Pitanje:
Postoje li sigurne alternative za RTG za istraživanje vanjskog solarnog sustava?
gerrit
2013-07-17 02:19:38 UTC
view on stackexchange narkive permalink

U protekla dva desetljeća NASA je pokrenula najmanje tri misije koje koriste RTG-ove:

  • Cassini
  • Mars Science Laboratory
  • New Horizons

Ta lansiranja uključuju plutonij, što je razlog da se neki usprotive misijama u svom obliku, jer je lansiranje povezano sa znatnim rizikom. Za svaku od njih NASA je objavila prilično opsežnu izjavu o utjecaju na okoliš. To uključuje procjenu broja "latentnih smrtnih slučajeva od raka" u najgorem scenariju:

Koje su alternative dostupne? NASA je u Poglavlju 2 EIS i za Marsov laboratorij za znanost u Poglavlju 2 na EIS. Rizik za Cassini bio je mnogo veći nego za MSL (jer je imao puno više plutonija), ali i troškovi implementacije alternative bili su mnogo veći (to bi moglo biti moguće sada, ali pitanje može li biti moguće kad je Cassini pokrenut). Bilo je neke rasprave, na pr. ovdje. I Juno i Juice, misije na Jupiter, koriste solarnu energiju.

Za misiju poput New Horizonsa, ali i Voyagera 1 i 2, solarna energija zapravo nije izvediva. Postoji li ovdje neka alternativa?

Jedno ezoterično, znanstveno-fantastično rješenje kojeg se mogu sjetiti bilo bi stvaranje plutonija u svemiru. Futuristički je, ali s nuklearnom Reaktor na asteroidu, kojim upravljaju roboti, mogao bi proizvesti gorivo što omogućava istraživanje vanjskog Sunčevog sustava. To, naravno, trenutno nije moguće, ali riješilo bi se problema sa sigurnošću lansiranja.

Druga, bliža alternativa ne bi se u potpunosti riješila plutonija u izvorima temeljenim na Earthu, već bi ga dodatno ograničila. . ASRG-ovi u novom stilu koriste samo četvrtinu goriva od tradicionalnih RTG-a, a korisni tereti postaju učinkovitiji, pa bi budućnost nakon Saturna mogla imati 10–20% plutonija. Ovo je predloženo za sada otkazan istraživač Titan Mare.

Postoje li alternative za istraživanje vanjskog Sunčevog sustava koje ne nose nuklearni rizik od lansiranja? Radi ovog pitanja, definiram vanjski Sunčev sustav kao Saturn ili izvan njega, gdje solar nikada nije korišten.

