Hány magnisak lehetnek a Hold-szondák? Nem lehetne elcsípni őket távcsővel? A geostac műholdak könnyedén látszanak.
Z
Űrutazás
Re: Űrutazás
kulizoli írta:Hány magnisak lehetnek a Hold-szondák? Nem lehetne elcsípni őket távcsővel? A geostac műholdak könnyedén látszanak.
Hm, jó kérdés! :)
A Hold kb. tízszer messzebb van, mint a geostac. műholdak. A fényesség a távolság négyzetével fordítottan arányos, vagyis a Hold távolságából egy geostac. cucc százszor halványabb lenne, ami 5 magnitúdó különbség.
Nagy távcsővel, jó CCD-vel elvileg biztos rögzíthető lenne, csak ott van még a Hold iszonyatos fénye, ami szóródik a légkörön, és nagyon lerontja a határfényességet a közelében.
Mindenesetre érdekes projekt. Az LRO aktuális helyzetét biztos meg lehet találni valami NASA-s oldalon.
Re: Űrutazás
kulizoli írta:Hány magnisak lehetnek a Hold-szondák?
A Kuli Zoltán (kulizoli) által írt üzenetet az alábbi felhasználók köszönték meg:
SzZoli
Mellékattintottam
-
Hyperion85
- Hozzászólások: 95
- Csatlakozott: 2011.01.20. 00:40
Re: Űrutazás
Sziasztok !
-Melyik az a űrszonda amely a leghosszabb ideje működőképes ? Úgy tudom, a Voyager-1 és 2 űrszondák már 45 évet fognak "dolgozni" ( ma úgy tudom már 34 éve működnek..), ez természetesen függ mikor merül ki az energiatartalékából. ( Vagy épp nem ütközik valamibe útja során....) A New Horizons szonda is elég hosszú időt fog befutni.
Biztos vannak szondák melyeket már több évtizedesekre terveztek meg (mükődésileg...) ,arra viszont nagyon kíváncsi volnék egy szonda meddig képes müködni..? Vajon megoldható a 50-100 év.
Vagy több..?
Várom a kommenteket !! Szasztok!
Üdv:Hyperion85.
-Melyik az a űrszonda amely a leghosszabb ideje működőképes ? Úgy tudom, a Voyager-1 és 2 űrszondák már 45 évet fognak "dolgozni" ( ma úgy tudom már 34 éve működnek..), ez természetesen függ mikor merül ki az energiatartalékából. ( Vagy épp nem ütközik valamibe útja során....) A New Horizons szonda is elég hosszú időt fog befutni.
Biztos vannak szondák melyeket már több évtizedesekre terveztek meg (mükődésileg...) ,arra viszont nagyon kíváncsi volnék egy szonda meddig képes müködni..? Vajon megoldható a 50-100 év. Vagy több..?Várom a kommenteket !! Szasztok!
Üdv:Hyperion85.
Re: Űrutazás
Az energiaellatastol fugg. Abban a tavolsagban (de mar sokkal kozelebb is), ahol pl. a Voyagerek jarnak, napelemekkel semmire sem lehet menni. Ezert a Voyagereknek is radioaktiv elemek bomlasan alapulo energiaellatasuk van, de ez azert mar jocskan kimerult, sorra kapcsoltak le a muszereket, abban sem vagyok igy hirtelen biztos, hogy radioznak-e meg (szerintem nem).
Mivel azert a Voyagerek mondjuk legalabb 40 eves technologiara epulnek, valoszinuleg a mai, sokkal kisebb fogyasztasu eszkozokkel ugyanilyen energiaforrasokkal megoldalhato lenne az 50+ eves, vagy akar 100 eves elettartam (de nem vagyok szakember, csak tippelek). Foleg, ha mondjuk idoszakosan kellene csak mereseket vegeznie, kozben pedig hibernalhatja magat a szonda.
--mpt
Mivel azert a Voyagerek mondjuk legalabb 40 eves technologiara epulnek, valoszinuleg a mai, sokkal kisebb fogyasztasu eszkozokkel ugyanilyen energiaforrasokkal megoldalhato lenne az 50+ eves, vagy akar 100 eves elettartam (de nem vagyok szakember, csak tippelek). Foleg, ha mondjuk idoszakosan kellene csak mereseket vegeznie, kozben pedig hibernalhatja magat a szonda.
--mpt
Re: Űrutazás
Sziasztok, azt szeretném kérdezni, hogy hogyan működik az űrszondák meghajtása?Mert ugye az erő ellenerőn alapuló rakétahajtáshoz kell nagy tömegű kilövelt anyag.A napelemekből és rádióizotópos energiaellátásból pedig elekromos áram keletkezik, ezt hogy használják meghajtásra?
Bence
Bence
Re: Űrutazás
Nem biztos, hogy nagy tomeg kell: kis tomeg nagyon gyorsan kiaramolva hajt nagyobb tomeget kisebb gyorsulassal
Amugy a szondakon is van valamennyi kemiai hajtoanyag, palyakorrekciok meg ilyesmik elvegzesehez, az elektromos aramot eloallito napelemek pedig a fedelzeti muszereket taplaljak.
Illetve, ha ionmeghajtasrol beszelunk, akkor a reszecskek felgyorsitasara is hasznalhato az elektromos aram - de szerintem ez a meghajtas meg kozel sem annyira elterjedt.
De remelhetoleg nalam hozzaertobbek is nyilatkoznak
--mpt
Amugy a szondakon is van valamennyi kemiai hajtoanyag, palyakorrekciok meg ilyesmik elvegzesehez, az elektromos aramot eloallito napelemek pedig a fedelzeti muszereket taplaljak.
Illetve, ha ionmeghajtasrol beszelunk, akkor a reszecskek felgyorsitasara is hasznalhato az elektromos aram - de szerintem ez a meghajtas meg kozel sem annyira elterjedt.
De remelhetoleg nalam hozzaertobbek is nyilatkoznak
--mpt
-
Hyperion85
- Hozzászólások: 95
- Csatlakozott: 2011.01.20. 00:40
Re: Űrutazás
Sziasztok !!!!Beszúrok valamit a srácnak a űrmasinákról..... Hadd olvasson...
Ezt nem én írtam !!! Csá.........................
Az ûreszközök áramforrásai---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tavaly ünnepeltük az első áramforrás születésének 200. évfordulóját. Volta eleméről megemlékezve néhány mondatban kitértünk az elektrokémia mai szerepére is. Elektrokémiai áramforrást gyakorlatilag mindenki és mindennap használ, az elektrokémiai ipar termékei is kiemelkedően fontosak. Különös érdeklődésre tarthat számot egy tipikusan korunkra jellemző területen való alkalmazás részletesebb ismertetése. Az ûrkutatásra gondolunk, amit ugyan nem az áramforrások tettek lehetővé, de nélkülük a világûrben levő berendezések mûködtetése lehetetlen lenne.
A 2001. évben emlékezhetünk meg az ûrkutatás 44. évfordulójáról, hiszen az első szputnyikot 1957. október 4-én bocsátották fel. A közel fél évszázad alatt fantasztikus fejlődésnek lehettünk tanúi. Néhány év múlva (1961. április 12-én) Jurij Gagarin személyében már az első ember is kijutott a világûrbe, majd nemsokára megvalósult az, amiről az emberek évszázadokon keresztül csak álmodoztak. Neil A. Armstrong 1969. július 21-én a Hold földjére" lépett. Ma már mûholdak népesítik be az eget", rajtuk keresztül fogjuk a tévé adását, mûködtetünk távközlési eszközöket, követhetjük a közlekedési eszközök mozgását, térképeket és időjárás-előrejelzést készítenek szakemberek. Szinte rutinná vált az ûrállomáson való munka és az oda-vissza közlekedés, valamint a közeli bolygók és a távoli ûr kutatása.
