالي 30 واط لكل RTG) لمركبتي الهبوط Viking 1 و 2 ، بالإضافة إلى Pioneers 10 و 11. تم استخدام خمس وحدات SNAP-27 لحزم Apollo Lunar Surface Experiment Packages (ALSEP) على سطح القمر بواسطة رواد فضاء أبولو 12 و 14 و 15 و 16 و 17. تم تصنيف كل وحدة SNAP-27 عند 1،250 واط من الحرارة ، حوالي 75 واط عند 30 فولت تيار مستمر من قضيب الوقود 3.8 كجم بلوتونيوم 238. بعد عشر سنوات ، ينتج SNAP-27 أكثر من 90٪ من طاقته الكهربائية المقدرة ، مما يسمح لكل ALSEP بنقل البيانات عن الزلازل وغيرها من المعلومات المسجلة بواسطة أجهزته طالما تسمح ميزانية الطاقة بذلك.
بحلول الوقت الذي توقفت فيه عمليات دعم برنامج Apollo في عام 1977 ، كان ALSEPs يعمل فقط أجهزة الإرسال الخاصة بهم. عادت وحدة SNAP-27 التابعة لأبولو 13 (المرفقة بالسطح الخارجي للوحدة القمرية) إلى الأرض ولا تزال سليمة – في قاع خندق تونغا في المحيط الهادئ.
كان عدم الكفاءة النسبية لمجموعات RTG واضحًا بسهولة حتى ذلك الحين SNAP-10A تفوق اختبار يوضح وجود مفاعل انشطاري صغير بقدرة 500 وات على قمر صناعي يعمل بالدفع الأيوني على الفور في أداء SNAP RTGs. على الرغم من قوتها الكبيرة لكل وحدة حجم ووقود نووي ، إلا أن RTG القائمة على الازدواج الحراري لا تحتوي على أجزاء متحركة مطلقًا ومتطلبات التبريد السلبي فقط. سيوفر هذا جانبًا أكثر برودة في مسبار فضائي أو قمر صناعي أو مركبة بها إشعاع حراري و / أو الحمل الحراري. الحرارية.
تستخدم هذه المزدوجات الحرارية تأثير سيبيكينعكس تأثير بلتيير ، مما يؤدي أساسًا إلى تحويل التدرج الحراري بين مادتين موصلين للكهرباء إلى مولد. يتمثل جزء كبير من التحدي الذي تواجهه مجموعات RTG القائمة على الازدواج الحراري في العثور على المركب الأكثر كفاءة ودائمًا. على الرغم من أن RTGs ذات دورة رانكين وبرايتون وستيرلينغ قد تم اختبارها أيضًا ، إلا أن لها عيوبًا واضحة تتمثل في تحريك الأجزاء الميكانيكية ، والتي تتطلب سدادات وتزييتًا.
بالنظر إلى عمر فوييجر الذي يزيد عن 45 عامًا MHW-RTGs مع المزدوجات الحرارية البدائية نسبيًا من السيليكون والجرمانيوم (SiGe) ، يجب أن تكون عيوب إضافة المكونات الميكانيكية واضحة. خاصة عند النظر في جيلين خلفاء MHW RTG.
ليس RTG الخاص بك 1970s
تم تطوير Voyager’s MHW-RTG بواسطة ناسا خصيصًا لهذه المهمة ، وخليفتها ، بعنوان إبداعي مصدر حرارة للأغراض العامة (GPHSتم تصميم RTG من قبل قسم الفضاء التابع لشركة جنرال إلكتريك واستخدمت لاحقًا في مهام Ulysses (1990-2009) و Galileo (1989-2003) و Cassini-Huygens (1997-2017) و New Horizons (2006 -). ينتج كل GPHS-RTG حوالي 300 واط من الكهرباء من 4،400 واط من الحرارة ، ولا يزال يستخدم مزدوجات حرارية متشابهة من السيليكون والجرمانيوم.
ملاحظة جانبية مثيرة للاهتمام هنا هي أنه حتى مركبات المريخ التي تعمل بالطاقة الشمسية بها وحدة نظائر مشعة ، وإن كانت في شكل وحدة تسخين بالنظائر المشعة (RHU)، مع سوجورنر روفر ثلاثة من هؤلاء RHUs و الروح والفرصة ثمانية RHUs لكل منهما. توفر وحدات RHU هذه مصدرًا ثابتًا للحرارة ، مما يسمح باستخدام الكهرباء النادرة من الألواح الشمسية والبطاريات في مهام أخرى غير تشغيل السخانات.