[Cassini] (http://en.wikipedia.org/wiki/Cassini%E2%80%93Huygens) pokrenut je 1997. godine, ali put do Saturna bio je gotovo 7 godina.
"... jer je lansiranje povezano sa znatnim rizikom." [citat potreban] Brojevi navedeni neposredno ispod gornjeg citata ne čine se značajnim rizikom u usporedbi s vjerojatnošću drugih načina umiranja.
@AdamWuerl Naveo sam brojeve. [Drugačije pitanje] (http://space.stackexchange.com/q/24/33) bavi se pitanjem usporedbe rizika s ostalim rizicima koji su uključeni u lansiranje svemirske sonde. Usporedba s rizicima koji nisu povezani s lansiranjem je teška.
Na Saturnovoj udaljenosti, pravilo obrnutog kvadrata rezultira s samo 15 vata dostupne 'konstante' sunčevog toka. Užasno. Ali što će se dogoditi ako uzmete reflektor i usmjerite sunčevu svjetlost na obični fotonaponski panel od jednog četvornog metra? Koncentracija 100: 1 rezultirala bi s 1500 W na površini ploče, s možda 500 W korisne snage. Reflektor bi morao biti velik, ali solarni materijal, materijal koji već postoji, ima približno 90% reflektivnosti. Uz pretpostavku paraboličnog reflektora, recimo, 113 četvornih metara, promjer bi bio nešto manji od 12 metara.
A Galileo, Voyagers, New Horizons, misije Apollo koristili su RTG-ove. Na sigurnom su! Dvoje su se srušili natrag na Zemlju, bez ikakve štete po okoliš. Oni su gotovo neuništivi. Jedan od njih izlovljen je s dna oceana i ponovno upotrijebljen na drugom satelitu, nakon što je izgorio u atmosferi, srušio se na površinu oceana i pao pod vrlo visokim tlakom u dubini (!!!) Drugi RTG koji se srušio bio je iz Apolon 13, trebao je ostati na Mjesecu da su uspjeli sletjeti. Spasivanje posade vrijedilo je bezazlenog neuništivog pada RTG-a u atmosferi.
@LocalFluff Citirana NASA-ina izvješća ne slažu se da su sigurna. Postoje rizici i dogodio se niz nesreća s RTG-ovima. Vaša tvrdnja da nisu naštetili okolišu ne može se provjeriti.
@gerrit: Mislim da ostaje navesti da je bilo koji od desetaka, uključujući pionire i nedavni kineski Chang'e 3 Lunar Lander (ako ne stotine, tko zna što su militari radili) zapravo nanio štetu okolišu tijekom pola stoljeća RTG su bili u upotrebi. To je zahtjev za štetom za okoliš koji se ne može provjeriti! Postoje dobri razlozi za vjerovanje da dobro inkapsulirani RTG-ovi ne mogu nanijeti štetu okolišu. Nikad nisu, čak ni kad su se rijetko srušili.
@LocalFluff Nije se dogodio nijedan od onih najgorih scenarija EIS-a. Moguće je, ali nije poželjno provjeriti predviđanje štete za okoliš. Opasno je vjerovati da zaštita onemogućava štetu okolišu. Puno je povijesnih katastrofa za koje se prije činjenice smatralo da su nemoguće. Činjenica da RTG-ovi trebaju zaštitu pokazuje da * postoji * rizik. Ova rasprava bolje pristaje uz [ovo povezano pitanje o relativnom riziku od RTG-ova] (http://space.stackexchange.com/q/24/33), koje još uvijek nije dobilo kvantitativni odgovor.
@LocalFluff Rizik nije kod samog RTG-a kao potpuno sadržane jedinice, već kod RTG-a koji može puknuti tijekom nesreće prilikom lansiranja i kontaminirati veliko područje ispadima. Mislim da su brojke bile konzervativne. Zamislite lansiranje RTG-a s rta Canaveral, pri čemu nosač eksplodira na velikoj visini, pukne kućište RTG-a i raširi visokoradioaktivni Pu-233 preko pola obale Floride. Kako god na to gledao, rizik je. Zašto ga uzimati kad misija može raditi na solarnu energiju?
četiri odgovori:
#1
+20
AlanSE
2013-07-22 19:11:39 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Fisioni reaktori mogu dobro funkcionirati za svemirske sonde, a to će se vjerojatno dogoditi. Trenutno su u tijeku projekti američkih agencija za izradu nacrta za to. Značajno, Demonstracija korištenjem fisija na ploči (DUFF).

Zašto fisioni reaktor?

  • Pri lansiranju nije visoko radioaktivan
  • Može biti kompaktan
  • Može imati veliku snagu
  • Nije predmet ograničene opskrbe gorivom

Pretpostavka je da koristili bi obogaćeni uran. Takav reaktor vjerojatno bi koristio 20% obogaćeni uran, jer je to granica između materijala službeno oružja. Iako je ovaj materijal donekle politički problematičan, nema zdravstvenih problema dok se reaktor ne uključi. Mogli biste ga držati u rukama potpuno sigurno, iako vam to nikad ne bi dopustili.

