La crisis energética del espacio profundo podría terminar pronto

Según esto, operar la mayoría de las naves espaciales parece ser un simple problema de ingeniería. Después de todo, sin nubes que oscurezcan el sol, decorar un satélite con suficientes paneles solares para satisfacer sus necesidades eléctricas parece incomprensible. Encontrar una manera de mantener los conjuntos fotovoltaicos (PV) del tamaño apropiado y asegurarse de que estén orientados correctamente para maximizar la cantidad de energía recolectada puede ser difícil, pero tener energía esencialmente ilimitada que fluye del sol simplifica enormemente el problema general.

Desafortunadamente, esto solo se aplica a las naves espaciales que operan relativamente cerca del sol. La tiranía de la ley del cuadrado inverso no puede escapar, y más allá de la órbita de Marte, el tamaño que debe tener un conjunto fotovoltaico para capturar cantidades útiles de energía solar los hace prohibitivos. Aquí los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) están comenzando a tener sentido.

Los RTG utilizan el calor de los radioisótopos en descomposición para generar electricidad con termopares y han impulsado naves espaciales en misiones al espacio profundo durante décadas. El plutonio-238 ha sido durante mucho tiempo el combustible elegible para los RTG, pero a principios de la década de 1990, el suministro de combustible de la Guerra Fría se agotó más rápido de lo que podía reponerse. La falta de Pu-238 limitó severamente el número de misiones planetarias y en el espacio profundo que la NASA pudo apoyar. Afortunadamente, los desarrollos recientes en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) parecen haber roto el cuello de botella que ha limitado la producción de Pu-238. Si vale la pena, la crisis energética del espacio profundo puede terminar y la ciencia lejana en los nichos oscuros del sistema solar y más allá puede volver a la mesa.

Caliente y listo

Caliente del horno - no. El combustible RTG de óxido de Pu-238 limita la combustión debido a su radiactividad después de retirar la manta aislante de grafito. Cada caracol puede producir 62 vatios de calor. Fuente: Laboratorio Nacional de Los Alamos

El desarrollo y uso de RTG para misiones espaciales se asemeja mucho a la acumulación de programas espaciales a mediados del siglo anterior. El primer RTG se inventó en 1954 en la era de los "Átomos para la paz" de esfuerzos para encontrar formas no destructivas de aprovechar el poder del átomo. La promesa fue grandiosa; energía esencialmente ilimitada sin partes móviles que se pueden escalar hacia arriba o hacia abajo para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones, desde el funcionamiento de aplicaciones terrestres remotas como faros y estaciones meteorológicas remotas hasta el funcionamiento de marcapasos implantables con una fuente de energía que sobreviviría al paciente.

Solo en 1961 saldrá el primer RTG al espacio, en un satélite de navegación naval. La primera de las misiones en el espacio profundo que exhibió el poder de RTG fueron las misiones Pioneer a principios de la década de 1970, que allanaron el camino para la prueba definitiva de RTG: Viajero 1 y Viajero 2. Cada una de estas naves espaciales utiliza tres RTG que contienen 4,5 kg de Pu-238, que producen 480 vatios de potencia total por vehículo en el lanzamiento. Más de cuarenta años después, las RTG todavía están en funcionamiento, su producto ha disminuido considerablemente debido al paso de una gran parte de la vida media de 87,7 años de los pellets de combustible y la degradación general del sistema eléctrico. Pero todavía funcionan, y probablemente durante al menos uno o dos años más.

Corte de un generador termoeléctrico de radioisótopos de fuente caliente de uso general (GPHS-RTG). Los combustibles Pu-238 están envueltos en la pila de bloques GPHS en el centro. Fuente: Potentes sistemas de radioisótopos de la NASA

El diseño de RTG para el espacio es bastante simple. El combustible radiactivo se comprime en gránulos cubiertos con materiales protectores. El combustible se encuentra en un recipiente llamado fuente de calor, cuya única función es calentar. La fuente de calor se desliza en otro recipiente, este forrado con termopares. La superficie interior, en contacto directo con el recipiente caliente de combustible en descomposición, tiene las uniones calientes del termopar, mientras que las uniones frías miran hacia afuera en el vacío del espacio. La diferencia de temperatura es la clave para crear energía eléctrica a través del efecto Seebeck, que es la misma idea detrás de los chips Peltier.

