Jadrová energia – Misia NASA Mars 2020 - Perseverance s jadrovým modulom.
Včera 18. februára 2021 úspešne pristál kozmický modul „Perseverance“ (v preklade „Vytrvalosť“) na Marse. Kozmická sonda „Perseverance“, ktorú volajú aj skrátene „Percy“, je kozmický automobil typu Rover, určený na prieskum kráteru „Jezero“ na Marse v rámci misie NASA Mars 2020. Vyrobila ju americká spoločnosť Jet Propulsion Laboratory a do kozmu na let k Marsu ju odštartovali 30. júla 2020.
Percy má na sebe sedem nových vedeckých prístrojov a má celkom 19 kamier a dva mikrofóny.
Úspešné pristátie roveru Percy (čo nebolo úplne isté, či sa vôbec podarí) pomohol bolo zabezpečiťované adaptáciou metódy Mars Pathfinder: - Systém Aeroshell a padák spomalili pristátie v marťanskej atmosfére. Pred povrchovým nárazom boli vystrelené retro rakety, aby bola spomalená rýchlosť zostupu sondy, a nafúkli sa airbagy, ktoré utlmili náraz sondy na povrch. Po počiatočnom náraze sa plánovite sonda odrážala po marťanskom povrchu, až kým sa nezastavila. Potom sa boli airbagy zatiahnuté a otvorili sa krídla sondy. Po ich otvorení rover rozvinul svoje solárne panely a uvedol systém do bezpečného stavu. Komunikácia počas vstupu do atmosféry Marsu, zostupu a pristátia bola prostredníctvom dvojice antén, z ktorých bola jedna pripevnená na zadnom kryte a druhá na samotnom roveri. Okrem toho je na roveri aj unikátny mini-vrtuľník „Ingenuity“ (čo je zase v preklade „vynachádzavosť“), maličké experimentálne lietadlo, ktoré bolo bude zrejme prvé, ktoré uskutočnilo uskutoční motorový let na inej planéte.
Úspešné pristátie roveru Percy (čo nebolo úplne isté, či sa vôbec podarí) pomohol zabezpečiť unikátny mini-vrtuľník „Ingenuity“ (čo je zase v preklade „vynachádzavosť“), experimentálne lietadlo, ktoré bolo prvé, ktoré uskutočnilo motorový let na inej planéte.
Rover Perseverance má štyri hlavné vedecké ciele, ktoré vychádzajú z podpory dlhodobého prieskumu Marsu:
Hľadanie obývateľnosti: identifikovanie prostredia schopné podporovať mikrobiálny život.
Hľadanie biologických znakov: hľadanie známok možného minulého mikrobiálneho života v týchto obývateľných prostrediach, najmä v špeciálnych horninách, o ktorých je známe, že ich časom chránia.
Odber vzoriek: zhromažďovanie vzoriek hornín a "pôdy" a ukladanie ich do úložiska na povrchu Marsu.
Príprava podmienok pre existovanie ľudí: testovanie produkcie kyslíka z marťanskej atmosféry.
Technický projekt roveru Perseverance je vyvinutý na podklade jeho predchodcu, modelu „Curiosity“. Oba rovery zdieľajú podobný plán karosérie, pristávací systém, tempomat ako aj systém energetického napájania. Nový rover však obsahuje aj mnoho ponaučení z Curiosity. Napríklad kolesá Perseverance sú už robustnejšie ako kolesá Curiosity, pretože tie na Curiosity boli poškodené. Rover Percy má hrubšie a odolnejšie hliníkové disky, so zmenšenou šírkou a väčším priemerom (52,5 cm) ako 50 cm disky Curiosity. Hliníkové kolesá sú pokryté zarážkami pre trakciu a zakrivenými titánovými lúčmi pre pružnú podporu. Percy rovnako ako Curiosity, obsahuje robotické rameno, ale nové rameno Perseverance je dlhšie a silnejšie, meria 2,1 m. Je (rameno) vybavené zložitým mechanizmom na odoberanie vzoriek hornín a na ukladanie geologických vzoriek z marťanského povrchu do špeciálnych rúrok na dočasné uloženie. Kombinácia väčších nástrojov, nového systému odoberania a vzoriek ako aj upravených kolies spôsobila že rover Percy je o 14% ťažší ako jej predchodca (1025 kg oproti 899 kg).
No a na to je ale potrebná energia.....
A tá je zabezpečovaná pomocou jadrového generátora. Elektrický generátor roveru Percy (MMRTG) má hmotnosť 45 kg a ako primárny zdroj energie používa 4,8 kg oxidu plutónia-238. Prirodzený rozpad plutónia-238 spôsobuje vyžarovanie tepla, ktoré sa mení na elektrinu – výkon generátora pri odštartovaní bol približne 110 Wattov. Ten sa bude časom pochopiteľne pomaly zmenšovať, ako sa jeho zdroj energie bude rozpadať. MMRTG nabíja dve lítium-iónové nabíjateľné batérie, ktoré dodávajú potrebnú elektrickú energiu pre všetky činnosti roveru Percy, a musia sa pravidelne dobíjať. Jadrový generátor je na rozdiel od solárnych panelov veľkou výhodou, pretože MMRTG poskytuje značnú flexibilitu pri obsluhe prístrojov roveru Percy aj v noci, počas búrok s prachom ako aj cez zimu.
