Jak RTG zasilają statki kosmiczne miliardy kilometrów od Słońca

Nuklearne baterie, które eksplorują kosmos

Ponad 24 miliardy kilometrów od Ziemi, Voyager 1 wciąż przesyła dane z przestrzeni międzygwiezdnej – prawie pięć dekad po starcie w 1977 roku. Żaden panel słoneczny nie mógłby działać tak daleko od Słońca. Zamiast tego sonda polega na radioizotopowym generatorze termoelektrycznym (RTG), urządzeniu często nazywanym „baterią nuklearną”, które przekształca ciepło rozpadu radioaktywnego w energię elektryczną. RTG zasilały ponad dwadzieścia amerykańskich misji kosmicznych w ciągu ostatniego półwiecza i pozostają jedyną sprawdzoną technologią do eksploracji zewnętrznego Układu Słonecznego.

Jak działa RTG

Zasada działania jest elegancko prosta. RTG zawiera rdzeń z plutonu-238, izotopu, który generuje intensywne ciepło w wyniku naturalnego rozpadu atomów. Ciepło to przepływa na zewnątrz przez szereg termoogniw – par różnych materiałów półprzewodnikowych połączonych na dwóch złączach. Gdy jedno złącze jest gorące (w pobliżu plutonu), a drugie zimne (skierowane w stronę próżni kosmicznej), różnica temperatur powoduje przepływ prądu elektrycznego, zjawisko znane jako efekt Seebecka.

Nie ma ruchomych części, turbin, pomp. Nic do smarowania, nic do zacięcia. Ta mechaniczna prostota jest powodem, dla którego RTG mogą działać przez dziesięciolecia bez konserwacji – co jest kluczową cechą, gdy najbliższy warsztat naprawczy znajduje się miliardy kilometrów stąd.

Dlaczego pluton-238?

Nie każdy materiał radioaktywny się nadaje. Pluton-238 ma okres półtrwania wynoszący 87,7 lat, co oznacza, że uwalnia ciepło wystarczająco wolno, aby wystarczyło na dziesięciolecia, ale wystarczająco intensywnie, aby było użyteczne. Emituje głównie cząstki alfa, które są łatwe do ekranowania i stanowią minimalne ryzyko promieniowania po zamknięciu w kapsule. Według Departamentu Energii USA, Pu-238 jest oczyszczany i kapsułkowany w Los Alamos National Laboratory zgodnie z surowymi protokołami bezpieczeństwa. RTG nigdy nie spowodowały wypadku statku kosmicznego.

Historia sukcesów w całym Układzie Słonecznym

RTG zadebiutowały w kosmosie w 1961 roku na pokładzie satelity nawigacyjnego Transit 4A. Od tego czasu zasilały niezwykłą listę misji:

• Pioneer 10 i 11 – pierwsze sondy do Jowisza i Saturna (po 40 watów każda)
• Viking 1 i 2 – pierwsze udane lądowniki na Marsie
• Voyager 1 i 2 – jedyne statki kosmiczne w przestrzeni międzygwiezdnej (po 158 watów każdy w momencie startu)
• Cassini – 13 lat na orbicie Saturna (292 waty)
• New Horizons – misja przelotu obok Plutona
• Curiosity i Perseverance – łaziki marsjańskie wykorzystujące nowszy Multi-Mission RTG (MMRTG), który zapewnia około 110 watów po świeżym zatankowaniu

Następną misją NASA zasilaną przez RTG jest Dragonfly, lądownik z wirnikiem, który zmierza na księżyc Saturna, Tytana.

Powolne zanikanie

RTG nie są nieśmiertelne. Rozpad plutonu-238 stale zmniejsza moc cieplną, a materiały termoogniw ulegają degradacji z upływem czasu. Generatory Voyagera 1, które dostarczały około 470 watów w momencie startu, produkują obecnie około dwóch trzecich tej wartości – tracąc około 4 waty rocznie. Inżynierowie z Jet Propulsion Laboratory NASA zareagowali, systematycznie wyłączając instrumenty, aby utrzymać statek kosmiczny przy życiu. Aktywne pozostały tylko dwa instrumenty naukowe: czujnik fal plazmowych i magnetometr.

„Wciąż działają świetnie, przesyłając dane z obszaru kosmosu, którego żaden inny statek stworzony przez człowieka nigdy nie zbadał” – powiedział Kareem Badaruddin, kierownik misji Voyager w JPL.

Co dalej

Inżynierowie opracowują plan o nazwie „Wielki Wybuch” – jednoczesną wymianę wielu zasilanych komponentów na alternatywy o niższej mocy – który mógłby przedłużyć misję naukową Voyagera do lat 30. XXI wieku. Tymczasem NASA projektuje RTG nowej generacji, zdolne do wytwarzania ponad 250 watów, zapewniając, że przyszłe sondy do lodowych gigantów, oceanicznych księżyców i dalej będą miały własne niezawodne źródło zasilania w ciemności.