Los RTG de la misión Voyager fueron los "RTG de vatios múltiples" (MHW-RTG), que utilizaban termopares de silicio-germanio, 312 de RTG. Entonces misiones como Cassini y Galileo usó otro diseño, el GPHS-RTG, o "RTG de aguas termales de uso general". Estos RTG eran muy similares al MHW-RTG, con un diseño eléctrico similar pero combustible mejor y más eficiente. Los RTG más recientes son los “RTG multimisión” (MMRTG), que tienen termopares avanzados con telurio de plomo y una aleación llamada TAGS (telurio, plata, germanio y antimonio). Marte Nosotros resbalaremos un vehículo de investigación tiene MMRTG, así como el vehículo de investigación Mars 2020.

Robots a la Salvación

La alquimia nuclear utilizada para producir Pu-238 y otros radioisótopos es compleja y extremadamente peligrosa de realizar. Pu-238 se produjo originalmente bombeando uranio-238 con núcleos de deuterio en un reactor, pero más tarde se descubrió que la producción de Pu-239 para núcleos de bombas producía subproductos que podrían transformarse más fácilmente en Pu-238. A partir de mediados de la década de 1960, todo el Pu-238 para uso civil y militar de EE. UU. Se produjo mediante irradiación de neutrones de neptunio-237 seguida de separación química.

En 1988, los reactores nucleares en el sitio de Savannah River en Carolina del Sur se cerraron y la red de Pu-238 de EE. UU. Se secó. Incluso cuando los reactores estaban en funcionamiento, la producción era un proceso lento y peligroso, que daba como resultado solo unos pocos kilogramos al año. Desde 1993, la NASA ha comprado su Pu-238 a Rusia, pero solo lograron suministrar 16,5 kg de los artículos antes de que también detuvieran la producción.

En diciembre de 2015, el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee produjo el primer Pu-238 en los Estados Unidos en casi 30 años: 50 gramos por valor. El proceso de producción fue laborioso, con la mayor parte del trabajo en la producción de gránulos de neptunio-237. Los gránulos se hicieron a mano añadiendo Np-237 y polvo de aluminio y presionándolo para formar gránulos adecuados para el bombardeo de neutrones.

Lo mejor que el laboratorio pudo manejar a mano fue alrededor de 80 gránulos de neptuno por semana, lejos del objetivo de 275 gránulos por semana. Para alcanzar ese nivel de producción y aumentar de 50 gramos de Pu-238 por año a 400 gramos, ORNL ha introducido recientemente un método automático para producir gránulos de neptuno. Los detalles son difíciles (los métodos de producción de plutonio tienden a estar más bien guardados por razones de seguridad nacional), pero si los gránulos de neptunio funcionan bien en los reactores, ORNL podría estar en camino de reconstruir el suministro de Pu-238.

De hecho, incluso si este avance en la automatización se demuestra, la capacidad de producción total de Pu-238 en los Estados Unidos seguirá siendo de menos de medio kilogramo al año. Pero si la tecnología funciona, se puede replicar tanto en el Laboratorio Nacional de Los Alamos como en el Laboratorio Nacional de Idaho, triplicando la producción nacional y acercándose al objetivo de la NASA de 1,5 kilogramos de plutonio-238 por año hasta 2025.

La NASA parece optimista de que la crisis energética del espacio profundo casi ha terminado gracias a la nueva tecnología, pero aún queda un largo camino por recorrer. Casi todos los 35 kilogramos del inventario total de Pu-238 disponibles en 2015 estaban planeados para misiones futuras o no eran adecuados para su uso en RTG para el espacio profundo.

