Skąd sondy kosmiczne biorą prąd daleko od Słońca? Panele słoneczne, akumulatory i pluton

Dlaczego światła słonecznego ubywa

Światło słoneczne rozprasza się po drodze, więc ten sam panel zbiera go tym mniej, im dalej jest od Słońca. NASA ujmuje to prosto na przykładzie Jowisza: planeta jest pięć razy dalej od Słońca niż Ziemia, a docierające do niej światło jest 25 razy słabsze. Przy misji Europa Clipper NASA podaje to samo inaczej: w okolicy Jowisza sonda dostaje tylko 3–4 procent światła, które dociera do Ziemi.

Nie oznacza to, że energia słoneczna w zewnętrznym Układzie Słonecznym jest niemożliwa, ale robi się kosztowna – w rozmiarze i masie. Każdą dodatkową odległość trzeba okupić większym panelem, a przy Saturnie i dalej panele musiałyby być jeszcze większe. Jak planuje się i prowadzi bezzałogowe misje NASA, opisujemy na stronach Misje i Jak leci misja.

Jak daleko sięgają panele słoneczne

Juno pokazuje, gdzie dziś leży granica. 13 stycznia 2016 roku, w drodze do Jowisza, stała się najdalszą sondą zasilaną energią słoneczną – około 793 milionów kilometrów od Słońca. Poprzedni rekord należał do sondy ESA Rosetta, której orbita sięgnęła w październiku 2012 roku około 792 milionów kilometrów. Juno ma trzy skrzydła paneli słonecznych, każde długości około 9 metrów, z 18 698 ogniwami, a przy Jowiszu wytwarzają one tylko około 500 watów.

NASA tłumaczy, że umożliwiły to lepsze ogniwa, energooszczędne instrumenty i systemy sondy oraz taki plan misji, by Juno nie wchodziła w cień Jowisza; jej orbita okołobiegunowa ogranicza też łączną dawkę promieniowania. Wszystkie osiem sond, które dotarły do Jowisza przed Juno, miało zasilanie jądrowe.

Europa Clipper poszła tą samą drogą na większą skalę. Każde z jej dwóch skrzydeł ma około 14,2 metra długości i 4,1 metra wysokości, a po rozłożeniu sonda ma ponad 30,5 metra rozpiętości. Razem mają dawać przy Jowiszu około 700 watów. Skrzydła zbudowały Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa i Airbus w holenderskim Lejdzie.

Na Marsie problemem jest pył

Mars jest bliżej Słońca niż Jowisz, ale energia słoneczna ma tam innego wroga: pył oraz zmienne światło dnia, nocy i pór roku. Łazik Opportunity, zasilany panelami słonecznymi, miał pracować 90 dni marsjańskich i przejechać około 1000 metrów. Działał prawie 15 lat i przejechał ponad 45 kilometrów. Ostatni sygnał wysłał 10 czerwca 2018 roku, gdy jego okolicę spowiła silna burza pyłowa obejmująca całą planetę; NASA ogłosiła koniec misji 13 lutego 2019 roku.

W dwóch dużych łazikach, Curiosity i Perseverance, NASA wybrała generator radioizotopowy. JPL wyjaśnia, dlaczego w przypadku Perseverance: uwalnia on łazik od ograniczeń paneli słonecznych, których moc zmieniałaby się z porą dnia i roku oraz z osiadaniem pyłu, i pozwala prowadzić łączność, jazdę i badania o każdej porze i na różnych szerokościach geograficznych. Więcej o łazikach – na stronie Mars.

„Bateria jądrowa”: jak działa RTG

Radioizotopowy generator termoelektryczny (ang. RTG) zamienia ciepło na prąd bez żadnych ruchomych części. Jego paliwo, głównie pluton-238, nagrzewa się, bo samoistnie się rozpada. To ciepło ogrzewa jedną stronę zestawu termopar, chłód kosmosu albo powierzchni Marsa chłodzi drugą, a różnica temperatur wytwarza napięcie. NASA przypomina, że zasada ta pochodzi od Thomasa Johanna Seebecka, który odkrył, że w obwodzie z dwóch różnych przewodników powstaje napięcie, gdy ich złącza mają różne temperatury.