وفي الوقت نفسه ، فإن روفر المريخ النشط حاليًا ، فضول ومثابرته المزدوجة ، يحصل الفرد على الكهرباء والحرارة مولد كهربائي حراري للنظائر المشعة متعدد المهام (MMRTG) وحدة. تستخدم مجموعات RTG هذه الأزواج الكهروحرارية PbTe / TAGS ، أي سبيكة الرصاص / التيلوريوم لجانب واحد والتيلوريوم (Te) والفضة (Ag) والجرمانيوم (Ge) والأنتيمون (Sb) للجانب الآخر من الزوج. يبلغ العمر الافتراضي لمجموعة MMRTG ما يصل إلى 17 عامًا ، ولكنها ستتجاوز مواصفات التصميم بهامش كبير ، مثل MHW-RTGs وغيرها. يتم احتواء وقود Pu-238 مع MMRTG في وحدات مصدر الحرارة للأغراض العامة (GPHS) للمساعدة في حماية الوقود من التلف.
مهم وضع الفشل المزدوجات الحرارية SiGe هي هجرة الجرمانيوم بمرور الوقت ، مما تسبب في التسامي. تم منع ذلك في التصميمات اللاحقة عن طريق طلاء مزدوجات SiGe الحرارية مع نيتريد السيليكون. في هذه الحالة ، يجب أن توفر المزدوجات الحرارية PbTe / TAGS مزيدًا من الاستقرار ، وكانت مجموعات MMRTG في الاهتمام والمثابرة بمثابة اختبارات في العالم الحقيقي.
الوقود شيء
لم يأت مجبرا Voyager 1 و 2 لجلسة صيانة وخدمة كبيرة ، لذلك كان على ناسا أن تكون مبدعًا لتحسين استخدام الطاقة. على الرغم من اعتبار دارة الطاقة الاحتياطية ضرورية في السبعينيات ، إلا أن هناك بيانات رصد واقعية كافية لدعم الاقتراح بأن أيًا من مجموعات RTG الثلاثة في كل مسبار فضائي قد تكون زائدة عن الحاجة إذا كانت هناك تقلبات في الطاقة. التأثيرات الغريبة.
من خلال ما يقرب من 46 عامًا من البيانات من Voyager RTGs ، يمكننا الآن أن نرى أن استقرار المزدوجات الحرارية ضروري للحفاظ على خرج طاقة مستقر. البلوتونيوم 238 مصدر الوقود أسهل بكثير في النمذجة والتنبؤ. الآن مع وحدات MMRTG ، يجب أن نلاحظ العديد من المشكلات التي تسببت في تدهور المزدوجات الحرارية بمرور الوقت. فقط وقود Bu-238 كان مفقودًا.
معظم طراز Bu-238 الذي جاء لأول مرة إلى الولايات المتحدة من موقع نهر سافانا (SRSتم إغلاق المنشأة ومفاعلاتها المتخصصة عام 1988. بعد ذلك ، ستستورد الولايات المتحدة البلوتونيوم 238 من روسيا وستبدأ مخزوناتها أيضًا في الانخفاض ، مما يؤدي إلى وضع أسوأ للولايات المتحدة. تعتبر النظائر المشعة مثالية للاستخدام في RTGs للبعثات طويلة الأجل. مع عمر نصف قصير يبلغ 87.7 عامًا وتلاشي ألفا فقط ، يعتبر البلوتونيوم 238 غير ضار بالمواد المحيطة ، مع توفير قدر كبير من الطاقة الحرارية.
قالت الولايات المتحدة إن المركبات الفضائية الحالية على المريخ لديها ما يكفي فقط من البلوتونيوم 238 لمركبتي MMRTG واثنتين أخريين بعد ذلك. إعادة التشغيل الآن إنتاج البلوتونيوم 238. على الرغم من أنه يمكن إنتاج البلوتونيوم 238 بعدة طرق مختلفة ، إلا أنه يبدو من الأفضل استخدام مخزون النبتونيوم 237 ، وتعريضه للنيوترونات في مفاعلات الانشطار ، وإنتاج البلوتونيوم 238 عن طريق التقاط النيوترونات. وفقًا لوكالة ناسا ، يجب أن يكون 1.5 كجم من البلوتونيوم 238 سنويًا كافياً لتلبية الطلب على مهام الفضاء المستقبلية.
سفينة فضاء صغيرة في الظلام
فوييجر 1 هو حاليًا 159.14 AU (23.807 مليار كيلومتر) من الأرض ، و فوييجر 2 إنه 133.03 AU من الأرض. كمشروع له جذوره في سباق الفضاء ، انتهى به الأمر إلى تجاوز ليس فقط العديد من المبدعين ولكن أيضًا على الجغرافيا السياسية في ذلك الوقت ، مما يجعله أحد الثوابت القليلة من صنع الإنسان. موضة.
بصفتها حاملات للأقراص الذهبية التي تحتوي على جوهر الإنسانية ، فإن إطالة عمر هذه المركبات الفضائية يتجاوز العلم الذي يمكن أن تؤديه في ظلام الفضاء السحيق. مع مرور كل عام ، يمكننا أن نتعلم أكثر قليلاً ونرى المزيد مما ينتظر البشرية خارج النظام الشمسي ، خارج هذه الحدود الدنيوية.