  • russdill dice:

    Me encanta que el fliby New Horizon de Plutón funcionara con plutonio.

  • Joel B dice:

    "... marcapasos implantables con una fuente de energía que sobreviviría al paciente".

    Doctor: La buena noticia es que hemos instalado un marcapasos que durará más que usted. La mala noticia es que no tiene suficiente protección, por lo que también está recibiendo radioterapia para el cáncer que definitivamente va a desarrollar. : PAG

    ¿Alguien ha intentado alguna vez operar un submarino a través de RTG? Parece que crearía un submarino muy, muy silencioso.

    • Lucas dice:

      Probablemente no, porque RTG es muy ineficiente. Para desarrollar suficiente energía para operar un submarino, tendría que hervir el agua circundante.

      • Martín dice:

        Entonces, la columna de vapor resultante indicará la posición de los submarinos a pesar de que es extremadamente silencioso. 🙂

    • Conocido dice:

      La descomposición de PU238 es por partículas alfa, un sobre de goma de mascar podría detenerlos a todos. La mala noticia sería que si el contenedor se rompiera, el plutonio es un veneno mortal y también radiactivo.

      • Biotronics dice:

        ¿Existe una fuente para esto? Cuando busco información, obtengo informes sensacionales de los medios o artículos muy sobrios como estos:
        https://www.lenntech.com/periodic/elements/pu.htm
        http://ecolo.org/documents/documents_in_english/plutonium-bernard-cohen.html
        Citas: "A partir de 2003, todavía hay una sola muerte humana atribuida oficialmente a la exposición al plutonio", "hasta la fecha, ningún ser humano ha muerto por inhalar o consumir plutonio y muchas personas tienen cantidades mensurables de plutonio en sus cuerpos".
        Bernard L. Cohen también escribe en su libro (y cita en el artículo anterior) "La opción de energía nuclear" (http://www.phyast.pitt.edu/~blc/book/index.html) sobre cómo los cálculos muestran el plutonio los trabajadores deberían tener un 99,5% de posibilidades de padecer cáncer de pulmón debido a su trabajo, pero ninguno de ellos tiene tal indicación. Bien, eso fue en 1977, así que pueden haber desarrollado cáncer desde entonces.

        No me malinterpretes, me gustaría que me demuestren que estoy equivocado, pero me parece que su toxicidad es exagerada.

    • Hirudinea dice:

      Canadá exploró con una "batería nuclear" en un submarino a finales de los 80, aquí hay un enlace.

      https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/21/050/21050244.pdf

      • gdjacobs dice:

        Eso usó un arma mini-nuclear de Slowpoke, por lo que un reactor de fisión compacto completo. Los RTG dependen del calor de la desintegración radiactiva.

    • Matthew Trey dice:

      Creo que la mayor parte del ruido producido por la subpropulsión en la actualidad es la cavitación de la hélice. Creo que leí en alguna parte que el agua en contacto con las cuchillas básicamente está hirviendo y es bastante ruidosa.

      • TRN dice:

        Estarías equivocado. Sin embargo, a velocidad lateral o de emergencia, es posible, porque como velocidad de funcionamiento normal, los puntales están diseñados para no cavitar y lo han estado durante mucho tiempo (el programa original del proyecto estaba en la cinta de papel más moderna). La principal fuente de ruido son los equipos de soporte del reactor y los sistemas de soporte vital. El reactor es el peor porque no se puede apagar cuando intentas esconderte.

      • sonofthunderboanerges dice:

        Matthew Trey - Con los cortes de EE. UU., La cavitación del tornillo se reduce en gran medida con la fresadora Mitsubishi, que mejora las cuchillas de la tornillo. El verdadero ruido que realmente desafía a una plataforma para un buen silencio es el compresor del arma nuclear. Hoy nuestros submarinos están increíblemente silenciosos. Los cojinetes magnéticos también ayudan. Como un hoyo en el agua.

