|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 10/2006
„Nuklearne” satelity
|
|
|
Autor: opr. red.
|
Data publikacji: 04.10.2006 21:02
|
|
Na pokładzie każdego satelity znajduje się wiele urządzeń zapewniających prawidłowe funkcjonowanie systemów pokładowych i prawidłową realizacje celów misji. Są to między innymi: systemy łączności, telemetrii, nawigacji, sterowania zespołem napędowym, zespoły czujników i aparatury pomiarowej oraz wiele innych.
|
Większość z nich do prawidłowej pracy wymaga zasilania energią elektryczną. Do wytwarzania energii elektrycznej w przestrzeni kosmicznej może służyć energia promieniowania słonecznego (baterie słoneczne), energia chemiczna (bateriechemiczne) bądź energia cieplna, pochodząca z reakcji jądrowych. Oczywiście wszystkie te źródła mają swój obszar zastosowań w kosmicznych obiektach latających szczególnie, jeślichodzi o dostępną moc elektryczną i okres ich użytkowania.
Biorąc pod uwagę wymagany coraz to dłuższy okres użytkowania obiektów kosmicznych oraz fakt, iż w wielu przypadkach brak jest promieniowania słonecznego bądź jest ono niewystarczające, jedynym źródłem zasilania pozostają jądrowe źródła energii. Może to być energia pochodząca z reakcji rozpadu izotopów promieniotwórczych (izotopowe źródła ciepła znane w literaturze jako generator radioizotopowy RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) lub z reakcji rozszczepienia jąder uranu U-235 (reaktorowe źródło ciepła). Jakkolwiek istnieje wiele technicznych możliwości konwersji energii jądrowej na energię elektryczną, co schematycznie przedstawiono na rys. 2, najczęściej wykorzystywane jest zjawisko termoelektryczne.
Zjawiskotermoelektryczne odkryte w 1821 r. przez niemieckiego uczonego Thomasa Seebecka, polega na wytwarzaniu potencjałów w obwodzie złożonym z dwóch różnych metali lub półprzewodników, których złącza są utrzymywane w różnych temperaturach. Rola źródła promieniotwórczego polega na tym, że znacznie się ono ogrzewa absorbując własne promieniowanie, co pozwala na ciągłe utrzymywanie jednego ze złącz w
wysokiej temperaturze, drugie natomiast złącze musi być od źródła izolowane i utrzymywane w temperaturze dużo niższej. Na elementy termoelektryczne stosuje się pary przewodników np. ołów–tellur (Pb-Te), lub częściej - półprzewodników krzem-german (Si-Ge). Wartość wytwarzanej siły termoelektrycznej zależy od rodzaju materiału użytego na termoelementy i od różnicy temperatur między dwoma ich miejscami tj. gorącym i zimnym. Sprawność przemiany energetycznej jest niewielka i dla współcześnie budowanych urządzeń wynosi nie więcej niż 6-7%. Jeżeli wiele takich wystarczająco dużych złączy połączymy w szereg, to otrzyma się baterię o znacznej mocy i napięciu.
Izotopowe generatory energii elektrycznej mogą dostarczyć mocy, co najwyżej rzędu kilkuset watów. Dla uzyskania większych mocy niezbędne są specjalne reaktory jądrowe, o bardzo zwartej budowie i stosunkowo małej masie. Można zauważyć, iż w zakresie wymaganych większych mocy jedynym źródłem energii użytkowanym przez dłuższy czas pozostaje reaktor jądrowy oraz wykorzystanie dynamicznych metod konwersji ciepła w energię elektryczną, które to metody charakteryzują się znacznie większą sprawnością niż metody statyczne.
Badania nad wykorzystaniem jądrowych źródeł energii do zasilania obiektów latających rozpoczęto w 1956 r. w Stanach Zjednoczonych w ramach programu pod nazwą system pomocniczego wykorzystania energii jądrowej SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power). Realizację tego programu zapoczątkowały potrzeby satelitów wojskowych. Pierwszymi urządzeniami do zasilania w energię elektryczną były generatory radioizotopowe RTG. Oprócz tego w obiektach kosmicznych stosuje się również izotopy promieniotwórcze do wytwarzania samej energii cieplnej (ciepła) w celu zapewnienia właściwej temperatury działania urządzeń elektronicznych tzw. RHU (Radioisotope HeaterUnit).
