Марсоходът Perseverance разчита на ядрената енергия

Учените от НАСА изследват повърхността на Марс с помощта на ядрени технологии, надявайки се да открият признаци на живот.  Ако всичко върви по план, марсоходът Perseverance (Постоянство) може да бъде първият марсоход, който се връща на Земята. Новият посетител на Червената планета ще изследва почвата около кратера Hezero на Червената планета и ще бъде подпомогнат от радиоизотопен термоелектрически генератор на борда – ядрена батерия със заряд от 10,6 паунда плутониево гориво. Тя ще захранва марсохода в продължение на 14 години, съобщава Аtominfo, цитирайки Energyland.info.
Космическият апарат взема проби от почвата, които ще бъдат проучени на място и по-късно доставени на Земята за научни изследвания.

Електрозахранване

Новият роувър на НАСА няма слънчеви панели.
Захранва се с електричество от ядрена енергийна система – многофункционален радиоизотопен термоелектрически генератор (MMRTG), който е монтиран в задната част на апарата.

MMRTG използва топлинната енергия, отделена по време на естественото разпадане на радиоактивните изотопи и я преобразува в електричество с помощта на термоелектрически генератор. Тежи 45 кг и използва 4,8 кг плутониев диоксид като източник на енергия. По време на пускането на роувъра от Земята генераторът има мощност приблизително 110 вата, но тази стойност ще намалява всяка година.

Роувърът има и две акумулаторни литиево-йонни батерии.

Радиоизотопният термоелектрически генератор, предоставен от Министерството на енергетиката на САЩ, трябва да осигури 14 години експлоатация на марсохода.

Отличителни особености

За разлика от ядрените реактори, енергийната система на марсохода не е необходимо да поддържа верижна реакция на делене. Изходната мощност на РИТЕГ е ниска – само няколкостотин вата, а ефективността също е ниска.
Генераторът използва топлината, генерирана от разпадането на плутоний-238, и я преобразува в електроенергия.

Системата може да работи безпроблемно без никаква поддръжка. Доказателство за това са сигналите от две сонди „Вояджър“, изстреляни в космоса в края на 70-те години и оборудвани с подобни системи. Общо РИТЕГ вече са били използвани в повече от две дузини мисии за изследване на дълбокия космос.

Защо плутоний-238

„Плутоний-238 е уникален изотоп, който се разпада при излагане на алфа-излъчване.
Поради това той генерира много топлина, казва ръководителят на програмата за снабдяване с плутоний Робърт Уем от Националната лаборатория Oak Ridge, която в момента работи с НАСА. – За такъв малък апарат като Постоянство интензивният разпад не е необходим. Термичното разпадане е достатъчно“.

Еволюцията на захранващите системи

Някои предишни роувъри, по-специално Curiosity, разчитаха на слънчева енергия, за да работят, но Perseverance използва ядрена батерия поради липсата на светлинна енергия.

НАСА се зае да направи повече експерименти и изследвания с помощта на устройства с електрическо задвижване, така че „Постоянство” се нуждаеше от много повече енергия.
Освен това марсианската година продължава два пъти по-дълго от земната.
За разлика от своите предшественици, марсоходът ще може да работи както през нощта, така и при прашни бури, което би било невъзможно със слънчеви панели, тъй като фотоволтаичните панели в такива условия бързо се замърсяват с пясък и прах.

Как се произвежда ядрената батерия за Марс

Процесът на изграждане на ядрената батерия започва в Националната лаборатория в Айдахо, която произвежда нептуний-237, радиоактивен оксид на метала.
След това се отправя към Тенеси, за да бъде пресован в таблетки с размерите на гумички за молив. След това „таблетките“ се подреждат в метални тръбички (по 52 броя), които от своя страна се поставят в ядрен реактор – в Оук Ридж, или в Националната лаборатория в Айдахо.
В реактора таблетките се бомбардират с неутрони, за да се превърнат в плутоний.

След отпускане в продължение на няколко месеца плутоният се изпраща в Националната лаборатория в Лос Аламос в Ню Мексико, където друга машина пресова малки плутониеви топчета.
На последния етап плутоният се поставя в корпуси, изработени от иридий, почти неразрушим метал, който предотвратява проникването на радиация във външната среда.

Ядрена батерия използва термодвойки, за да преобразува топлината, генерирана от разпадането на радиоактивния материал, в електроенергия чрез ефекта на Зеебек.
Този тип генератор е най-надежден, тъй като няма движещи се части.

Марсоходът

«Персеверанс», е предназначен да изследва кратера Езеро на Марс като част от мисията на Американската космическа агенция, беше изстрелян от Земята на 30 юли 2020 г. Полетът продължи около седем месеца. Кацането на Марс е извършено на 18 февруари 2021 г. в автоматичен режим.

Оборудване

Марсоходът разполага със 7 научни инструмента за изследване на повърхността на Марс в района на кратера Езеро, където според учените може да има делти на пресъхнали реки.
Устройството е оборудвано с камери за заснемане и микрофони за запис на звук, както и отделен безпилотен летателен апарат (БПЛА) от типа хеликоптер. Първият в света извънземен въртолет Ingenuity ще помогне да се открият нови локации за изследване.

След като бъде намерено подходящо място за „хеликоптерната площадка“, марсоходът ще пусне Ingenuity за поредица от тестови полети в рамките на 30-дневен експериментален период. Автономният разузнавателен дрон с тегло 1,8 кг използва слънчеви батерии.

Пет-ставното роботизирано рамо с дължина 2,1 м, заедно с въртяща се опорна кула, са предназначени за вземане и анализ на геоложки проби от марсианската повърхност.

Електрозахранване на космическите апарати

От първите стъпки в изследването на космоса САЩ и Съветският съюз започват да разработват ядрени батерии за космически апарати.
Тези устройства използват термоелектрически материали, с помощта на които топлината от ядрена реакция директно се превръща в електричество.
Такива инсталации бяха много компактни, тъй като им липсваха парогенератори, турбини и генератори. Но ефективността на такива устройства е изключително ниска (варира в рамките на 3-7% и дори при експерименти не надвишава 10%).

Малките ядрени реактори и ядрените батерии отдавна се използват в безпилотните шпионски спътници. Както НАСА, така и съветската космонавтика са похарчили огромни суми, опитвайки се да създадат безопасна система, която да гарантира движението на космически кораб в космоса, след като напусне Земята.
Такива звездни кораби могат да бъдат сравнени с атомните подводници.

Повечето космически кораби в момента се задвижват от химически ракети и получават допълнителна енергия от слънчеви модули, но сегашната технология е непрактична за междупланетни полети, дори за пътуване до най-близкия ни съсед, Марс.