A jelen írásban azt vesszük szemügyre, hogy milyen szerepet játszottak és játszanak az elektrokémiai áramforrások (akkumulátorok és tüzelőanyag-cellák) az ûrhajózás, ûrkutatás céljainak megvalósításában. Az akkumulátorok és a tüzelőanyag-cellák elsődleges áramforrásokként vagy elektromos energia tárolására szolgáló eszközként vannak jelen az ûrhajókban, az ûrrepülőgépekben, az ûrállomáson, a Holdon vagy a Marson közlekedő jármûvekben, a mûholdakban, az ûrhajósokat kiszolgáló, illetve az általuk használt kutatási berendezésekben. Elvileg nem különböznek a Földön használatos áramforrásoktól, de kialakításukban igen, és nyilvánvalóan számos, speciális követelménynek kell megfelelniük. Gondoljuk végig azt, hogy mi mindent várunk el az ûrelemektől. Mûködniük kell vákuumban, el kell viselniük a felbocsátás igencsak próbára tevő körülményeit (gyorsulás, rázkódás, ütés), a megnövekedett sugárzást, és esetenként rendkívül kis hőmérsékleten (pl. -80 °C-on) sem szabad csődöt mondaniuk. Gyakorta legalább 30 000 töltési-kisütési ciklust kell kibírniuk, és az egyre hosszabb küldetések miatt élettartamuk szempontjából 7-10 év a minimális elvárás. Sajátos igény az is, hogy fajlagos töltésüknek (Ah/kg), fajlagos teljesítményüknek (W/kg), illetve fajlagos energiájuknak (Wh/kg) nagynak kell lenniük. Érthető okokból meghatározó szempont az, hogy milyen tömeget kell az ûrbe juttatni, tehát a várt teljesítményt minél könnyebb áramforrásnak kell szolgáltatnia. Ugyanilyen mérőszám a megfelelő fajlagos sûrûség is, amikor térfogategységre (pl. Ah/m3) vonatkoztatjuk a fenti mennyiségeket, hiszen az áramforrásoknak nemcsak könnyûnek, de kicsinek is kell lenniük.
1. ábra. Mûholdakban alkalmazott Ni-Cd akkumulátor fényképe
Meg kell mondanunk, hogy nincs olyan áramforrás, amelyik minden követelménynek tökéletesen megfelelne. Talán éppen egyik fiatal Olvasóm oldja meg ezt a problémát a XXI. század elején csatlakozva azon kutatók népes táborához, akik az újabb és újabb elemeket megalkották, és akiknek az elmúlt húsz év során a fajlagos értékeket sikerült kb. hatszorosára növelniük. Megjegyezzük azt, hogy földi körülmények között ugyanez a küzdelem folyik, hiszen az elektromos gépjármûvek esetén is kritikus az áramforrás teljesítményéhez viszonyított tömege és térfogata. A fejlődés nyomonkövetése mindig érdekes és tanulságos, ezért először nagy vonalakban tekintsük át az eddigi történetet.
2. ábra. A Mars Global Surveyor (1994) Ni-H2 akkumulátorainak fényképe
Meg kell mondanunk, hogy nincs olyan áramforrás, amelyik minden követelménynek tökéletesen megfelelne. Talán éppen egyik fiatal Olvasóm oldja meg ezt a problémát a XXI. század elején csatlakozva azon kutatók népes táborához, akik az újabb és újabb elemeket megalkották, és akiknek az elmúlt húsz év során a fajlagos értékeket sikerült kb. hatszorosára növelniük. Megjegyezzük azt, hogy földi körülmények között ugyanez a küzdelem folyik, hiszen az elektromos gépjármûvek esetén is kritikus az áramforrás teljesítményéhez viszonyított tömege és térfogata. A fejlődés nyomonkövetése mindig érdekes és tanulságos, ezért először nagy vonalakban tekintsük át az eddigi történetet.
3. ábra. Egy protoncserélő membránt tartalmazó tüzelőanyag- cella tipikus felépítése
Az ûreszközök XX. századi áramforrásai
Az 1950-es években az ezüst-cink akkumulátorok (Zn(sz)ŚKOH (víz)ŚAg2OŚAg(sz)+) látszottak a legjobb választásnak, mert igen tartósak, mostoha körülményeket is károsodás nélkül elviselnek, száraz változatuk igen kis méretben is elkészíthető, és az 1,6-1,8 V elektromotoros erejük is megfelelőnek tûnt. Ebben az időben egyébként 1 kg tehernek az ûrbe juttatása 10 000 dollárba került. Ehhez képest az, hogy az ezüst kissé drágítja az áramforrást, elhanyagolható tényező. Az ezüsttartalmú elemet közönséges körülmények között éppen relatív drágasága miatt csak kis méretû formában használjuk (pl. órákban, fényképezőgépekben). Először primer (nem újratölthető) Ag-Zn elemet használtak, ilyen volt az első szovjet szputnyikban is, amely a mûszereket és a kommunikációs eszközöket mûködtette. Újratöltésre nem volt lehetőség, mivel ezen a mûholdon még nem voltak napelemek. Ebből következően, amikor az elem kimerült, a kapcsolat megszûnt a 84 kg-os szputnyikkal. Meg kell azonban említenünk, hogy ezek az elemek túlteljesítettek, mert noha 3 hetes üzemidőt jósoltak, ténylegesen 3 hónapig mûködtek. A második szputnyik, amelyik Lajka kutyát is szállította, szintén ezt az elemet használta, itt az ûrhajó is nagyobb volt (kb. 500 kg), és természetesen az 5 hónapig mûködő elem is. Ebben az időben ez volt a legkorszerûbb elem, az amerikaiak is ezt használták áramforrásként a holdfelvételeket készítő Ranger 3 (1961) és a Vénusz-kutató Mariner 2 (1962) ûrszondákban, de még később is, pl. az 1965-ös, rövid életû Apollo parancsnoki moduljában is. A Ranger 3-ban két darab 14 cellából álló 50 Ah-ás Ag-Zn telep biztosította a fő energiaforrást és külön két darab 22 cellából álló 50 Ah-ás egység a tévékamera mûködését. A következő 20 évben a nagy élettartamú nikkel-kadmium akkumulátorok (- Cd(sz)-KOH(víz)-NiO(OH)(sz)- Ni(sz) +) voltak a fő energiaforrások (1. ábra).
Ez az akkumulátor jól terhelhető, csekély mértékû az önkisülése, kicsi a belső ellenállása, élettartama az 5-6 évet is eléri, miközben akár 2000-szer is újratölthető. Ilyen akkumulátort használtak, mint elsődleges energiaforrást az Explorer program legtöbb ûreszközében (pl. Explorer 6 - 1959), illetve a NASA-nál a hetvenes években ez volt a Standard Battery. A Solar Max misszióban (1980) ezek az elemek még a program befejezése után, 8 év elteltével is mûködtek! Megemlíthetjük még a korai időkből a Ruben - Mallory higanyoxidos elemet is: - Zn(sz)ŚZnO(sz)ŚKOH(aq)ŚHgO(sz)ŚC(sz) +
Ezt azonban csak néhány mûholdban (pl. Explorer 1 - 1958) alkalmazták. Az ilyen típusú elemek előnye az, hogy igen kis gombelemek is készíthetők. Komoly hátrányuk viszont az, hogy a kimerült elem higanyt tartalmaz, ezért környezetünk védelme érdekében ezeknek az elemeknek a szelektív gyûjtése feltétlenül kívánatos.