Sljedeća briga ljudi je "što ako se slučajno uključi?" Zbog toga će svemirski reaktor koristiti upravljačke bubnjeve. Imamo mnoga istraživanja o nuklearnoj sigurnosti svemirskih reaktora, jer su se tijekom mnogih desetljeća uzimali u obzir za misije na Mjesec i sve vrste stvari. Upravljačke šipke mogu se prisiliti u reaktoru ako se dogodi pad, ali kontrolni bubnjevi moraju se okretati i nema razlike u gustoći koja bi to mogla uzrokovati. Zaključani su na mjestu dok nisu prilično daleko od Zemljine površine.

Ako je reaktor pao u ocean, napravljen je da ne bude kritičan. Mogli biste se vraški utrkivati ​​kako biste ga preuzeli, jer ne želite da bilo koja sumnjiva skupina pokupi besplatni nuklearni reaktor, a IAEA pomno promatra protoke nuklearnih materijala širom svijeta. Ako bi stvar bila izgorjela i razbacana po velikom području, to bi zabrinjavalo, ali rak neće biti uzrokovan.

Fiski reaktor u svemiru može proizvesti izuzetno velike snage. Svemirska sonda koristila bi izuzetno skroman dizajn, s malim sagorijevanjem (učinkovitost goriva) i pasivnim hlađenjem. Unatoč tome, dat će više snage nego što bi je dao bilo koji RTG ili solarni niz. Trebat će vam puno zaštite između reaktora i same sonde, a između dijelova bit će dosta fizičkog razdvajanja.

Postoje li studije utjecaja na okoliš koje je napravila NASA ili druge (u načelu) neovisne organizacije s kojima biste se mogli povezati?
http://en.wikipedia.org/wiki/SNAP-10A Očito su čak išli toliko daleko da su namjerno izgarali funkcionalne prototipove u pustinji.
Hmm, ovo znatno izaziva moje prethodne koncepcije, pa ću morati malo pročitati ovo. Ili, gdje je kvaka?
Retrospektivno, ne možemo biti posebno sretni što je SNAP-10A tamo gore ... u Zemljinoj orbiti. Ideja bi tehnički mogla funkcionirati za ISS, ali postoji razlog zašto to ne bismo shvatili ozbiljno. Nakon 30 godina vaš reaktor još uvijek kruži, a * onda * što? Ali za misije izvan LEO-a to još uvijek ima smisla.
Rascjepljivi reaktori -1 imaju potpuno iste probleme s lansiranjem kao i RTG-ovi. Naime, neuspješno lansiranje može rezultirati širenjem radioaktivnih sredstava.
@aramis Ako je izrađen od prerađenog goriva (MOX, itd.), Onda bih se složio.
@AlanSE: goriva koja se koriste (uran, plutonij) otrovna su poput metala * i * kao radioaktivna sredstva, čak iu nekritičnim količinama. To je isto pitanje kao i kod RTG-a. Prijetnja nije da će se aktivirati, već da će se gorivo raspršiti po populacijskom centru. (ESA brine u osnovi bruto precjenjivanje rizika, ali rizik je da se radioaktivni materijali slučajno šire, kojima se prigovaraju.) Čak su i torij i radij rizični.
@kimholder Da, točno, rizik od raspršenog radioaktivnog materijala za NTR dramatično je manji od RTG-a. Vidi komentar Aramisa koji spominje Radon. Novo gorivo u osnovi nema radona jer je upravo iznova proizvedeno kao uranij-oksidna keramika. Ova je vrsta goriva sveprisutna u velikoj većini operativnih nuklearnih reaktora, a s granicom obogaćenja <20% U-235, još uvijek je dovoljna za sonde dubokog svemira. Metal urana trivijalni je biološki rizik u usporedbi s RTG-ovima ili reaktorima koji rade i proizvode proizvode fisije.
Postavio sam sljedeće pitanje jer se čini da je razlika zapanjujuća i volio bih je kvantitativno jasnije shvatiti. http://space.stackexchange.com/q/16608/4660
-1: svaki incident zračenja koji uključuje satelit uključuje onaj koji radi na nuklearni reaktor.
#2
+6
GreenMatt
2013-07-17 02:52:49 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ovisno o upotrebi i također o tome što podrazumijevate pod "vanjskim solarnim sustavom", solarni paneli dolaze do točke u kojoj se mogu koristiti. Na primjer, Juno, koja je trenutno na putu do u orbiti oko Jupitera, koristi solarne panele. Kako solarni paneli postaju učinkovitiji, oni mogu biti korisniji za planete koji su udaljeniji. S druge strane, i kao što ste primijetili, rover Curiosity Mars Science Laba koristi RTG-ove.

