Hogyan működtetik az RTG-k a Naptól milliárdnyi mérföldre lévő űrhajókat

A kozmoszt felfedező nukleáris elemek

A Földtől több mint 15 milliárd mérföldre lévő Voyager 1 továbbra is adatokat küld haza a csillagközi térből – közel öt évtizeddel az 1977-es indulása után. Egyetlen napelem sem működhetne ilyen távol a Naptól. Ehelyett a szonda egy radioizotópos termoelektromos generátorra (RTG) támaszkodik, egy olyan eszközre, amelyet gyakran "nukleáris elemnek" neveznek, és amely a radioaktív bomlás hőjét alakítja át elektromos árammá. Az RTG-k az elmúlt fél évszázadban több mint két tucat amerikai űrmissziót láttak el energiával, és továbbra is az egyetlen bevált technológiát jelentik a külső Naprendszer felfedezéséhez.

Hogyan működik egy RTG?

Az elv elegánsan egyszerű. Egy RTG magja plutónium-238-at tartalmaz, egy olyan izotópot, amely intenzív hőt termel, ahogy atomjai természetes módon bomlanak. Ez a hő kifelé áramlik a termoelemek tömbjén keresztül – két különböző félvezető anyagból álló párokon, amelyek két csomópontban kapcsolódnak össze. Amikor az egyik csomópont forró (a plutónium közelében), a másik pedig hideg (az űr vákuuma felé néz), a hőmérséklet-különbség elektromos áramot hajt, ezt a jelenséget Seebeck-effektusnak nevezik.

Nincsenek mozgó alkatrészek, nincsenek turbinák, nincsenek szivattyúk. Nincs mit kenni, nincs mi elakadjon. Ez a mechanikai egyszerűség az oka annak, hogy az RTG-k évtizedekig karbantartás nélkül működhetnek – ez kulcsfontosságú tulajdonság, ha a legközelebbi javítóműhely milliárdnyi mérföldre van.

Miért plutónium-238?

Nem akármilyen radioaktív anyag felel meg. A plutónium-238 felezési ideje 87,7 év, ami azt jelenti, hogy elég lassan bocsát ki hőt ahhoz, hogy évtizedekig kitartson, de elég intenzíven ahhoz, hogy hasznos legyen. Elsősorban alfa-részecskéket bocsát ki, amelyeket könnyű árnyékolni, és minimális sugárzási kockázatot jelentenek, ha egyszer be vannak kapszulázva. Az Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma szerint a Pu-238-at a Los Alamos Nemzeti Laboratóriumban tisztítják és kapszulázzák szigorú biztonsági előírások mellett. Az RTG-k soha nem okoztak űrhajó-balesetet.

A Naprendszert átívelő eredmények

Az RTG-k 1961-ben debütáltak az űrben a Transit 4A navigációs műhold fedélzetén. Azóta egy rendkívüli küldetéssorozatot láttak el energiával:

• Pioneer 10 és 11 – az első szondák a Jupiterhez és a Szaturnuszhoz (egyenként 40 watt)
• Viking 1 és 2 – az első sikeres Mars-szondák
• Voyager 1 és 2 – az egyetlen űrhajók a csillagközi térben (induláskor egyenként 158 watt)
• Cassini – 13 év a Szaturnusz körül (292 watt)
• New Horizons – a Plútó melletti elrepülés küldetése
• Curiosity és Perseverance – Mars-járók az újabb Multi-Mission RTG-t (MMRTG) használva, amely frissen feltöltve körülbelül 110 wattot biztosít

A NASA következő RTG-vel működő küldetése a Dragonfly, egy rotoros leszállóegység, amely a Szaturnusz Titán nevű holdjára tart.

A lassú elhalványulás

Az RTG-k nem halhatatlanok. A plutónium-238 bomlása folyamatosan csökkenti a hőteljesítményt, és a termoelem anyagok idővel lebomlanak. A Voyager 1 generátorai, amelyek induláskor körülbelül 470 wattot szolgáltattak, most ennek körülbelül kétharmadát termelik – évente körülbelül 4 wattot veszítve. A NASA Jet Propulsion Laboratory mérnökei úgy reagáltak, hogy szisztematikusan lekapcsolják a műszereket, hogy életben tartsák az űrhajót. Már csak két tudományos műszer működik: egy plazma hullámérzékelő és egy magnetométer.

"Még mindig nagyszerűen működnek, adatokat küldenek vissza egy olyan űrből, amelyet még soha nem fedezett fel ember alkotta eszköz" – mondta Kareem Badaruddin, a JPL Voyager küldetésének vezetője.

Mi következik?

A mérnökök egy "Nagy Bumm" nevű tervet dolgoznak ki – több energiaellátott alkatrész egyidejű cseréjét alacsonyabb energiaigényű alternatívákra –, amely a Voyager tudományos küldetését a 2030-as évekig meghosszabbíthatja. Eközben a NASA a következő generációs RTG-ket tervezi, amelyek több mint 250 watt teljesítményre képesek, biztosítva, hogy a jövőbeli szondák a jégóriásokhoz, óceánholdakhoz és azon túl is saját megbízható energiaforrással rendelkezzenek a sötétben.