Már az 1960-as években kifejlesztették a Ni-H2 akkumulátorokat (2. ábra), de igazából csak az 1980-as években alkalmazták ezeket. Ez egy Ni-NiOOH elektródból és egy hidrogénelektródból állt, tehát a Ni-Cd elem Cd elektródját egy tüzelőanyag-cella H2 - elektródja váltja fel. Miután ehhez H2 - gázt tartalmazó palack kell, a térfogatra számított energia jelentősen kisebb, mint a Ni-Cd elemé (a tömege kb. ugyanaz), nagy előnye viszont az, hogy rendkívül sokszor újratölthető. A legtöbb mûholdban ezt használták, pl. az Intelsat V esetén 14 évig szolgáltatta probléma nélkül az energiát. Ilyen cella üzemelteti a Hubble-ûrtávcsövet is, amelyet 1990-ben bocsátottak fel, és még napjainkban is mûködik. A Nemzetközi Ûrállomáson is ilyen cellák használatát tervezik.
A tüzelőanyag-elemeket is - amelyek intenzív kutatása az 1960- as években élénkült meg - is korán alkalmazásra kerültek ûrhajókban. Először az első Geminivel (1962) jutott fel tüzelőanyag-elem az ûrbe, majd 1966-ig minden Gemini ûrhajóban szilárd polimerelektrolitot használó vagy más néven protoncserélő membránt tartalmazó tüzelőanyag-elem mûködött. Ennek lelke egy 0,1 cm-nél vékonyabb protoncserélő membrán (csak a H+-ionokat engedi át), amelyet mindkét oldalán porózus katalizátorral (általában Pt-val) vonnak be. A két ellentétes oldalon diffundál be a membránba az oxigén, illetve a hidrogén (3. ábra). 1967-től csaknem kizárólagosan egy újonnan előállított anyagot, a Nafiont használják. Az első perfluorozott szulfonsav-membránt a NASA-nak fejlesztette ki a Du Pont cég, és azóta a Nafion védjegy fogalommá vált.
A membrán hidratált állapotban protonvezető elektrolitoldatként mûködik, és az anódon, a hidrogén oxidációjakor képződő H+- ionok áthaladva a membránon, annak másik oldalán az oxigénredukció termékével, az OH- ionokkal vízzé egyesülnek. A keletkező vizet összegyûjtik és az ûrhajóban pl. ivóvízként hasznosítják (kb. 0,5 liter víz képződik 1 kWh termelődése során). Egy 1kW-os egység 50 literes, az energiaátalakítás hatásfoka 65%-os volt az ûrmissziók során. A membrán és a platina igen drágává teszi ezt az elemet, ezért kereskedelmi termékként még nem terjedt el, bár elektromos meghajtású gépjármûvek prototípusainál már alkalmazták. Az Apollo ûrhajókban (1968-72) is használtak ilyen típusú tüzelőanyag-cellát, bár ezekben már nagyobb energiasûrûségû, kálium-hidroxidot tartalmazó, azbesztszeparátoros, ún. alkálikus H2ŚO2 tüzelőanyag-elemek kerültek előtérbe. Az 1980-as évektől léptek színre a nemvizes elektrolitoldatot, elektrolitolvadékot, illetve szilárd (kiváltképp polimer) elektrolitot tartalmazó primér elemek és akkumulátorok, amelynek anódja alkálifém. A legjelentősebb csoportról ezeket lítium- elemeknek nevezzük. Alkálifém-elektródok használata az elektrokémikusok régi álma, hiszen az alkálifém-elektródokon végbemenő elektródreakciók potenciálja nagy negatív érték, az elektródreakció gyors (csereáramuk nagy), így nagy cellafeszültségû és nagy energiasûrûségû áramforrások állíthatók elő e rendszerek segítségével. Ahhoz azonban, hogy használható és biztonságos elemeket tudjunk előállítani számos nehézséget le kellett győzni, mert tudvalevő, hogy a Li vagy a Na rendkívül reakcióképes fém. Noha a gyártásuk még mindig nagy gondosságot igényel, a legreakcióképesebb fémet, a lítiumot tartalmazó elemek ma már a legmegbízhatóbb elemek közé tartoznak! Csak megemlítjük, hogy még a szívritmus-szabályozókban (a pacemaker-ekben) is ilyen elem van, amelyeknek anódja Li, katódja poli(2-vinilpiridin) és I2 keveréke, az elektrolit pedig szilárd LiI, ahol a Li+-ionok biztosítják a vezetést. Ezen elemek cellafeszültsége 2,8 V, önkisülésük minimális, és megbízhatóságuk egészen különleges. Az elmúlt évtizedekben több tízezer szívbeteg használta ezt az elemet anélkül, hogy egyetlen meghibásodás történt volna. Egy ilyen elem ára azonban szintén tekintélyes, kb. 10 000 $/kWh, persze ezeket nem kWh-ra méretezik, mert az 1000 évig is elég lenne. A LiŚSOCl2 elem költsége még mindig jelentősen nagyobb (250 $ / kWh), mint egy Leclanché -elemé (70 $ / kWh), de ez már elviselhető, és különösen, ha figyelembe vesszük, hogy fajlagos energiája is tízszer nagyobb (kb. 1000 Wh/kg). Gondoljunk arra, hogy a Li a legkönnyebb fém! A Li-SOCl 2 egyike a sokfajta lítium-elemnek. Ennek anódja Li, a katódja szénpaszta az elektrolit pedig tionil-kloridban oldott LiAlCl 4. Az anódreakció a fém oldódása, míg a katódreakcióban az oldószer - és nem az elektród, mint a többi elemben - vesz részt: 4 Li+ + 2 SOCl2 + 4 e-ÛSO2 + S + 4 LiCl
4. ábra. A Mars Pathfinder ezüst-cink akkumulátora
A reverzibilis cellafeszültség 3,65 V, amely jelentősen nagyobb, mint ami bármelyik vizes elemnél elérhető (kb. 2 V). Persze a nagy kérdés az, hogy miért nem robban fel egy ilyen elem, hiszen a Li-fém és az oldószer között rendkívül heves reakciót várnánk. Ez azért nem történik meg, mert a fémen egy védőréteg alakul ki, amely csak a Li+-ionokra nézve átjárható, de az elektronokra és természetesen az elektrolit egyéb komponenseire nem. Ez a réteg tulajdonképpen szilárd ionvezető elektrolitként viselkedik, és éppen ez az a tulajdonság minden lítium-elemnél, amiért egyáltalán mûködni tudnak. Eddig primér Li-elemeket használtak, de a Liakkumulátorok szerepelnek a tervekben, mint a jövő fő áramforrásai. Megemlítjük azt, hogy a legelső előadást a lítium-elemekről az amerikai Elektrokémiai Társaság (The Electrochemical Society) bostoni ülésén tartotta Chilton Jr. és Cook 1962-ben. Tanulságos az, hogy az első alapkutatási eredményt közel negyven év fejlesztés követte, de ami számunkra még érdekesebb az a két kutató munkahelye, amely nem más volt, mint a Lockheed Missile and Space Co. A kutatók el is mondták az előadásukban azt, hogy céljuk olyan nagy energiasûrûségû és nagy élettartamú akkumulátorok előállítása volt, amelyek segítségével a mûholdak mûködési ideje jelentősen meghoszszabbítható. A teljesség kedvéért megjegyezzük azt, hogy a fejlesztés különböző irányokban igen nagy intenzitással folyt, és főleg a veszélyes Li-fém kiváltását célozta. Az igazi áttörés akkor következett be, amikor felfedezték azt, hogy a lítium egy különleges (rendezetlen) szerkezetû szénnel, ún. beékelődéses vegyületet képez, és egy stabilis passziváló réteg is kialakul az anódon, valamint a LiCoO2 is kiválóan bevált, mint katód. Ezek, az ún. Li-ion akkumulátorok képezik az új generációt, amelyek biztonságosak, de gyakorlatilag ugyanolyan jó paraméterekkel (fajlagos energia, cellafeszültség stb.) rendelkeznek, mint a Li-fémet tartalmazók. Ilyen akkumulátorok hordozható eszközökben éppen olyan jól alkalmazhatók, mint elektromos jármûvekben vagy ûrhajókban. (A hengeres akkumulátor a mobiltelefonokban vagy a hordozható számítógépekben általában Ni-Cd, a lapos az vagy Li-ion vagy az ugyancsak új NiMH, nikkel-fémhidrid akkumulátor.)
