Teknologi 1960 -an menjaga penyelidikan Voyager NASA tetap hidup selama hampir 50 tahun

Pesawat ruang angkasa yang kuat dengan energi matahari mungkin tidak tampak seperti tantangan, mengingat betapa intensnya cahaya matahari di bumi. Pesawat ruang angkasa di dekat bumi menggunakan panel surya besar untuk memanfaatkan matahari untuk listrik yang diperlukan untuk menjalankan sistem komunikasi dan instrumen sains mereka.

Namun, semakin jauh ke ruang Anda pergi, semakin lemah cahaya matahari menjadi dan semakin tidak berguna untuk menyalakan sistem dengan panel surya. Bahkan dalam tata surya bagian dalam, pesawat ruang angkasa seperti bulan atau Mars Rovers membutuhkan sumber daya alternatif.

ADVERTISEMENT

SCROLL TO RESUME CONTENT

Sebagai seorang astrofisika dan profesor fisika, saya mengajar kursus teknik dirgantara tingkat senior tentang lingkungan luar angkasa. Salah satu pelajaran utama yang saya tekankan kepada siswa saya adalah betapa ruang yang tak kenal ampun. Dalam lingkungan ekstrem ini di mana pesawat ruang angkasa harus menahan suar surya yang intens, radiasi dan ayunan suhu dari ratusan derajat di bawah nol hingga ratusan derajat di atas nol, insinyur telah mengembangkan solusi inovatif untuk memberi daya pada beberapa misi ruang angkasa yang paling terpencil dan terisolasi.

Jadi bagaimana insinyur menyalakan misi di luar jangkauan tata surya kita dan seterusnya? Solusinya adalah teknologi yang dikembangkan pada 1960 -an berdasarkan prinsip -prinsip ilmiah yang ditemukan dua abad yang lalu: generator termoelektrik radioisotope, atau RTG.

RTG pada dasarnya adalah baterai bertenaga nuklir. Tetapi tidak seperti baterai AAA di remote TV Anda, RTG dapat memberikan daya selama beberapa dekade sementara ratusan juta hingga miliaran mil dari Bumi.

Tenaga nuklir

Generator termoelektrik radioisotop tidak mengandalkan reaksi kimia seperti baterai di ponsel Anda. Sebaliknya, mereka mengandalkan peluruhan radioaktif elemen untuk menghasilkan panas dan akhirnya listrik. Sementara konsep ini terdengar mirip dengan pembangkit listrik tenaga nuklir, RTGS bekerja pada prinsip yang berbeda.

Sebagian besar RTG dibangun menggunakan Plutonium-238 sebagai sumber energi mereka, yang tidak dapat digunakan untuk pembangkit listrik tenaga nuklir karena tidak mempertahankan reaksi fisi. Sebaliknya, Plutonium-238 adalah elemen yang tidak stabil yang akan mengalami peluruhan radioaktif.

Peluruhan radioaktif, atau peluruhan nuklir, terjadi ketika nukleus atom yang tidak stabil secara spontan dan secara acak memancarkan partikel dan energi untuk mencapai konfigurasi yang lebih stabil. Proses ini sering menyebabkan elemen berubah menjadi elemen lain, karena nukleus dapat kehilangan proton.

Ketika plutonium-238 meluruh, ia memancarkan partikel alfa, yang terdiri dari dua proton dan dua neutron. Ketika plutonium-238, yang dimulai dengan 94 proton, melepaskan partikel alfa, ia kehilangan dua proton dan berubah menjadi uranium-234, yang memiliki 92 proton.

Partikel -partikel alfa ini berinteraksi dengan dan mentransfer energi ke dalam bahan yang mengelilingi plutonium, yang memanaskan bahan itu. Peluruhan radioaktif dari Plutonium-238 melepaskan energi yang cukup sehingga dapat bersinar merah dari panasnya sendiri, dan panas yang kuat inilah sumber energi untuk memberi daya pada RTG.

Panaskan sebagai kekuatan

Generator termoelektrik radioisotop dapat mengubah panas menjadi listrik menggunakan prinsip yang disebut Efek Seebeck, ditemukan oleh ilmuwan Jerman Thomas Seebeck pada tahun 1821. Sebagai manfaat tambahan, panas dari beberapa jenis RTG dapat membantu menjaga elektronik dan komponen lain dari misi ruang yang dalam dan berfungsi dengan baik.