        • Antti dice:

          Más silenciosos, pero más lejos del agujero en el agua que son los barcos modernos con motor diésel.

          • Antti dice:

            Ja, fríame madera, diesel-eléctrico, gemido

    • jafinch78 dice:

      La combustión externa, sin embargo, tuvo lugar con otras fuentes de calor, es decir, diesel.
      https://en.wikipedia.org/wiki/Air-independent_propulsion#Stirling_cycle_engines
      https://eo.wikipedia.org/wiki/Gotland-class_submarine
      https://eo.wikipedia.org/wiki/A26_submarine

      Realmente no entiendo el límite para implementar un sistema termonuclear de combustión externa aparte de que todavía están clasificados. Quizás soy optimista.

      Aquí hay un artículo interesante que muestra una trayectoria que no observé en la página 4 antes:
      https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19880002196.pdf

      Siempre pensé cuando descubrí sobre RTG y los sistemas de combustión externa de la NASA (me refiero a cilindros revestidos de Ruby y operaciones de mayor presión en el espacio que no puedo encontrar la fuente en este momento ... que pensé que sería perfecto bajo el agua. y especialmente en la posición del viento térmico) el método de combustión externa podría ser una forma de conservar más agua ... porque la mayor parte del vapor simplemente se eleva a la atmósfera en algún lugar. Parece que las mejoras en la ciencia de los materiales también son posibles para permitir la desalinización en las instalaciones de turbinas, si no en la combustión externa.

      De vuelta a RTG ... es interesante ahora wikipedia tiene información que no pude encontrar en línea sobre el uso de RTG a través de la Unión Soviética: https://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator#Life_span

      De hecho, da miedo la seguridad y el potencial de supervisión en esos sistemas. Quiero decir ... pensé que los problemas con las comunidades médicas son bastante graves. En particular, con materias primas de origen gubernamental que se destinan a operaciones sistémicas, que en algunos casos ganan más de 1 millón de dólares al día. ¿Se pregunta por qué hay problemas con la supervisión de lógica de radio en general? Parece que leí en alguna parte que existe una agenda de control de la población para causar desastres nucleares en lugar de bombas nucleares. Tiene sentido por qué ha habido y hay preocupaciones sobre las "bombas sucias" ... no solo por la tecnología inalámbrica que hackea las funciones electrofisiológicas.

  • Ruedas17 dice:

    Números aproximados:

    MMRTG: 150 vatios
    GE PWR S6G (ataque por debajo): 26.000.000 vatios
    GE S8G (acelerador): 44.000.000 vatios

    • TheRegnirps. dice:

      Esos subordinados consumen el combustible con bastante "rapidez" en comparación con el RTG.

  • tekkieneet dice:

    Estados Unidos saldrá de un tratado nuclear, así que espere más combustible (y bombas) para todos. : PAG

  • GrouchyIngeniero dice:

    error tipográfico, pero aparentemente no puede editar sus propias publicaciones.

  • Tom Nardi dice:

    Me alegra ver que este problema preste más atención, la falta de Pu-238 fue un gran problema para básicamente cualquier misión que tenga como objetivo ir más allá de la Luna. Con más plutonio en proyecto, sería interesante ver el progreso de la NASA en su Stirling RTG.

  • TheRegnirps. dice:

    Esto simplemente no estará permitido bajo el Nuevo Acuerdo Verde. Y ningún lanzamiento antes de la NASA podrá producir un lanzador solar y mitigar toda la deuda de carbono creada durante la I + D y la producción.

  • DanielR dice:

    Esta debe ser la secuela de esta historia ...
    https://www.newscientist.com/article/dn13545-nanomaterial-turns-radiation-directly-into-electricity/

    • Gravis dice:

      También son buenas noticias para las personas que todavía esperan reactores de fusión en frío. 😉

  • Lobo dice:

    Probablemente mencionaste:
    https://eo.wikipedia.org/wiki/Juno_(spacecraft)

    Tuvo que usar paneles solares debido a la falta de plutonio-238.

