Király Amanda csillagász hallgató oldala

Napelemtáblák, és RTG használata a G+R-ben

Ebben a munkámban azt vizsgáltam meg, hogy a GROTE+REBER program szempontjából melyik energiaellátási forma az alkalmasabb: A napelem, vagy az RTG. Több különböző szemponot vettem figyelemmel: Az eszközök várható élettartamát, sérülékenységét, az egységnyi tömegre eső teljesítményt. Megvizsgáltam azt is, hogy az eszközökhasználata von-e maga után navigációs szempontból zavaró következményeket. Végül a kapott eredményeket összefoglalom, és levonom a következtetést, hogy ezen szempontok alapján melyik energiaellátási forma a hasznosabb számunkra.

A napelem

A napelem az egyik leggyakoribb eszköz, amellyel az űreszközök energiaellátását megoldják. A fényt alakítja át elektromos árammá. A korábbiakban Fuhl Ádám már megvizsgálta, hogy pontosan mely napelemtípus lenne a G+R számára legmegfelelőbb. Ez a 3G28 jelzésű, germánium alapú napelemtábla. Ennek a napelemtípusnak az adatait fogom felhasználni a későbbiek során.

A 3G28 jelzésű, germánium alapú napelemtábla

• Tömeg: 86mg/cm²
• Átlagos kapocsfeszültség: V_OC = 2667 mV
• Átlagos rövidzárási áram: I_SC = 506 mA
• Maximum teljsítmény esetén a feszültség: V_pmax = 2371 mV
• Maximum teljesítmény esetén az áramerősség: I_pmax = 487 mA
• Dimenziók: 40 x 80mm
• Felület: 30.18 cm²
• Hatásfok: 29%

Ezekből az adatokból a táblázatban megadott felületre eső maximális teljesítmény:

Az RTG

A radioizotópos termoelektromos generátor (RTG Radioisotope Thermoelectric Generator) gyakori energiaellátási forma olyan űreszközök esetében, amelyek a Naprendszer távoli részében végeznek tevékenységet, vagy esetleg el is hagyják a Naprendszert. A Naptól távol ugyanis a napelemek használhatatlanok. Az eszköz a radioaktív izotópok tetmészetes bomlásából származó hőt hasznosítja, és alakítja át elektromos árammá.

Az RTG-típus kiválasztása

A forrásaim alapján kiválasztottam egy bizonyos RTG-típust, amely számunkra a legmegfelelőbbnek bizonyul. Az a típus bizonyul a legmegfelelőbbnek, amelyik minél nagyobb teljesítményen képes üzemelni, viszont a tömege és a mérete a lehető legkisebb. Ezért kiszámoltam az egyes RTG-típusok teljesítményének és tömegének a hányadosát. Minél nagyobb szám ez az index, annál alkalmasabb számunkra az adott generátor.

Ebben a táblázatban az általam vizsgált RTG-k nevét, teljesítményét, tömegét, és a teljesítmény/tömeg hányadosát tűntettem fel. A táblázat alapján a GPHS-RTG a legalkalmasabb generátor a számunkra. A továbbiakban ezt az RTG típust veszem alapul, amikor a számításaimat végzem. Ezt az RTG típust használták a Cassini, New Horisons, Galileo, és Ulysses űrszondáknál.

Várható élettartam

Egy űreszköz élettartamát a legkorábban tönkremenő, létfontosságú berendezés határozza meg. Mivel az energiaellátás igencsak létfontosságú, ezért ez is fontos összehasonlítási szempont.
A jelenleg gyártott napelemek várható élettartama 35 év. Emellett átlagosan 10 év leforgása elveszítik a gyártás utáni teljesítményük 10\%-át.
Az RTG élettartama a tapasztalatok szerint ennél több.
Példaként elég említeni, hogy a Voyager űrszondák RTG-vel működnek, még a hetvenes években kerültek fellövésre, jelenleg is működnek, és várhatóen még 20 évig üzemelni fognak. Azonban feltétlenül meg kell jegyezni, hogy az RTG teljesítménye az idő függvényében csökken, mégpedig a hasadóanyagként használt Pu²³⁸ 87.7 éves felezési idejének megfelelően, az RTG teljesítménye is a felére csökken ennyi idő alatt.
Ezen adatok alapján érdemes megvizsgálni, hogy melyik energiaellátási forma, mekkora teljesítményt tud leadni az idő függvényében. (Ezt tönkremenési függvénynek neveztem el.)
Így hát a rendelkezésemre álló adatok alapján megalkottam a napelem, illetve az RTG tönkremenési függvényét.
A függvények a következők:

A kapott függvényeket kirajzolva látszik, hogy az eredmény igencsak érdekes: Kezdetben az RTG teljesítménye gyorsabban csökken, de 12.141 év elteltével a két energiaellátási eszköznek újra ugyanannyi a teljesítménye. Ha kiszámoljuk, hogy a függvény alatti területek mely időpontnál egyenlőek, megtudjuk, mikor válik az RTG a teljesítmény szempontjából hasznosabbá, mint a napelem.