Különleges követelmények az ûrben
Már említettünk néhány szempontot, de talán érdemes röviden kitérni arra, hogy mit várunk az egyes áramforrásoktól annak függvényében, hogy milyen funkciót töltenek be, illetve az akkumulátorok újratöltését hogyan tudjuk megoldani.
Rakétákban és leszállóegységekben az áramforrásokat elsősorban a rakétamotorok indításánál, az elektronika irányításánál és ellenőrzésénél, valamint a kommunikációs rendszer mûködtetésénél használjuk. E célokra az elsődleges követelmény a nagy energia- és teljesítménysûrûség, valamint a nagy élettartam, viszont a sokszoros újratöltés nem szükséges. Erre a célra az Ag-Zn és a Li-SOCl2 elemek megfelelők. Az ûrkompok üzemeltetéséhez olyan 6 - 12 kW-os áramforrás kell, amely legalább 2000 órát mûködik. Erre a célra viszont a H2 / O2 tüzelőanyag-elemek a megfelelőbbek. Az ûrhajókban a kamerák, elektronikus eszközök, számítógépek üzemeltetéséhez, a fûtéshez és a világításhoz az energiát Ag-Zn vagy Ni-Cd akkumulátorok szolgáltatják, de ezeket hamarosan valószínûleg Li-elemek váltják fel. (Sokáig aggódtak ezzel kapcsolatban a biztonság miatt.) Olyan egységeknél, amelyek más bolygóra leszállnak, nagy fajlagos energiájú (> 100 Wh/kg), hosszú élettartamú (> 10 hónap) újratölthető akkumulátorok kellenek, melyeknél különleges igény az is, hogy -40 °Con még mûködjenek.
A Mars Pathfinder esetében Ag-Zn akkumulátort alkalmaztak (4. ábra), a tervek szerint ezt Li-SOCl2 akkumulátor (5. ábra) váltja fel a további marsjárók esetén. A távolabbi küldetéseknél, pl. a Galileo Jupiter-expedíciójánál már kipróbálták a Li-SOCl2 elemeket. (Az elnevezés tisztelgés Galilei emlékének, aki felfedezte a Jupiter négy, legfényesebb holdját.) Ezeknél az élettartam (legalább 6-8 év) a döntő tényező, de a nagy fajlagos energiasûrûség itt is szükséges, a -80 °C-on való hibátlan mûködés és 80 000 g gyorsulás elviselése is elég kemény feltételeket támaszt ezen áramforrásokkal szemben, és a további fejlesztések e programok megvalósításához elengedhetetlenek.
Nem beszéltünk még arról a kérdésről, hogy milyen energiaforrások biztosítják az akkumulátorok töltését, ami különösen hosszabb küldetés esetén alapvető tényező. Ez napi igény is lehet, hiszen ha naponta újra tudjuk tölteni az akkumulátorokat - ezért kell az, hogy az eszközünk sok töltési-kisütési ciklust kibírjon -, akkor kevesebb akkumulátor is elegendő. Kisebb tömegnek az ûrbe juttatása olcsóbbá teszi a vállalkozást, és az ûrhajóban kevesebb helyet foglalnak el az áramforrások, ami szintén nem közömbös. (Gondoljunk arra, hogy a mobiltelefonok akkumulátorát naponta, kétnaponta újratöltjük, persze ehhez otthon egy adapter és egy konnektor is elég, hiszen lakásunkban természetesen (!) van áram. Az ûrhajóban ez nincs, viszont rengeteg olyan eszköz van, amelyek több elektromos energiát igényelnek, mint a hordozható telefonunk, rádiónk, CD-lejátszónk stb.)
6. ábra. Egy radioizotóppal mûködő termoelektromos generátor rajza, külön bemutatva a hőforrást és az izotópot tartalmazó kapszulát
5. ábra. A Mars Pathfinder Sojourner terepjáró primer Li- SOCl2 cellái
A Föld körül keringő mûholdak, ûrhajók esetén a Nap szolgáltatja az energia jelentős részét. A napsugárzás energiáját napelemek alakítják át elektromos energiává, és ily módon az akkumulátorok is feltölthetők. Azért ez sem olyan egyszerû. A hosszú üzemidőre tervezett, közeli (kb. 150 km) föld körüli pályán mozgó mûholdak keringési ideje 100 perc, amiből azokat csak 65 percig éri napsugárzás. Erre a célra olyan akkumulátorok kellenek, melyek üzemideje legalább 5 év, és évente 5000 újratöltésre van szükség. Erre a célra eddig az 1. és 2. ábrán bemutatott áramforrásokat használták, de itt is a lítium-akkumulátoroké a jövő. A Földtől kb. 35 000 km távolságú pályán mozgó, geostacionárius - a Földhöz képest állandó helyzetû - ûrhajók 135 földi napon keresztül kapnak teljes napsugárzást, míg ezt követően 46 napig részlegesen árnyékban vannak. (23 napig 1 perctől 70 percig nő az árnyékos periódus, majd 23 napig 70 perctől 1 percig csökken.) Az árnyékos időszakban csak az akkumulátorokra számíthatunk! Az akkumulátorokat úgy kell tervezni, hogy ezen idő alatt sem sülhetnek ki teljesen, mert az irreverzíbilis változásokhoz vezethet. Ezekben az ûrhajókban korábban Ni-Cd akkumulátorokat használtak, ma majdnem kizárólag Ni-H2 celláké a főszerep; a Li-elemeket jelenleg tesztelik.
Mi a helyzet olyankor, ha a napsugárzás energiája nem elég? Ez
különösen a távolabbi (pl. Jupiter, Szaturnusz) expedíciók esetén várható a Naptól való nagy távolság és a feladat hosszú időtartama miatt.