Čo je to MMRTG?
MMRTG je skratka pre Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, teda Rádioizotopový termoelektrický generátor s viacerými funkciami.
Vesmírne prieskumné misie vyžadujú bezpečné a spoľahlivé energetické systémy s dlhou životnosťou na zabezpečenie elektriny a tepla pre kozmické lode a ich vedecké prístroje.
Jedinečným zdrojom energie je práve rádioizotopový termoelektrický generátor (RTG) - v podstate jadrová batéria, ktorá spoľahlivo premieňa teplo na elektrinu. Rádioizotopová energia sa už použila na ôsmich misiách obiehajúcich okolo Zeme, 8 misiách na vonkajšie planéty a misiách Apollo po Apolle 11 na Mesiac. Vonkajšie misie slnečnej sústavy sú misie Pioneer 10 a 11, Voyager 1 a 2, Ulysses, Galileo, Cassini a New Horizons. RTG na Voyager 1 a Voyager 2 fungujú od roku 1977 (!). Celkovo za posledné štyri desaťročia USA vyslali do kozmu 26 misií s 45 RTG.
Základnou výhodou použitia RTG je fakt, že tam dochádza k využitia tuhého skupenstva termoelektrických párov ktoré prevádzajú teplo z prirodzeného rozpadu rádioizotopu dioxidu plutónia-238 na elektrinu. Na rozdiel od solárnych batérií (ktoré sú napríklad používané na stanici MIR) RTG nie sú vôbec závislé od Slnka, takže sa dajú veľmi efektívne použiť na misie v hlbokom vesmíre.
MMRTG je napájaný z ôsmich modulov zdroja tepla (GPHS) na báze dioxidu Pu-238, ktoré poskytuje pre NASA americké ministerstvo energetiky DoE. Týchto osem modulov GPHS Spočiatku generuje tepelný výkon asi 2 kW.
Projekt MMRTG obsahuje termoelektrické páry PbTe / TAGS (od spoločnosti Teledyne Energy Systems), kde TAGS je materiál obsahujúci telúr (Te), striebro (Ag), germánium (Ge) a antimón (Sb). Výkon MMRTG je navrhnutý tak, aby na začiatku misie produkoval 125 W elektrickej energie, ktorá po 14 rokoch poklesne na približne 100 W. S hmotnosťou 45 kg poskytuje MMRTG na začiatku života približne 2,8 W / kg elektrickej energie. Konštrukcia MMRTG je schopná pracovať tak vo vákuu vesmíru, ako aj v planetárnych atmosférach, napríklad na povrchu Marsu. Ciele projektovania MMRTG zahŕňali zaistenie vysokého stupňa bezpečnosti, optimalizáciu úrovní výkonu počas minimálnej životnosti aspoň 14 rokov a minimalizáciu hmotnosti. Ale MMRTG nie je žiadna lacná baterka! Výroba MMRTG stála približne 109 miliónov USD a na jeho výskum a vývoj bolo minutých ďalších cca 83 miliónov USD.
Rover Percy je samozrejme navyše ešte osadený aj počítačom BAE RAD750. Ten má 128 MB nestálych pamätí DRAM a pracuje na frekvencii 133 MHz. Letový softvér je schopný na samostatnej karte získať prístup k 4 gigabajtom energeticky nezávislej pamäte NAND.
A spomenuli sme že rover Percy má k pomoci aj unikátny vrtuľník Ingenuity. Tento vrtuľníkový drón má zabezpečované napájanie pomocou solárneho pohonu má hmotnosť 1,8 kg. Počas plánovanej tridsaťdňovej misie bude na Marse skúšať stabilitu letových podmienok ako aj umožňovať hľadanie vhodných jazdných trás pre rover. Drón však okrem fotoaparátu však nemá žiadne vedecké prístroje.
Ako je vidieť jadrová energia je životne dôležitá v mnohých oblastiach ľudských aktivít.
Rádioizotopové zdroje energie sú dôležitým zdrojom energie vo vesmíre už od roku 1961. Jadrové štiepne reaktory pre vesmír využívalo hlavne Rusko, v USA a Rusku sa však stále vyvíjajú nové a výkonnejšie konštrukcie.
V minulosti boli pre rádioizotopové energetické systémy študované a používané aj iné rádioizotopy, Plutónium Pu-238 však preukázal najlepšie vlastnosti pre premenu z tepla na elektrinu pre vesmírne misie a od 60. rokov sa bezpečne používa. Pu-238 vydáva veľké množstvo tepla v dôsledku rádioaktívneho rozpadu v priebehu svojho 87,7 ročného polčasu rozpadu a ukazuje sa ako životne dôležitý zdroj energie pre misie v hlbokom vesmíre.