Ha figyelembe veszem az eddigi űrprogramok élettartamát, illetve a technológia várható fejlődését, nem tartom valószínűnek, hogy az űrtávcsőnek szüksége lenne arra, hogy kihasználjuk az RTG nyújtotta igen hosszú élettartamot. Mire a napelemek elhasználódnak (várhatóan 35év), addigra megteremthetjük a technológiai feltételeit egy javító expedíciónak, ha arra lesz igény.

Sérülékenység

Persze a fenti ábra készítése közben eltekintettem a napelemeket élettartamát érintő két további problémától: A napelemtáblák felülete nagy, és ehhez képest nagyon vékonyak. Egy mikrometeorit könnyen átlyukaszthatja, és ezáltal tönkre is teheti. Továbbá a kozmikus sugárzás is jelentősen károsíthatja. Ez még tovább csökkentheti a napelem várható élettartamát. Ezeket elegendő információ hiányában nem tudtam figyelembe venni a tönkremenési modell megalkotásánál.
Ellenben ha RTG-t használunk, akkor annak a felülete sokkal kissebb, mint a napelemeknek, és külső borítással óvni lehet a mikrometeoritoktól. Ezáltal a mikrometeoritok okozta sérülés esélyét is minimalizálhatjuk. Ha egy napelem megsérül, akkor attól még nagy valószínűséggel tovább működik. Az RTG meghibásodása esetén ez nem feltétlenül igaz, de kiküszöbölhető. A G+R számára azonban nagyon is valószínű, hogy sokkal nagyobb teljesítményre van szükségünk, mint amennyit egy generátor előállítani képes (300W).
Azt javaslom tehát, hogy használjunk több generátort a teljesítmény növelése érdekében. Ez a megoldás azzal az előnnyel is járhat, hogy a meghibásodott generátorokat helyettesíthetik a még működőek.

Kinyitogatás

A napelemtáblák hatalmas felületéből adódik két további probléma: Az egyik, hogy a fellövés előtt minél jobban össze kell hajtogatni, hogy kevesebb helyet foglaljon el. A másik, hogy a megérkezés után ki kell őket hajtogatni, ami újabb problémákat vet fel. Elősször is a kihajtogatás folyamata energiát igényel, amihez szükség van egy másik energiaforrásra is. Ez helyet foglal el az űreszközön. A kinyitogatás navigációs szempontból is fontos feladat.

• Kinyitogatás során az űrtávcső perdületet kaphat, és/vagy megváltozhat a súlypontja.
• Különösen akkor, ha a napelemtáblák
  - Nem egyszerre nyilnak ki.
  - Nem egyforma gyorsan nyílnak ki.
  - Nem mindegyik nyílik ki.
  - Nem kellőképpen nyílik ki.
• Továbbá, ha a napelemtáblák egyáltalán nem nyílnak ki, akkor az űrtávcső használhatatlan.

Ellenben, ha RTG-t használunk, akkor nem kell semmit se kinyitogatni, így ezek a problémák megszűnnek.

Egyéb navigációs probléma, hogy a napelemtáblák használata esetén ügyelni kell arra, hogy a napelemtáblák a Nap felé nézzenek. RTG esetén ezek a problémák is megszűnnek.

Tömeg

Meg kell vizsgálni, hogy melyik energiaforrás mekkora tömeget képvisel adott teljesítményre vonatkozólag. Az a legcélszerűbb, ha a választott napelem, és a választott RTG esetében is kiszámolom a teljesítmény/tömeg hányadost.

Ennek alapján a napelem sokkal hatékonyabb energiaellátási forma.

Egyéb kérdések a témában

Az általam boncolgatott téma rendkívül tág. Munkám során megválaszoltam pár kérdést a témában, de még több kérdés vetődött fel, amelyeket meg kell majd vizsgálni.

• Melyik energiaellátási forma az olcsóbb?
• Melyik biztonságosabb?
• Melyiket könnyebb beszerezni?
• Melyik mekkora helyet foglal el a hordozórakétában?

Konklúzió

Ez a kérdéskör sokkal bonyolultabb, mint ahogy azt az elején gondoltam. Egyrészt, mind a napelemnek, mind a napelemnek vannak jelentős előnyei és hátrányai.
A napelem mellett szól, hogy adott tömegű napelem nagyságrendekkel több energiát tud termelni. Ez a tulajdonság önmagában is döntő lehet. Ugyanakkor a napelem sérülékeny, és a hsználata felvet számos navigációs problémát.
Az RTG mellett szól az, hogy a napelem használatakor fellépő navigációs problémák megszűnnek. Ugyanakkor a tömege sokkal nagyobb, mint azonos teljesítményt produkáló napelemnek.
A várható élettartam kapcsán az RTG nincs olyan mértékű előnyben, hogy az számottevő legyen.
Ez a téma még rengeteg már kérdést is felvet, amit feltétlenül meg kell vizsgálni. Az én munkám alapján nem lehet egyételműen eldönteni, hogy melyik energiaellátási forma hasznosabb számunkra.

Referenciák

• Fuhl Ádám: Mekkora napelemtáblák kellenek?
• Azurspace
• Wikipedia RTG
• Wikipedia Solar Cell