A bolygókat felkereső ûrszondákban a fûtésre és az elektromos energia termelésére nukleáris fûtőanyagot 238PuO2-t alkalmaznak. A termelt hőt egyrészt közvetlenül fûtésre, másrészt termoelektromos generátor (6. ábra) segítségével áramtermelésre használják. Ahhoz, hogy a Naptól 1428,5 millió km távolságban keringő Szaturnuszon a Nap energiáját használják, legalább 2 db 35m x 9m nagyságú napelemet kellene üzembe helyezni az energiaigény biztosítására. 238PuO2 fûtőelemeket már a Jupitert felderítő Galileo (1989), a naptevékenységet vizsgáló Ulysses (1990), valamint a Mars Pathfinder (1996) expedíciókban is használtak. Az 1997-ben felbocsátott és 2004. júliusában célba érő Cassini-Huygens-szondán is ilyen fûtőelemek szolgáltatják az energiát. Ez a vállalkozás a Szaturnusz és holdjainak vizsgálatát célozza. A legnagyobb holdra, a Titánra az európai építésû Huygens nevû egység le is ereszkedik. (Chr. Huygens holland csillagász fedezte fel a Szaturnusz legnagyobb holdját (1655) és gyûrûrendszerét 1659-ben. G. B. Cassini itáliai származású francia csillagász a Szaturnusz négy holdjának (1671-1684) és a gyûrûrendszerében a róla elnevezett résnek (1675) a felfedezője. Megjegyezzük, hogy a kis holdakat a Voyager ûrszonda fedezte fel 1980-ban.) A Titán felszíne és légköre különösen érdekes, ugyanis ez az egyetlen bolygó a Naprendszerben a Földön kívül, amely vastag nitrogénből álló atmoszférát tartalmaz és valószínûleg az egyetlen abban a tekintetben is, hogy partvonallal elválasztott szárazföldjei és tengerei is vannak.
A fûtőegységek és a termoelektromos generátorok ára 144 millió dollár, ami az egész expedíció költségének 4,5%-át teszi ki. A fûtőelem tokja irídium-, illetve platinaötvözetből készült, és minden elképzelhető baleseti lehetőségre tesztelték, hiszen a radioaktív izotóp nem szabadulhat ki. Minden 238PuO2-t tartalmazó kapszula (méretük kb. 3 x 3 cm) tetején egy irídiumból készült szûrő van, amely az a-bomlás termékének, a héliumnak eltávozására szolgál. A Cassini ûrhajó három termoelektromos generátorát 72 tüzelőanyag-kapszula táplálja.
Talán sikerült érzékeltetnünk, hogy a 200 éves múltra viszszatekintő, de azóta folyamatosan fejlesztett áramforrásoknak az ûrkutatásban is milyen fontos szerep jut. Sok ezer tudósnak, fejlesztő mérnöknek a munkája összegződik egyetlen produktumban. Nekik köszönhetjük a XX. század történelmi léptékben legnagyobb eredményét, a világûr meghódításának kezdetét. Ha 500 év múlva utódaink korunkra visszatekintenek - mint mi tettük 1992- ben Amerika (újbóli) felfedezése kapcsán -, vélhetően ez a tény ad majd leginkább okot az ünneplésre.
Hyperion85 voltam.....
Hadd olvasson...Ezt nem én írtam !!! Csá.........................
Az ûreszközök áramforrásai---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tavaly ünnepeltük az első áramforrás születésének 200. évfordulóját. Volta eleméről megemlékezve néhány mondatban kitértünk az elektrokémia mai szerepére is. Elektrokémiai áramforrást gyakorlatilag mindenki és mindennap használ, az elektrokémiai ipar termékei is kiemelkedően fontosak. Különös érdeklődésre tarthat számot egy tipikusan korunkra jellemző területen való alkalmazás részletesebb ismertetése. Az ûrkutatásra gondolunk, amit ugyan nem az áramforrások tettek lehetővé, de nélkülük a világûrben levő berendezések mûködtetése lehetetlen lenne.
A 2001. évben emlékezhetünk meg az ûrkutatás 44. évfordulójáról, hiszen az első szputnyikot 1957. október 4-én bocsátották fel. A közel fél évszázad alatt fantasztikus fejlődésnek lehettünk tanúi. Néhány év múlva (1961. április 12-én) Jurij Gagarin személyében már az első ember is kijutott a világûrbe, majd nemsokára megvalósult az, amiről az emberek évszázadokon keresztül csak álmodoztak. Neil A. Armstrong 1969. július 21-én a Hold földjére" lépett. Ma már mûholdak népesítik be az eget", rajtuk keresztül fogjuk a tévé adását, mûködtetünk távközlési eszközöket, követhetjük a közlekedési eszközök mozgását, térképeket és időjárás-előrejelzést készítenek szakemberek. Szinte rutinná vált az ûrállomáson való munka és az oda-vissza közlekedés, valamint a közeli bolygók és a távoli ûr kutatása.
A jelen írásban azt vesszük szemügyre, hogy milyen szerepet játszottak és játszanak az elektrokémiai áramforrások (akkumulátorok és tüzelőanyag-cellák) az ûrhajózás, ûrkutatás céljainak megvalósításában. Az akkumulátorok és a tüzelőanyag-cellák elsődleges áramforrásokként vagy elektromos energia tárolására szolgáló eszközként vannak jelen az ûrhajókban, az ûrrepülőgépekben, az ûrállomáson, a Holdon vagy a Marson közlekedő jármûvekben, a mûholdakban, az ûrhajósokat kiszolgáló, illetve az általuk használt kutatási berendezésekben. Elvileg nem különböznek a Földön használatos áramforrásoktól, de kialakításukban igen, és nyilvánvalóan számos, speciális követelménynek kell megfelelniük. Gondoljuk végig azt, hogy mi mindent várunk el az ûrelemektől. Mûködniük kell vákuumban, el kell viselniük a felbocsátás igencsak próbára tevő körülményeit (gyorsulás, rázkódás, ütés), a megnövekedett sugárzást, és esetenként rendkívül kis hőmérsékleten (pl. -80 °C-on) sem szabad csődöt mondaniuk. Gyakorta legalább 30 000 töltési-kisütési ciklust kell kibírniuk, és az egyre hosszabb küldetések miatt élettartamuk szempontjából 7-10 év a minimális elvárás. Sajátos igény az is, hogy fajlagos töltésüknek (Ah/kg), fajlagos teljesítményüknek (W/kg), illetve fajlagos energiájuknak (Wh/kg) nagynak kell lenniük. Érthető okokból meghatározó szempont az, hogy milyen tömeget kell az ûrbe juttatni, tehát a várt teljesítményt minél könnyebb áramforrásnak kell szolgáltatnia. Ugyanilyen mérőszám a megfelelő fajlagos sûrûség is, amikor térfogategységre (pl. Ah/m3) vonatkoztatjuk a fenti mennyiségeket, hiszen az áramforrásoknak nemcsak könnyûnek, de kicsinek is kell lenniük.
1. ábra. Mûholdakban alkalmazott Ni-Cd akkumulátor fényképe
Meg kell mondanunk, hogy nincs olyan áramforrás, amelyik minden követelménynek tökéletesen megfelelne. Talán éppen egyik fiatal Olvasóm oldja meg ezt a problémát a XXI. század elején csatlakozva azon kutatók népes táborához, akik az újabb és újabb elemeket megalkották, és akiknek az elmúlt húsz év során a fajlagos értékeket sikerült kb. hatszorosára növelniük. Megjegyezzük azt, hogy földi körülmények között ugyanez a küzdelem folyik, hiszen az elektromos gépjármûvek esetén is kritikus az áramforrás teljesítményéhez viszonyított tömege és térfogata. A fejlődés nyomonkövetése mindig érdekes és tanulságos, ezért először nagy vonalakban tekintsük át az eddigi történetet.