A lunarne misije s 14 dana mraka neće dobro funkcionirati sa Solarom.
Lunarne misije dobro će funkcionirati ... pola vremena. Za razliku od Marsa, gdje atmosfera postavlja prašinu preko ploča ako se ne pomaknu, na Lunu prašina leti samo od udaraca, a 14 dana prašine vjerojatno neće imati puno značaja. (i ako se nešto pogodi dovoljno jako i jako da bi bilo važno, vjerojatno će se dogoditi i više od pukog blokiranja ploča.
Jedan od Lunohodovih umro je jer je prašina dospjela na radijatore. Vozili su se unutar kratera i slučajno pokupili prašinu s ruba kratera 'poklopcem' (termalnim poklopcem). Kad se poklopac zatvorio za lunarne noći, bacio je prašinu na radijator, zbog čega se rover sljedeći dan pregrijao.
#3
+6
mark.g
2016-05-31 18:40:06 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pohranjeni elektroenergetski sustavi za kemijsku energiju (SCEPS) jedna je od mogućih alternativa. Iz NASA-e:

Pohranjeni elektroenergetski sustavi za kemijsku energiju (SCEPS) koriste se u torpedima američke mornarice desetljećima. Ova tehnologija velike gustoće energije i velike snage može se pouzdano čuvati godinama. U fazi I analizirali smo primjenjivost SCEPS-a na in situ istraživanje Sunčevog sustava, tražeći da li bi se mogao prilagoditi za pokretanje lendera poslanog na cilj bez korisne sunčeve svjetlosti kao izvora energije. Razvili smo misiju kandidata na površinu Venere, pokazujući da se SCEPS može koristiti za napajanje svemirskih letjelica i sletnika. Tim ga je usporedio sa konvencionalnim sustavima na baterije i plutonij, a oba imaju nedostatke koje SCEPS nadvlada. Naš koncept obećava energetsko rješenje koje bi moglo znatno premašiti operativni kapacitet postojećih baterija, omogućujući nastavak uzbudljivog istraživanja unatoč nedostatku dostupnog Plutonija. Predlažemo da se nastavi istraživanje primjene SCEPS-a na istraživačke misije koje se ne mogu napajati sunčevom svjetlošću. U ovom ćemo istraživanju sazreti misiju Venera proučavanu u I. fazi. Također ćemo proširiti svoje razumijevanje korisnosti SCEPS-a na istraživanje mjeseci, kometa, asteroida i drugih ciljeva na kojima sunčeva svjetlost nije dovoljna za pokretanje misije. Angažirat ćemo s vođama u planiranju znanosti za mala tijela, vanjske planete i robotske misije na naš vlastiti Mjesec i odrediti prvu, najsnažniju uporabu SCEPS-a u svemiru. Izvest će se eksperiment za određivanje učinkovitosti SCEPS-a pri korištenju CO2 kao oksidansa, približavajući iskorištenost resursa in situ atmosfere Venere. Ponovno će se pregledati ciljevi Venere za znanost kako bi se koncept Venere pripremio za sljedeću razinu studija. Ističu se dva ključna rizika. Prva je naša sposobnost da smanjimo snagu sa trenutne implementacije SCEPS-a na više razine u obitelji s letjelicama. Primjerice, sletjeli sustavi na Marsu imali su razinu snage veličine stotine vata, daleko manje od tisuće kilovata koje SCEPS osigurava za torpedo američke mornarice. Ovdje predloženi rad doveo bi do boljeg razumijevanja rada SCEPS-a na razinama snage prikladnim za istraživanje svemira. Drugi rizik je izgaranje s resursima in situ. U slučaju misije ALIVE, atmosferski CO2 predlaže se kao oksidans. Analiza provedena u fazi