  • Carl Vehse dice:

    "La alquimia nuclear utilizada para producir Pu-238 y otros radioisótopos es compleja y extremadamente peligrosa de realizar".

    El primer aislamiento químico (y descubrimiento) exitoso del elemento 94 (producido por un ciclotrón que bombardea el U-238 con deuterones para producir Np-238, que luego se desintegra en Pu-238) tuvo lugar del 23 al 25 de febrero de 1941 en el Laboratorio Gilman Hall. Habitación 307 en la Universidad de California en Berkeley, por el estudiante de posgrado de Glenn Seaborg, Arthur C. Wahl.

    • drwho8 (@ drwho8) dice:

      No olvidemos a Lawrence, quien inventó la cosa, y lo hizo antes en la Universidad de California, Berkeley. También recibió un noble por todo el asunto.

      • Carl Vehse dice:

        Sí, en 1939, Ernest Lawrence ganó el Premio Nobel de Física por su invención (en 1929-30) y el uso posterior del ciclotrón.

  • sonofthunderboanerges dice:

    Los alemanes han logrado grandes avances en la tecnología submarina utilizando tecnología de pila de combustible. No hay radiación peligrosa involucrada. Los RTG son buenos, pero representan un peligro para las posibles formas de vida. Quiero decir, se sospecha que TITAN contiene vida según la NASA y la ESA. Planean enviar un estudio submarino a TITAN para explorar sus océanos. Definitivamente funcionará con RTG. Ya han salido de una sonda Huygens vía RTG.

    Si cualquier inventor inteligente pudiera descubrir cómo reciclar el hidrógeno del combustible, uno podría descubrir cómo operar una nave espacial más allá de Neptuno sin RTG. O entender cómo alimentar combustible con metano de titanio y otras lunas de metano. de RTG podríamos tener una caja BLOOM de siguiente nivel. Hoy en día, muchas grandes empresas operan sus edificios con servidores de Bloom Energy y metano (gas natural), un subproducto = H²0.

    • jafinch78 dice:

      "Si cualquier inventor inteligente pudiera descubrir cómo reciclar el hidrógeno del combustible, uno podría descubrir cómo operar una nave espacial más allá de Neptuno sin RTG. O entender cómo alimentar combustible con metano de Titán y otras lunas que producen metano. En lugar de RTG podríamos tener una caja BLOOM de siguiente nivel ".

      Puede que no sean los procesos más eficientes ... las materias primas parecen estar presentes y conviene estudiar los métodos clásicos cíclicos y determinar las posibilidades de mejora continua para aumentar la eficiencia y reducir los requisitos de masa / volumen de los sistemas:
      https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-natural-gas-reforming
      https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_production#Plasma_reforming

      • Raymond dice:

        NIKOLAS TESLA utilizó resonancia para provocar un flujo de energía eléctrica desde el éter.

    • Paul dice:

      sonofthunderboanerges dice: "Ya han dejado una sonda Huygens impulsada por RTG en la superficie".

      No no. Ya sea por ilusiones o por simple ignorancia, eso no está bien. Huygens tiene (tiene) RTG. Cassini, su vehículo de reparto (entre otras cosas sensacionales), tenía tres RTG, pero Huygens era una batería.

      Vamos: solo tuvo una vida de menos de cuatro horas. No se necesita RTG para esto.

      Para reciclar el hidrógeno de un escape de una celda en llamas (agua), puede llevar un electrolizador y alimentarlo con RTG. Oh espera ...

      • sonofthunderboanerges dice:

        @Paul - Bueno, entendí mal la letra. Huygens tenía 35 RHU. Baterías Sí, supongo que podrías llamarlas baterías NUCLEARES. RHU también tiene plutonio.

        ¿Reciclar hidrógeno de HFC (es decir, caja Bloom)? Creo que olvidaste lo que hace el HFC. Pueden producir electricidad y mucha.

