Freitag, 29. März 2024

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Die USA werden kompakte Kernkraftwerke für den Weltraum entwickeln

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Die NASA hat einem Projekt des Rochester Institute of Technology grünes Licht gegeben, um eine Kernenergiequelle zu entwickeln, die zehnmal kleiner ist als die, die derzeit für Planetenmissionen verwendet wird.

Die meisten heute in Betrieb befindlichen Satelliten werden von Solarmodulen angetrieben, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln, indem sie Photonen absorbieren und ein potenzielles Ungleichgewicht in den Materialien der Modulzellen erzeugen, die den elektrischen Strom erzeugen. Diese Panels machen ihre Arbeit sehr gut, aber im Weltraum jenseits der Umlaufbahn des Mars oder unter rauen Bedingungen wie Marsstaubstürmen oder den langen Nächten auf dem Mond kann das Sonnenlicht einfach nicht die notwendige Energie erzeugen.

Als Alternative haben viele Raumfahrzeuge Multi-Mission Radioisotope Thermal Generators (MMRTGs) an Bord, die einen Temperaturgradienten zur Stromerzeugung nutzen. Mit anderen Worten, das Radioisotop erzeugt Wärme und die Thermoelemente wandeln sie direkt in Strom um. Dieses Prinzip ist Ingenieuren vertraut und wird auf der Erde häufig für Dinge wie kerosinbetriebene Radios und Öfen verwendet, die auch mobile Geräte aufladen können.

NASA

Das Problem mit MMRTGs ist, dass sie relativ sperrig sind. Beispielsweise hat das Paar, das im Perseverance-Rover der NASA verwendet wird, einen Durchmesser von 64 cm, eine Länge von 66 cm und ein Gewicht von 45 kg. Jeder von ihnen enthält 4,8 kg Plutoniumdioxid als Brennstoff, der beim Zerfall radioaktiver Elemente Festkörper-Thermoelemente mit Wärme versorgt.

Infolgedessen sind diese MMRTGs für sehr große Raumfahrzeuge konzipiert, und Perseverance hat die Größe eines SUV. Dies liegt daran, dass das verwendete System nur eine begrenzte spezifische Leistung hat, die ein Maß dafür ist, wie viel Watt Leistung pro Maschineneinheit erzeugt werden kann. Ein Familienauto hat eine spezifische Leistung von 50 bis 100 W/kg, ein Kampfjet etwa 10 W/kg. Im Gegensatz dazu hat MMRTG ein Verhältnis von etwa 000 W/kg.

Unter Berücksichtigung der Thermodynamik von Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) eines möglichen Geräts hofft das NASA-Projekt, dieses Verhältnis um eine Größenordnung auf 3 W/kg zu reduzieren, bei einer ebenso signifikanten Verringerung des Volumens.

Dies wird durch die Verwendung eines neuen Prinzips erreicht, bei dem es sich im Wesentlichen um ein umgekehrt funktionierendes Solarpanel handelt. Wenn ein Solarmodul Licht absorbiert, wird ein Teil davon in Strom und der größte Teil in Wärme umgewandelt. Die neue Radioisotopen-Energiequelle arbeitet nach dem Prinzip eines thermostrahlenden Elements, bei dem Wärme in Form von Infrarotlicht auf eine Platte mit Elementen aus Indium, Arsen, Antinom und Phosphor in verschiedenen Kombinationen trifft. Dadurch entsteht eine Potentialdifferenz mit entgegengesetzter Polarität zu der, die in Solarzellen auftritt.

Kurz gesagt, ein thermoradiatives Element erzeugt aus Wärme Strom und setzt die verbrauchte Energie in Form von Infrarotphotonen frei. Dies funktioniert nicht nur in umgekehrter Richtung des Solarmoduls, sondern ist auch viel effizienter. Das Ergebnis ist ein neuer Wärmestrahlungsgenerator (TRG).

Wenn diese neue Technologie in die Praxis umgesetzt werden kann, bedeutet dies, dass zukünftige Missionen zum Jupiter und darüber hinaus oder zu den permanent beschatteten Kratern der Polarregionen des Mondes in der Lage sein werden, Raumschiffe in CubeSat-Größe mit kleinen Generatoren zu verwenden, um sie mit allem zu versorgen die Kraft, die sie brauchen.

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