Model z Curiosity i Perseverance, Multi-Mission RTG, zawiera 4,8 kilograma dwutlenku plutonu i 768 termopar. Paliwo oddaje na początku około 2000 watów ciepła, z którego generator wytwarza około 110 watów prądu; zgodnie z projektem po 17 latach – z czego trzy przypadają na przechowywanie przed startem – ma jeszcze dawać 72 waty. Całość waży około 45 kilogramów i ma około 64 na 66 centymetrów.

Sto kilkadziesiąt watów brzmi skromnie, a Perseverance potrafi chwilami potrzebować nawet 900 watów. Dlatego generator ładuje dwa akumulatory litowo-jonowe, które pokrywają szczyty zapotrzebowania. Wykorzystuje się też ciepło: nadmiar zbiera układ z krążącym płynem i rozprowadza po łaziku, żeby elektronika nie wychłodziła się w mroźne marsjańskie noce. JPL spodziewa się, że generator będzie działał co najmniej 14 lat.

Czy to reaktor i czy to bezpieczne?

RTG nie jest reaktorem jądrowym: nic w nim nie rozszczepia atomów w reakcji łańcuchowej. NASA podkreśla, że pluton-238 to nie ten rodzaj plutonu, którego używa się w broni jądrowej, i że słabo nadawałby się na paliwo do reaktora. Ciepło pochodzi z naturalnego rozpadu promieniotwórczego o okresie połowicznego rozpadu 88 lat, a emitowane cząstki alfa zatrzyma nawet kartka papieru.

Główne ryzyko to wypadek przy starcie. NASA przyznaje, że w takim mało prawdopodobnym przypadku paliwo mogłoby przedostać się do środowiska, i zapewnia, że kilka warstw zabezpieczeń ma to ryzyko ograniczać. Paliwo jest ceramiką – NASA porównuje ją do materiału kubka – i przy uderzeniu raczej rozpada się na duże kawałki, niż zamienia w drobny pył. Paliwo jest w koszulce z irydu, osłonięta grafitowymi tulejami i obudową z włókna węglowego. Według NASA radioizotopowe źródła zasilania poleciały w 31 amerykańskich misjach kosmicznych od 1961 roku, a w trzech nieudanych misjach, które je przewoziły, zadziałały zgodnie z projektem.

Paliwo wytwarza w Stanach Zjednoczonych Departament Energii. Tlenek plutonu powstaje w Oak Ridge National Laboratory, w Los Alamos prasuje się z niego pastylki, a przechowuje się je w Idaho National Laboratory. Produkcję w USA wstrzymano pod koniec lat 80., a od 2011 roku Kongres finansuje jej wznowienie.

Dlaczego Voyagery wyłączają instrumenty jeden po drugim

RTG nigdy nie gaśnie nagle; jego moc spada co roku odrobinę, bo pluton się rozpada, a termopary starzeją. Wczesne misje NASA pokazują, jak długo to może trwać: Pioneer 10 i 11 projektowano na pięć lat, a utrzymywały łączność z Ziemią przez 30 i 22 lata.

Dwa Voyagery, wystrzelone w 1977 roku i wciąż działające, żyją z tym spadkiem na co dzień. Każdy traci około 4 watów rocznie. Żeby oszczędzać energię, NASA wyłączyła w lutym 2025 roku detektor promieniowania kosmicznego na Voyagerze 1, w marcu 2025 roku – instrument do pomiaru naładowanych cząstek niskoenergetycznych na Voyagerze 2, a 17 kwietnia 2026 roku – taki sam instrument na Voyagerze 1. Każda sonda miała dziesięć instrumentów, a na Voyagerze 1 większość z nich jest już wyłączona. W 2025 roku inżynierowie zakładali, że obie sondy utrzymają co najmniej jeden działający instrument naukowy w latach 30. (stan na 7 listopada 2026 r.).

Każdy wat, który Voyagery jeszcze wytwarzają, musi też wystarczyć na sygnał przesyłany przez miliardy kilometrów – odbierają go anteny opisane na stronie Deep Space Network. Jak dane wracają z Marsa, wyjaśniamy w artykule Jak łaziki marsjańskie wysyłają dane na Ziemię?, a historię marsjańskiego lądownika z polskim instrumentem – w artykule Co Polska zbudowała dla InSight?