        • ahora tienes cancer dice:

          “Cinco baterías suministran la energía eléctrica de la misión. Cada batería consta de dos módulos LiSO2 (7,6 Ah) de 13 celdas en serie. "Página 170, http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.469.139&rep=rep1&type=pdf

    • salec dice:

      Aquí en la Tierra tenemos una noción de "combustible" simplemente porque estamos rodeados de oxígeno, pero fuera de la Tierra, en algún lugar donde la atmósfera es metano, el oxígeno es el combustible y falta. Y en términos de reciclar el hidrógeno del combustible, el combustible consume oxígeno y produce agua. Para reciclar agua (es decir, recuperar oxígeno e hidrógeno) es necesario agregar energía, por lo que básicamente se vuelve al punto de partida: ¿de dónde vendrá la energía necesaria?

    • Martín dice:

      El hidrógeno se utiliza (se oxida) en una pila de combustible. Para “reciclarlo” hay que reducirlo, eso significa invertir más que la energía que primero saca de la celda. Si puede hacer esto, tiene otra fuente de energía y no necesitaría la celda de combustible con sus propios ojos.
      Así que "reciclar el hidrógeno de una pila de combustible" es una mierda, no hay energía gratuita.
      Estos floretes probablemente necesiten aire u oxígeno. Ambos no están generalmente disponibles en el espacio. Tenías que traer combustible Y oxígeno para fuentes de energía química.

  • CHRIS ALAS dice:

    Olvidó mencionar que algunos laboratorios están estudiando cómo usar Americium-241, que no solo tiene una vida media MUCHO más larga (como mil años), sino que también está disponible en grandes cantidades. La principal desventaja de Am241 como RTG es que necesita muchas más cosas, no produce tanta potencia como un Pu-248, y también necesita más blindaje porque emite alfa Y algún tipo de radiación (solo RTG realmente quiere ruedas Alpha).

    Fuente: De hecho, estoy investigando DIY RTG para un proyecto de investigación espacial en el que estoy trabajando.

    • Mago negro dice:

      Otro es el Sr-90, que está disponible en grandes cantidades, pero tiene menor energía de desintegración y necesita un blindaje más pesado.

  • Mago negro dice:

    Incluso los vehículos de investigación y las sondas que funcionan con energía solar a menudo todavía necesitan Pu238 para calentadores de radio para evitar que se congelen en la oscuridad.

  • karulo dice:

    También hay nuevos avances en el generador nuclear termoiónico ver: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516305912?via%3Dihub
    La eficiencia aumentaría (3 veces mejor que una simple proyectada por TEC) por lo que por solo un tercio de los 1.5 kg, obtendría la misma potencia de salida.

  • Sr. Anil Sethi Jr. dice:

    Vaya, increíble conocimiento de los sistemas eléctricos, pero esto no estará disponible para el público en general debido a los bombardeos, daría una cantidad decente de energía para cualquier usuario, digamos, como EXOSKELETON para la movilidad, aquí hay una vía I investigaría, pero no sirve de nada que nunca lo sea para el público en general, a menos que de alguna manera se pueda vender el plutonio o una alternativa muy cercana al público en general. una audiencia que no se puede usar como una bomba, ¡¡eso sería increíble !!

    Por lo tanto, un mini motor solar para alimentar / recargar los sistemas de batería instalados en un exoesqueleto de este tipo para que las personas conectadas puedan salir de la casa / habitación y tener movilidad nuevamente, inserte la carga de las baterías si no se puede instalar energía en el exoesqueleto para ahorrar peso. el exoesqueleto general, la energía nuclear sería incluso mejor, pero el blindaje volvería a aumentar el peso de un sistema, pero llevaría muchos años; esto sería extremadamente posible en el futuro.

  • Raymond dice:

    Si usamos energía solar para impulsar una base de calentamiento inductivo en un transformador de potencia tesla, podemos producir un gran calor para producir vapor y operar un alternador de turbina para obtener una gran energía del sol.

Eva Jiménez
Eva Jiménez

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.