I pokazuje da bi reakcija dala potrebnu toplinu za pogon sletnika. Korištenje in situ resursa ima svoje prednosti: u slučaju misije ALIVE smanjuje masu potrošnog materijala koji bi inače trebao biti uključen na dan lansiranja za stotine kilograma. U fazi II tražimo eksperimentalnu potvrdu da se ova reakcija može pokrenuti i održati na razinama snage potrebne za takav sletni uređaj. Vidimo priliku da proširimo svoje razumijevanje utjecaja koji bi SCEPS mogao imati na istraživanje Sunčevog sustava. Venerino okruženje bez sunca doista se može istražiti pomoću SCEPS-a, ali mnoge hladne regije bez sunca mogu također imati koristi. Slanje SCEPS sustava za pogon slijetača na površini Europe ili jezera ili dina Titan može vratiti značajnu znanost koja bi u suprotnom ostala nepoznata ili barem uvelike odgođena dok zajednica radi na rješavanju problema dostupnosti Plutonija. Razvit ćemo model s više varijabli za funkciju i izvedbu SCEPS-a koristeći napredne alate i tehnike za vizualizaciju i istraživanje trgovinskog prostora. Trgovački prostor uključivat će informacije prikupljene od dionika. Alati trgovinskog prostora omogućit će nam da vidimo sjecište SCEPS sposobnosti i korisnosti misije. Zbirni rezultati studije koristit će se za stvaranje putokaza za daljnje sazrijevanje SCEPS-a za uporabu u svemiru. U fazi II nastojimo proširiti razumijevanje kako najbolje ciljati ovu tehnologiju i planirati put razvoja razvojem putokaza za TRL napredovanje SCEPS-a u svemiru koji odražava NASA-ine naučne ciljeve Sunčevog sustava u ovom desetljeću.

Ovaj koncept koristi benzin ili slično za pogon motora s unutarnjim izgaranjem. Pogodno je za torpeda kojima treba nekoliko minuta snage tijekom nekoliko minuta. Za dugoročne misije trebate neizvjesno velike količine goriva, što ovo nije idealna zamjena za RTG.
@Hobbes Ništa nije idealno. Može nadopuniti resurse, na primjer koristiti CO2 iz atmosfere Venere, kako je navedeno u tekstu.
Naravno, to znači da ne morate nositi oksidans, ali svejedno morate nositi gorivo.
Da, gorivo je ograničavajući čimbenik, ali kraća misija bolja je od nikakve.
@Hobbes, ali RTG uopće nije idealan, jer uopće ne možete kontrolirati njegovu izlaznu snagu. Stoga uvijek trebate napraviti kompromis između dovoljne snage za upravljanje instrumentima i dugotrajnosti; ²³⁸Pu ima sasvim pristojnu zamjenu za misiju poput Cassinija, ali na pr. za Voyagera je to zapravo bilo prilično glupo - puna snaga (onoliko koliko bi znanstveno intenzivnim letačima trebalo) za sve to vrijeme bez događaja u međuplanetarnom prostoru. I nikako da se uštedi energija za uvijek rijetka mjerenja u međuzvijezdanom prostoru; neće proći predugo dok jednostavno ne bude mrtva.
@leftaroundabout, jezgre Voyager RTG još uvijek daju dosta topline. Problem je što su se istrošili termoelektrični pretvarači koji tu toplinu pretvaraju u električnu.
@Mark zanimljivo! Upravo sam pitao [Što se brže troši na RTG-ovima; izotopi ili termoelementi?] (https://space.stackexchange.com/q/44381/12102)
#4
  0
LazyReader
2020-05-28 11:40:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Putovanje u svemir koristilo je tri različite metode napajanja tijekom posljednjih pedeset godina.

