Cosa alimenta la navicella spaziale sui pianeti esterni e oltre?

La maggior parte dei veicoli spaziali, inclusi i satelliti e alcuni lander su Marte, si basano su pannelli solari, ma per uscite difficili e complesse come Marte Curiosità missione rover e voli a lunghissimo termine come quello appena preso Nuovi orizzonti da Plutone e dalle sue lune, solo l'energia estratta da sorgenti radioattive può fornire abbastanza grinta.

Rappresentazione artistica del mestiere appena compiuto da Plutone.

La NASA utilizza generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG), un'intelligente combinazione di materiale una volta estratto dai sottoprodotti delle armi nucleari e una tecnica di 200 anni per convertire le differenze di temperatura in elettricità. Gli RTG hanno iniziato ad alimentare le missioni della NASA nel 1969.

Come funziona

Un RTG sfrutta il calore generato dal decadimento radioattivo del biossido di plutonio-238, che può essere raffinato dai sottoprodotti del processo di arricchimento richiesto per produrre un isotopo più pesante e fissile, il plutonio-239, per le armi nucleari. L'isotopo più leggero produce pochissime radiazioni gamma, il che significa che richiede relativamente poca schermatura in un veicolo spaziale.

Poiché il Pu-238 decade nel corso della sua emivita di quasi 88 anni - dopo 88 anni, rimane circa la metà della massa originale, poi di nuovo la metà in ogni periodo di 88 anni successivo - il suo calore viene convertito in elettricità attraverso coppie termoelettriche (o termocoppie ), che si basano sull'effetto Seebeck. Questo fu descritto per la prima volta nel 1821 dal fisico tedesco Thomas Johann Seebeck, sebbene non si rendesse conto di ciò che stava vedendo: che una corrente elettrica scorre tra due metalli mantenuti a temperature diverse.

Nel tipo di RTG utilizzato in Nuovi orizzonti e diverse missioni precedenti, il lato caldo della connessione ha una media di 1.308 Kelvin (1.894 ° F) al lancio e il lato freddo di circa 566 Kelvin (559 ° F). La temperatura massima diminuisce nel tempo con il decadimento del carburante, contribuendo ad una graduale riduzione della potenza elettrica. Ma dopo anni nello spazio rimane energia sufficiente per alimentare più strumenti scientifici, eseguire computer e gestire comunicazioni di dati a lunga distanza.

Ridurre le scorte

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti produceva Pu-238 nel suo sito sul fiume Savannah nella Carolina del Sud, ma alla fine degli anni '80 ha smesso di produrre plutonio per uso militare. Il governo ha integrato le sue scorte in diminuzione acquistando plutonio dalla Russia, ma la Russia ha interrotto le spedizioni nel 2009 e potrebbe avere poco o nessuno rimasto in forma utilizzabile. (La Russia non usa gli RTG per i voli spaziali, e nemmeno l'Agenzia spaziale europea.)

Si stima che gli Stati Uniti abbiano circa 37 chilogrammi di Pu-238 invecchiato, ma il direttore della divisione scientifica planetaria della NASA, Jim Green, afferma che solo circa 17 chilogrammi sono in una forma che potrebbe essere utilizzata per gli RTG. Per mettere la figura in prospettiva, considera questo Nuovi orizzonti ha iniziato la sua missione con 11 chilogrammi. Curiosità trasporta uno scarso 4,8 chilogrammi, ma ha anche batterie al litio che l'RTG ricarica durante i periodi di inattività, consentendo al rover Marte una grande fornitura di energia complessiva durante i suoi movimenti ed esperimenti diurni.

La NASA sta finanziando uno sforzo del Dipartimento dell'Energia per sviluppare un nuovo ciclo di produzione che coinvolge tre laboratori nazionali: Los Alamos, Oak Ridge e Idaho. Entro il 2021, l'operazione spera di produrre 1,5 chilogrammi di biossido di plutonio-238 all'anno.

Data la scarsità di forniture e il fatto che gli attuali RTG sono estremamente inefficienti (convertono poco più del 6% della produzione di calore in elettricità), si prevede che la prossima missione della NASA per sondare Europa, una luna ghiacciata di Giove, sarà alimentata dal sole. Fino a poco tempo, era considerato impossibile utilizzare il solare a quella distanza, ma i miglioramenti nella tecnologia terrestre hanno aiutato. L'Agenzia spaziale europea ha anche una missione Giove a energia solare, JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), il cui lancio è previsto nel 2022.

Sono in corso numerosi sforzi per migliorare l'efficienza della termocoppia utilizzando nuovi materiali o progetti RTG completamente rielaborati. Un aggiornamento a breve termine allo stile del modulo utilizzato in Curiosità potrebbe portare l'elettricità estratta all'8%, quindi un terzo in più di energia dallo stesso carburante, mentre i progetti a lungo termine potrebbero raggiungere un'efficienza fino al 15%.

Approccio alternativo

Un'altra idea molto vecchia per alimentare un'astronave è ora sullo scaffale, ma potrebbe essere rispolverata. Per anni, la NASA ha finanziato lo sviluppo dell'Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG), che, come l'effetto Seebeck, si basa su un'idea vecchia di 200 anni. Un motore Stirling genera elettricità da un pistone alimentato da un differenziale di calore, proprio come una termocoppia, ma con alcune parti meccaniche. Il pistone in questo design galleggia nell'elio per prevenire l'usura fisica.

L'ASRG potrebbe avere un'efficienza quattro volte superiore agli attuali RTG, ovvero circa il 26%. Ciò estenderebbe ulteriormente lo scarso Pu-238. Non è nemmeno solo teorico: un prototipo dell'ASRG è stato eseguito in laboratorio per un decennio senza fallo. L'unico problema è che il budget dell'ASRG è stato tagliato nel 2013. Il capo delle scienze planetarie della NASA Green è ansioso di ricominciare il lavoro.

L'asporto:

Il solare giocherà un ruolo più importante nel futuro dell'esplorazione planetaria. Ma rimangono molti punti che le imbarcazioni con soli pannelli solari non possono raggiungere e molti strumenti scientifici richiedono più energia di quanta sia fattibile o economico per funzionare tramite pannelli solari. Gli RTG sono necessari per raggiungere Saturno e oltre, esplorare i crateri lunari e visitare il lato oscuro di Mercurio e consentire una scienza ambiziosa ed espansiva sulla scala del Viaggiatori .

La prossima nave Plutone avrà a bordo il plutonio. Si tratta di assicurarsi che ce ne sia abbastanza e che sia ben utilizzato.

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