Dalam bentuk dasarnya, efek Seebeck menjelaskan bagaimana dua kabel dari bahan konduktor yang berbeda bergabung dalam loop menghasilkan arus dalam loop itu ketika terpapar perbedaan suhu.

Perangkat yang menggunakan prinsip ini disebut pasangan termoelektrik, atau termokopel. Termokopel ini memungkinkan RTG untuk menghasilkan listrik dari perbedaan suhu yang diciptakan oleh panas pembusukan plutonium-238 dan dinginnya ruang dingin.

Desain generator termoelektrik radioisotope

Dalam generator termoelektrik radioisotop dasar, Anda memiliki wadah plutonium-238, disimpan dalam bentuk plutonium-dioksida, seringkali dalam keadaan keramik yang solid yang memberikan keamanan ekstra jika terjadi kecelakaan. Bahan plutonium dikelilingi oleh lapisan pelindung isolasi foil yang terpasang sejumlah besar termokopel. Seluruh rakitan berada di dalam casing aluminium pelindung.

Bagian dalam RTG dan satu sisi termokopel tetap panas – mendekati 1.000 derajat Fahrenheit (538 derajat Celcius) – sedangkan bagian luar RTG dan sisi lain dari termokopel terpapar ruang. Lapisan luar yang menghadap ke luar ini bisa sedingin beberapa ratus derajat Fahrenheit di bawah nol.

Perbedaan suhu yang kuat ini memungkinkan RTG untuk mengubah panas dari peluruhan radioaktif menjadi listrik. Listrik itu memberi kekuatan semua jenis pesawat ruang angkasa, dari sistem komunikasi hingga instrumen sains hingga rovers di Mars, termasuk lima misi NASA saat ini.

Tapi jangan terlalu bersemangat membeli RTG untuk rumah Anda. Dengan teknologi saat ini, mereka hanya dapat menghasilkan beberapa ratus watt daya. Itu mungkin cukup untuk memberi daya pada laptop standar, tetapi tidak cukup untuk bermain video game dengan GPU yang kuat.

Namun, untuk misi ruang yang dalam, beberapa ratus watt itu lebih dari cukup.

Manfaat nyata RTGS adalah kemampuan mereka untuk memberikan kekuatan yang dapat diprediksi dan konsisten. Peluruhan radioaktif plutonium konstan – setiap detik setiap hari selama beberapa dekade. Selama sekitar 90 tahun, hanya setengah dari plutonium dalam RTG yang akan membusuk. RTG tidak memerlukan bagian yang bergerak untuk menghasilkan listrik, yang membuatnya jauh lebih kecil kemungkinannya untuk mogok atau berhenti bekerja.

Selain itu, mereka memiliki catatan keselamatan yang sangat baik, dan mereka dirancang untuk bertahan hidup normal dan juga aman jika terjadi kecelakaan.

RTGS beraksi

RTG telah menjadi kunci keberhasilan banyak tata surya NASA dan misi ruang dalam. The Mars Curiosity and Strearance Rovers dan pesawat ruang angkasa baru yang mengunjungi Pluto pada tahun 2015 semuanya menggunakan RTG. New Horizons bepergian keluar dari tata surya, di mana RTG -nya akan memberikan daya di mana panel surya tidak bisa.

Namun, tidak ada misi yang menangkap kekuatan RTG seperti misi Voyager. NASA meluncurkan Twin Spacecraft Voyager 1 dan Voyager 2 pada tahun 1977 untuk melakukan tur sistem surya luar dan kemudian melakukan perjalanan di luarnya.

Setiap kerajinan dilengkapi dengan tiga RTG, menyediakan total 470 watt daya saat diluncurkan. Sudah hampir 50 tahun sejak peluncuran Probe Voyager, dan keduanya masih merupakan misi sains yang aktif, mengumpulkan dan mengirim data kembali ke Bumi.

Voyager 1 dan Voyager 2 adalah sekitar 15,5 miliar mil dan 13 miliar mil (masing-masing hampir 25 miliar kilometer dan 21 miliar kilometer) dari Bumi, menjadikannya objek buatan manusia yang paling jauh yang pernah ada. Bahkan pada jarak yang ekstrem ini, RTG mereka masih memberi mereka kekuatan yang konsisten.

Pesawat ruang angkasa ini adalah bukti kecerdikan para insinyur yang pertama kali merancang RTG di awal 1960 -an.

Benjamin Roulston, Asisten Profesor Fisika, Universitas Clarkson. Artikel ini diterbitkan ulang dari percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Baca artikel asli.