Izotopy promieniotwórcze przydatne do wykorzystania w RTG bądź RHU w warunkach przestrzeni kosmicznej muszą mieć następujące właściwości: stosunkowo długi, rzędu dziesiątek lat, czas połowicznego rozpadu, wysoką energię emitowanych cząstek alfa lub beta, niski poziom towarzyszącego promieniowania gamma, odpowiednio dużą wartość energii właściwej w przeliczeniu na masę (Wh/kg) lub objętość (Wh/cm3). Jeśli chodzi o ten ostatni parametr, to w przypadku izotopów promieniotwórczych jest on bezkonkurencyjny, bo osiąga wartość 107-108 Wh/kg, podczas gdy akumulatory ołowiowo-kwasowe 30 Wh/kg, a nowoczesne zaawansowane baterie polimerowo-litowe 200 Wh/kg (dla porównania benzyna 104 Wh/kg paliwa).
W praktyce tylko dwa źródła spełniają te warunki: pluton Pu-238 i stront Sr-90, aczkolwiek w początkowym okresie stosowano także i inne źródła, jak np. cer Ce-144, polon Po-210, promet Pm-147 i kiur Cm-244 czy Cm-242. Szczególnie korzystne własności posiada jednak pluton. Pluton Pu-238, emitując cząstki alfa, wydziela dość znaczne ilości energii cieplnej, 0,567 W/g (0,567 kW/kg), jego powierzchnia może osiągnąć temperaturę 1050 st. C. Ponadto cząstki alfa są silnie pochłaniane przez materię, dlatego nie są konieczne ciężkie osłony przed promieniowaniem. Ze względu na stosunkowo długi czas połowicznego rozpadu (T1/2 = 87,7 lat), po 10 latach pracy dostarcza on jeszcze 92% swojej wyjściowej mocy, a po 20 latach 85%.
Z kolei Sr-90 emitując cząstki beta wydziela energię cieplną w ilości 0,96 kW/kg, jego powierzchnia może osiągnąć temperaturę 700-800 st. C. Ponieważ czas połowicznego rozpadu jest jednak krótszy niż plutonu (T1/2 = 28,1 lat), po 20 latach pracy dostarcza on 61% swojej wyjściowej mocy. Stront ma tę zaletę w stosunku do plutonu, iż występuje on w znacznych ilościach w wypalonym paliwie jądrowym (ok. 5% wszystkich produktów rozszczepienia) i znacznie łatwiej jest goz tego paliwa pozyskać. Niewątpliwą zaletą źródeł energii elektrycznej typu RTG jest ich duża pojemność właściwa. O ile np. pojemność właściwa współczesnych baterii chemicznych jest rzędu 1,5 Ah/kg, to dla RTG wynosi ona 24 000 Ah/kg przez okres eksploatacji wynoszący 20 lat.
Generatory RTG są stosowane w sytuacjach, w których nie mogą być stosowane inne źródła energii elektrycznej (baterie chemiczne, baterie słoneczne, ogniwa paliwowe):
-
zbyt duża lub zbyt mała odległość od Słońca (o ile powierzchnia 10 MW baterii słonecznej na orbicie wokółziemskiej wynosi 2500 m2, to w odległości Marsa odpowiednio - 68 000 m2, a Jowisza - 760 000 m2);
-
rejony silnego promieniowania – Jowisz, burze piaskowe – Mars, ekstremalne różnice temperatur – Księżyc;
-
praca w dowolnym położeniu przestrzennym;
-
czy wreszcie długi czas trwania misji kosmicznej (powyżej kilku lat).
Typowy generator RTG zawiera w centralnej części jeden z wcześniej opisanych izotopów promieniotwórczych, obudowany metalową kapsułą (wykonaną najczęściej z irydu tj. metalu o dużej odporności chemicznej, wytrzymałości mechanicznej i wysokiej temperaturze topnienia oraz wrzenia), do której z kolei są przytwierdzone koncentrycznie elementy termoelektryczne.
Pierwszym jądrowym źródłem energii, które zostało wystrzelone w przestrzeń kosmiczną dnia 29 czerwca 1961 r., był SNAP-3B zainstalowany na satelicie nawigacyjnym Transit 4A. Było to urządzenie typu RTG zawierające źródło promieniowania polon - Po-210 o czasie połowicznego rozpadu 138,4 dnia i o aktywności (5,55-5,92)·1013 Bq (1500–1600 Ci), dostarczające zaledwie 2,7 W mocy elektrycznej.
Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj
Zamów prenumeratę
|
|
|
|