2. ábra. A Mars Global Surveyor (1994) Ni-H2 akkumulátorainak fényképe
Meg kell mondanunk, hogy nincs olyan áramforrás, amelyik minden követelménynek tökéletesen megfelelne. Talán éppen egyik fiatal Olvasóm oldja meg ezt a problémát a XXI. század elején csatlakozva azon kutatók népes táborához, akik az újabb és újabb elemeket megalkották, és akiknek az elmúlt húsz év során a fajlagos értékeket sikerült kb. hatszorosára növelniük. Megjegyezzük azt, hogy földi körülmények között ugyanez a küzdelem folyik, hiszen az elektromos gépjármûvek esetén is kritikus az áramforrás teljesítményéhez viszonyított tömege és térfogata. A fejlődés nyomonkövetése mindig érdekes és tanulságos, ezért először nagy vonalakban tekintsük át az eddigi történetet.
3. ábra. Egy protoncserélő membránt tartalmazó tüzelőanyag- cella tipikus felépítése
Az ûreszközök XX. századi áramforrásai
Az 1950-es években az ezüst-cink akkumulátorok (Zn(sz)ŚKOH (víz)ŚAg2OŚAg(sz)+) látszottak a legjobb választásnak, mert igen tartósak, mostoha körülményeket is károsodás nélkül elviselnek, száraz változatuk igen kis méretben is elkészíthető, és az 1,6-1,8 V elektromotoros erejük is megfelelőnek tûnt. Ebben az időben egyébként 1 kg tehernek az ûrbe juttatása 10 000 dollárba került. Ehhez képest az, hogy az ezüst kissé drágítja az áramforrást, elhanyagolható tényező. Az ezüsttartalmú elemet közönséges körülmények között éppen relatív drágasága miatt csak kis méretû formában használjuk (pl. órákban, fényképezőgépekben). Először primer (nem újratölthető) Ag-Zn elemet használtak, ilyen volt az első szovjet szputnyikban is, amely a mûszereket és a kommunikációs eszközöket mûködtette. Újratöltésre nem volt lehetőség, mivel ezen a mûholdon még nem voltak napelemek. Ebből következően, amikor az elem kimerült, a kapcsolat megszûnt a 84 kg-os szputnyikkal. Meg kell azonban említenünk, hogy ezek az elemek túlteljesítettek, mert noha 3 hetes üzemidőt jósoltak, ténylegesen 3 hónapig mûködtek. A második szputnyik, amelyik Lajka kutyát is szállította, szintén ezt az elemet használta, itt az ûrhajó is nagyobb volt (kb. 500 kg), és természetesen az 5 hónapig mûködő elem is. Ebben az időben ez volt a legkorszerûbb elem, az amerikaiak is ezt használták áramforrásként a holdfelvételeket készítő Ranger 3 (1961) és a Vénusz-kutató Mariner 2 (1962) ûrszondákban, de még később is, pl. az 1965-ös, rövid életû Apollo parancsnoki moduljában is. A Ranger 3-ban két darab 14 cellából álló 50 Ah-ás Ag-Zn telep biztosította a fő energiaforrást és külön két darab 22 cellából álló 50 Ah-ás egység a tévékamera mûködését. A következő 20 évben a nagy élettartamú nikkel-kadmium akkumulátorok (- Cd(sz)-KOH(víz)-NiO(OH)(sz)- Ni(sz) +) voltak a fő energiaforrások (1. ábra).
Ez az akkumulátor jól terhelhető, csekély mértékû az önkisülése, kicsi a belső ellenállása, élettartama az 5-6 évet is eléri, miközben akár 2000-szer is újratölthető. Ilyen akkumulátort használtak, mint elsődleges energiaforrást az Explorer program legtöbb ûreszközében (pl. Explorer 6 - 1959), illetve a NASA-nál a hetvenes években ez volt a Standard Battery. A Solar Max misszióban (1980) ezek az elemek még a program befejezése után, 8 év elteltével is mûködtek! Megemlíthetjük még a korai időkből a Ruben - Mallory higanyoxidos elemet is: - Zn(sz)ŚZnO(sz)ŚKOH(aq)ŚHgO(sz)ŚC(sz) +
Ezt azonban csak néhány mûholdban (pl. Explorer 1 - 1958) alkalmazták. Az ilyen típusú elemek előnye az, hogy igen kis gombelemek is készíthetők. Komoly hátrányuk viszont az, hogy a kimerült elem higanyt tartalmaz, ezért környezetünk védelme érdekében ezeknek az elemeknek a szelektív gyûjtése feltétlenül kívánatos.
Már az 1960-as években kifejlesztették a Ni-H2 akkumulátorokat (2. ábra), de igazából csak az 1980-as években alkalmazták ezeket. Ez egy Ni-NiOOH elektródból és egy hidrogénelektródból állt, tehát a Ni-Cd elem Cd elektródját egy tüzelőanyag-cella H2 - elektródja váltja fel. Miután ehhez H2 - gázt tartalmazó palack kell, a térfogatra számított energia jelentősen kisebb, mint a Ni-Cd elemé (a tömege kb. ugyanaz), nagy előnye viszont az, hogy rendkívül sokszor újratölthető. A legtöbb mûholdban ezt használták, pl. az Intelsat V esetén 14 évig szolgáltatta probléma nélkül az energiát. Ilyen cella üzemelteti a Hubble-ûrtávcsövet is, amelyet 1990-ben bocsátottak fel, és még napjainkban is mûködik. A Nemzetközi Ûrállomáson is ilyen cellák használatát tervezik.
A tüzelőanyag-elemeket is - amelyek intenzív kutatása az 1960- as években élénkült meg - is korán alkalmazásra kerültek ûrhajókban. Először az első Geminivel (1962) jutott fel tüzelőanyag-elem az ûrbe, majd 1966-ig minden Gemini ûrhajóban szilárd polimerelektrolitot használó vagy más néven protoncserélő membránt tartalmazó tüzelőanyag-elem mûködött. Ennek lelke egy 0,1 cm-nél vékonyabb protoncserélő membrán (csak a H+-ionokat engedi át), amelyet mindkét oldalán porózus katalizátorral (általában Pt-val) vonnak be. A két ellentétes oldalon diffundál be a membránba az oxigén, illetve a hidrogén (3. ábra). 1967-től csaknem kizárólagosan egy újonnan előállított anyagot, a Nafiont használják. Az első perfluorozott szulfonsav-membránt a NASA-nak fejlesztette ki a Du Pont cég, és azóta a Nafion védjegy fogalommá vált.