  1. Solarne ploče: Idealno, ne zahtijevaju gorivo, ali kako udaljenost od sunca znatno povećava učinkovitost. Solarni izlaz pada napola sa Zemlje na Mars, mimo pojasa Asteroida prilično je beskoristan.
  2. Stanice goriva: Apollo s pogonom, Space Shuttle. Osigurajte napajanje danima / tjednima. ali rizik od kvara i eksplozije, iako imaju pristojne rezultate za pouzdanost. Ali nigdje blizu izdržljivosti željene za tranzit na velike udaljenosti.
  3. RTG-ovi: Pouzdani, uglavnom bez održavanja, rade godinama, a nedostatak je što je izlazna snaga vrlo loša, u prosjeku 150-300 vata. Nijedan RTG izgrađen u SAD-u nije imao kvara koji je rezultirao kontaminacijom okoliša. Ruski RTG koji je sagradio za napajanje svjetionika i svjetionika, nakon desetljeća zanemarivanja, u međuvremenu su propali i skloni vandalizmu ili krađi metala.

Nuklearni reaktori nude jedino pravo potencijalno dugoročno napajanje, istraživanje vanjskih planeta na velike udaljenosti. Ali nije reaktor problem već je metoda pretvorbe snage. Turbinski ili miješajući motor mogao bi biti takav generator; Međutim, oba imaju pokretne dijelove koji, ako ne uspiju, čine cijeli sustav mrtvim, termoelektrična pretvorba je izvediva, ali postupak nije vrlo učinkovit, no fisija djeluje na višoj temperaturi, učinkovitost postupka termoelektrične pretvorbe je malo poboljšana, ali trošenje i suza viših temperatura zahtijeva toleranciju termoparova. Izuzetno pouzdan i jednostavan motor mora biti dizajniran, testiran i izrađen. Umjesto pouzdanosti od milja poput kamiona, već mjereno u pouzdanosti sati. Srećom, reaktor ne mora raditi punom brzinom / izlazom tijekom tranzita, kada se misija nastavlja, reaktor se ubrzava (zajedno s motorom) kad započne misija. Termoelektrična pretvorba bez pokretnih dijelova čini se sigurnijom, ali upotreba motora daje više snage za više, robusne i sofisticirane instrumente. S reaktorskim napajanjem koje omogućuje gotovo 1000 puta veću izlaznu snagu i cijeli niz naprednih senzora i kamera i odašiljača visoke razlučivosti. I termoelektrični generatori u tandemu s motorima; činilo se sigurnijim za upotrebu.

termoelektrična pretvorba nema pokretnih dijelova! Ovu rečenicu treba ispraviti: "Motor s turbinom ili mješavinom ili termoelektrična pretvorba, no oba imaju pokretne dijelove koji u slučaju neuspjeha čine cijeli sustav mrtvim."
Ovo nije odgovor - pitanje je nakon sigurnih dizajna reaktora za upotrebu u svemiru
Za točku 2. "Ali nigdje blizu izdržljivosti željene za tranzit na velike udaljenosti." Mislim da bi to trebalo preispitati jer suvremene gorivne ćelije pokazuju vrlo visoku izdržljivost. To je posebno vidljivo kada se razmatra odluka glavnih proizvođača automobila da toliko ulažu u razvoj vozila s gorivim ćelijama (Toyota, Hyundai, itd.)


Ova pitanja su automatski prevedena s engleskog jezika.Izvorni sadržaj dostupan je na stackexchange-u, što zahvaljujemo na cc by-sa 3.0 licenci pod kojom se distribuira.
Loading...