A membrán hidratált állapotban protonvezető elektrolitoldatként mûködik, és az anódon, a hidrogén oxidációjakor képződő H+- ionok áthaladva a membránon, annak másik oldalán az oxigénredukció termékével, az OH- ionokkal vízzé egyesülnek. A keletkező vizet összegyûjtik és az ûrhajóban pl. ivóvízként hasznosítják (kb. 0,5 liter víz képződik 1 kWh termelődése során). Egy 1kW-os egység 50 literes, az energiaátalakítás hatásfoka 65%-os volt az ûrmissziók során. A membrán és a platina igen drágává teszi ezt az elemet, ezért kereskedelmi termékként még nem terjedt el, bár elektromos meghajtású gépjármûvek prototípusainál már alkalmazták. Az Apollo ûrhajókban (1968-72) is használtak ilyen típusú tüzelőanyag-cellát, bár ezekben már nagyobb energiasûrûségû, kálium-hidroxidot tartalmazó, azbesztszeparátoros, ún. alkálikus H2ŚO2 tüzelőanyag-elemek kerültek előtérbe. Az 1980-as évektől léptek színre a nemvizes elektrolitoldatot, elektrolitolvadékot, illetve szilárd (kiváltképp polimer) elektrolitot tartalmazó primér elemek és akkumulátorok, amelynek anódja alkálifém. A legjelentősebb csoportról ezeket lítium- elemeknek nevezzük. Alkálifém-elektródok használata az elektrokémikusok régi álma, hiszen az alkálifém-elektródokon végbemenő elektródreakciók potenciálja nagy negatív érték, az elektródreakció gyors (csereáramuk nagy), így nagy cellafeszültségû és nagy energiasûrûségû áramforrások állíthatók elő e rendszerek segítségével. Ahhoz azonban, hogy használható és biztonságos elemeket tudjunk előállítani számos nehézséget le kellett győzni, mert tudvalevő, hogy a Li vagy a Na rendkívül reakcióképes fém. Noha a gyártásuk még mindig nagy gondosságot igényel, a legreakcióképesebb fémet, a lítiumot tartalmazó elemek ma már a legmegbízhatóbb elemek közé tartoznak! Csak megemlítjük, hogy még a szívritmus-szabályozókban (a pacemaker-ekben) is ilyen elem van, amelyeknek anódja Li, katódja poli(2-vinilpiridin) és I2 keveréke, az elektrolit pedig szilárd LiI, ahol a Li+-ionok biztosítják a vezetést. Ezen elemek cellafeszültsége 2,8 V, önkisülésük minimális, és megbízhatóságuk egészen különleges. Az elmúlt évtizedekben több tízezer szívbeteg használta ezt az elemet anélkül, hogy egyetlen meghibásodás történt volna. Egy ilyen elem ára azonban szintén tekintélyes, kb. 10 000 $/kWh, persze ezeket nem kWh-ra méretezik, mert az 1000 évig is elég lenne. A LiŚSOCl2 elem költsége még mindig jelentősen nagyobb (250 $ / kWh), mint egy Leclanché -elemé (70 $ / kWh), de ez már elviselhető, és különösen, ha figyelembe vesszük, hogy fajlagos energiája is tízszer nagyobb (kb. 1000 Wh/kg). Gondoljunk arra, hogy a Li a legkönnyebb fém! A Li-SOCl 2 egyike a sokfajta lítium-elemnek. Ennek anódja Li, a katódja szénpaszta az elektrolit pedig tionil-kloridban oldott LiAlCl 4. Az anódreakció a fém oldódása, míg a katódreakcióban az oldószer - és nem az elektród, mint a többi elemben - vesz részt: 4 Li+ + 2 SOCl2 + 4 e-ÛSO2 + S + 4 LiCl
4. ábra. A Mars Pathfinder ezüst-cink akkumulátora
A reverzibilis cellafeszültség 3,65 V, amely jelentősen nagyobb, mint ami bármelyik vizes elemnél elérhető (kb. 2 V). Persze a nagy kérdés az, hogy miért nem robban fel egy ilyen elem, hiszen a Li-fém és az oldószer között rendkívül heves reakciót várnánk. Ez azért nem történik meg, mert a fémen egy védőréteg alakul ki, amely csak a Li+-ionokra nézve átjárható, de az elektronokra és természetesen az elektrolit egyéb komponenseire nem. Ez a réteg tulajdonképpen szilárd ionvezető elektrolitként viselkedik, és éppen ez az a tulajdonság minden lítium-elemnél, amiért egyáltalán mûködni tudnak. Eddig primér Li-elemeket használtak, de a Liakkumulátorok szerepelnek a tervekben, mint a jövő fő áramforrásai. Megemlítjük azt, hogy a legelső előadást a lítium-elemekről az amerikai Elektrokémiai Társaság (The Electrochemical Society) bostoni ülésén tartotta Chilton Jr. és Cook 1962-ben. Tanulságos az, hogy az első alapkutatási eredményt közel negyven év fejlesztés követte, de ami számunkra még érdekesebb az a két kutató munkahelye, amely nem más volt, mint a Lockheed Missile and Space Co. A kutatók el is mondták az előadásukban azt, hogy céljuk olyan nagy energiasûrûségû és nagy élettartamú akkumulátorok előállítása volt, amelyek segítségével a mûholdak mûködési ideje jelentősen meghoszszabbítható. A teljesség kedvéért megjegyezzük azt, hogy a fejlesztés különböző irányokban igen nagy intenzitással folyt, és főleg a veszélyes Li-fém kiváltását célozta. Az igazi áttörés akkor következett be, amikor felfedezték azt, hogy a lítium egy különleges (rendezetlen) szerkezetû szénnel, ún. beékelődéses vegyületet képez, és egy stabilis passziváló réteg is kialakul az anódon, valamint a LiCoO2 is kiválóan bevált, mint katód. Ezek, az ún. Li-ion akkumulátorok képezik az új generációt, amelyek biztonságosak, de gyakorlatilag ugyanolyan jó paraméterekkel (fajlagos energia, cellafeszültség stb.) rendelkeznek, mint a Li-fémet tartalmazók. Ilyen akkumulátorok hordozható eszközökben éppen olyan jól alkalmazhatók, mint elektromos jármûvekben vagy ûrhajókban. (A hengeres akkumulátor a mobiltelefonokban vagy a hordozható számítógépekben általában Ni-Cd, a lapos az vagy Li-ion vagy az ugyancsak új NiMH, nikkel-fémhidrid akkumulátor.)
Különleges követelmények az ûrben
Már említettünk néhány szempontot, de talán érdemes röviden kitérni arra, hogy mit várunk az egyes áramforrásoktól annak függvényében, hogy milyen funkciót töltenek be, illetve az akkumulátorok újratöltését hogyan tudjuk megoldani.
Rakétákban és leszállóegységekben az áramforrásokat elsősorban a rakétamotorok indításánál, az elektronika irányításánál és ellenőrzésénél, valamint a kommunikációs rendszer mûködtetésénél használjuk. E célokra az elsődleges követelmény a nagy energia- és teljesítménysûrûség, valamint a nagy élettartam, viszont a sokszoros újratöltés nem szükséges. Erre a célra az Ag-Zn és a Li-SOCl2 elemek megfelelők. Az ûrkompok üzemeltetéséhez olyan 6 - 12 kW-os áramforrás kell, amely legalább 2000 órát mûködik. Erre a célra viszont a H2 / O2 tüzelőanyag-elemek a megfelelőbbek. Az ûrhajókban a kamerák, elektronikus eszközök, számítógépek üzemeltetéséhez, a fûtéshez és a világításhoz az energiát Ag-Zn vagy Ni-Cd akkumulátorok szolgáltatják, de ezeket hamarosan valószínûleg Li-elemek váltják fel. (Sokáig aggódtak ezzel kapcsolatban a biztonság miatt.) Olyan egységeknél, amelyek más bolygóra leszállnak, nagy fajlagos energiájú (> 100 Wh/kg), hosszú élettartamú (> 10 hónap) újratölthető akkumulátorok kellenek, melyeknél különleges igény az is, hogy -40 °Con még mûködjenek.
A Mars Pathfinder esetében Ag-Zn akkumulátort alkalmaztak (4. ábra), a tervek szerint ezt Li-SOCl2 akkumulátor (5. ábra) váltja fel a további marsjárók esetén. A távolabbi küldetéseknél, pl. a Galileo Jupiter-expedíciójánál már kipróbálták a Li-SOCl2 elemeket. (Az elnevezés tisztelgés Galilei emlékének, aki felfedezte a Jupiter négy, legfényesebb holdját.) Ezeknél az élettartam (legalább 6-8 év) a döntő tényező, de a nagy fajlagos energiasûrûség itt is szükséges, a -80 °C-on való hibátlan mûködés és 80 000 g gyorsulás elviselése is elég kemény feltételeket támaszt ezen áramforrásokkal szemben, és a további fejlesztések e programok megvalósításához elengedhetetlenek.
Nem beszéltünk még arról a kérdésről, hogy milyen energiaforrások biztosítják az akkumulátorok töltését, ami különösen hosszabb küldetés esetén alapvető tényező. Ez napi igény is lehet, hiszen ha naponta újra tudjuk tölteni az akkumulátorokat - ezért kell az, hogy az eszközünk sok töltési-kisütési ciklust kibírjon -, akkor kevesebb akkumulátor is elegendő. Kisebb tömegnek az ûrbe juttatása olcsóbbá teszi a vállalkozást, és az ûrhajóban kevesebb helyet foglalnak el az áramforrások, ami szintén nem közömbös. (Gondoljunk arra, hogy a mobiltelefonok akkumulátorát naponta, kétnaponta újratöltjük, persze ehhez otthon egy adapter és egy konnektor is elég, hiszen lakásunkban természetesen (!) van áram. Az ûrhajóban ez nincs, viszont rengeteg olyan eszköz van, amelyek több elektromos energiát igényelnek, mint a hordozható telefonunk, rádiónk, CD-lejátszónk stb.)
6. ábra. Egy radioizotóppal mûködő termoelektromos generátor rajza, külön bemutatva a hőforrást és az izotópot tartalmazó kapszulát
5. ábra. A Mars Pathfinder Sojourner terepjáró primer Li- SOCl2 cellái
A Föld körül keringő mûholdak, ûrhajók esetén a Nap szolgáltatja az energia jelentős részét. A napsugárzás energiáját napelemek alakítják át elektromos energiává, és ily módon az akkumulátorok is feltölthetők. Azért ez sem olyan egyszerû. A hosszú üzemidőre tervezett, közeli (kb. 150 km) föld körüli pályán mozgó mûholdak keringési ideje 100 perc, amiből azokat csak 65 percig éri napsugárzás. Erre a célra olyan akkumulátorok kellenek, melyek üzemideje legalább 5 év, és évente 5000 újratöltésre van szükség. Erre a célra eddig az 1. és 2. ábrán bemutatott áramforrásokat használták, de itt is a lítium-akkumulátoroké a jövő. A Földtől kb. 35 000 km távolságú pályán mozgó, geostacionárius - a Földhöz képest állandó helyzetû - ûrhajók 135 földi napon keresztül kapnak teljes napsugárzást, míg ezt követően 46 napig részlegesen árnyékban vannak. (23 napig 1 perctől 70 percig nő az árnyékos periódus, majd 23 napig 70 perctől 1 percig csökken.) Az árnyékos időszakban csak az akkumulátorokra számíthatunk! Az akkumulátorokat úgy kell tervezni, hogy ezen idő alatt sem sülhetnek ki teljesen, mert az irreverzíbilis változásokhoz vezethet. Ezekben az ûrhajókban korábban Ni-Cd akkumulátorokat használtak, ma majdnem kizárólag Ni-H2 celláké a főszerep; a Li-elemeket jelenleg tesztelik.
Mi a helyzet olyankor, ha a napsugárzás energiája nem elég? Ez
különösen a távolabbi (pl. Jupiter, Szaturnusz) expedíciók esetén várható a Naptól való nagy távolság és a feladat hosszú időtartama miatt.
A bolygókat felkereső ûrszondákban a fûtésre és az elektromos energia termelésére nukleáris fûtőanyagot 238PuO2-t alkalmaznak. A termelt hőt egyrészt közvetlenül fûtésre, másrészt termoelektromos generátor (6. ábra) segítségével áramtermelésre használják. Ahhoz, hogy a Naptól 1428,5 millió km távolságban keringő Szaturnuszon a Nap energiáját használják, legalább 2 db 35m x 9m nagyságú napelemet kellene üzembe helyezni az energiaigény biztosítására. 238PuO2 fûtőelemeket már a Jupitert felderítő Galileo (1989), a naptevékenységet vizsgáló Ulysses (1990), valamint a Mars Pathfinder (1996) expedíciókban is használtak. Az 1997-ben felbocsátott és 2004. júliusában célba érő Cassini-Huygens-szondán is ilyen fûtőelemek szolgáltatják az energiát. Ez a vállalkozás a Szaturnusz és holdjainak vizsgálatát célozza. A legnagyobb holdra, a Titánra az európai építésû Huygens nevû egység le is ereszkedik. (Chr. Huygens holland csillagász fedezte fel a Szaturnusz legnagyobb holdját (1655) és gyûrûrendszerét 1659-ben. G. B. Cassini itáliai származású francia csillagász a Szaturnusz négy holdjának (1671-1684) és a gyûrûrendszerében a róla elnevezett résnek (1675) a felfedezője. Megjegyezzük, hogy a kis holdakat a Voyager ûrszonda fedezte fel 1980-ban.) A Titán felszíne és légköre különösen érdekes, ugyanis ez az egyetlen bolygó a Naprendszerben a Földön kívül, amely vastag nitrogénből álló atmoszférát tartalmaz és valószínûleg az egyetlen abban a tekintetben is, hogy partvonallal elválasztott szárazföldjei és tengerei is vannak.
A fûtőegységek és a termoelektromos generátorok ára 144 millió dollár, ami az egész expedíció költségének 4,5%-át teszi ki. A fûtőelem tokja irídium-, illetve platinaötvözetből készült, és minden elképzelhető baleseti lehetőségre tesztelték, hiszen a radioaktív izotóp nem szabadulhat ki. Minden 238PuO2-t tartalmazó kapszula (méretük kb. 3 x 3 cm) tetején egy irídiumból készült szûrő van, amely az a-bomlás termékének, a héliumnak eltávozására szolgál. A Cassini ûrhajó három termoelektromos generátorát 72 tüzelőanyag-kapszula táplálja.
Talán sikerült érzékeltetnünk, hogy a 200 éves múltra viszszatekintő, de azóta folyamatosan fejlesztett áramforrásoknak az ûrkutatásban is milyen fontos szerep jut. Sok ezer tudósnak, fejlesztő mérnöknek a munkája összegződik egyetlen produktumban. Nekik köszönhetjük a XX. század történelmi léptékben legnagyobb eredményét, a világûr meghódításának kezdetét. Ha 500 év múlva utódaink korunkra visszatekintenek - mint mi tettük 1992- ben Amerika (újbóli) felfedezése kapcsán -, vélhetően ez a tény ad majd leginkább okot az ünneplésre.
Hyperion85 voltam.....
Re: Űrutazás
Koszi, egy link is eleg lett volna.
De szerintem Bence pont nem az aramforrasra, hanem a muhold meghajtasara gondolt.
--mpt
De szerintem Bence pont nem az aramforrasra, hanem a muhold meghajtasara gondolt.
--mpt
-
Hyperion85
- Hozzászólások: 95
- Csatlakozott: 2011.01.20. 00:40
Re: Űrutazás
..Szivesen..de alink már nem volt meg a szöveg el volt mentve nekem a gépen. Így alakult.Amúgy máskor nem szúrok be ennyit...Böfffffffff...Üdv: Hyperion85.