NASA’nın Voyager Uzay Araçlarını 50 Yıldır Ayakta Tutan 1960’ların Teknolojisi

Uzay araçlarını güneş enerjisiyle çalıştırmak, Dünya’da Güneş’in ışığı ne kadar yoğun hissediliyorsa o kadar da zor gibi görünmeyebilir. Dünya’ya yakın uzay araçları, iletişim sistemlerini ve bilimsel aletlerini çalıştırmak için gereken elektriği sağlamak amacıyla büyük güneş panelleri kullanır.

Ancak, uzaya daha uzaklaştıkça, Güneş’in ışığı zayıflar ve sistemleri güneş panelleriyle çalıştırmak daha az etkili hale gelir. İç güneş sisteminde bile, ay veya Mars gezicileri gibi uzay araçları alternatif güç kaynaklarına ihtiyaç duyar.

Bir astrofizikçi ve fizik profesörü olarak, uzay ortamı hakkında ileri seviye bir havacılık mühendisliği dersini veriyorum. Öğrencilerime vurguladığım temel derslerden biri, uzayın ne kadar affetmez bir yer olduğudur. Uzay araçlarının şiddetli güneş patlamalarına, radyasyona ve yüzlerce derece sıfırın altında ile yüzlerce derece sıfırın üstünde sıcaklık değişimlerine dayanması gereken bu aşırı ortamda, mühendisler en uzak ve izole uzay görevlerini güçlendirmek için yenilikçi çözümler geliştirdiler.

O halde mühendisler, güneş sistemimizin dış ulaşım noktalarında ve ötesinde görevleri nasıl güçlendiriyorlar? Çözüm, 1960’larda geliştirilmiş ve iki yüzyıl önce keşfedilmiş bilimsel ilkelere dayanan teknolojidir: radyoizotop termoelektrik jeneratörler (RTG).

RTG’ler aslında nükleer enerjiyle çalışan pillerdir. Ancak TV kumandanızdaki AAA piller gibi olmayıp, Dünya’dan milyonlarca hatta milyarlarca kilometre uzakta görevleri uzun yıllar boyunca güçlendirebilirler.

Nükleer Güç

Radyoizotop termoelektrik jeneratörler, telefonunuzdaki piller gibi kimyasal tepkimelere bağlı değillerdir. Bunun yerine, enerji üretmek için elementlerin radyoaktif bozunmalarına güvenirler. Bu konsept bir nükleer enerji santraline benzer gibi görünse de, RTG’ler farklı bir prensiple çalışır.

Çoğu RTG,plutonyum-238 kullanılarak inşa edilir ve bu enerji kaynağı nükleer enerji santralleri için uygun değildir, çünkü fisyon tepkimeleri gerçekleştiremez. Plutonyum-238, radyoaktif bozunma geçirecek bir kararsız elementtir.

Radyoaktif bozunma, ya da nükleer bozunma, kararsız bir atom çekirdeğinin kendiliğinden ve rastgele parçacıklar ve enerji yayarak daha kararlı bir yapı kazanmasıyla gerçekleşir. Bu süreç genellikle elementin başka bir elemente dönüşmesine yol açar çünkü çekirdek protonlarını kaybedebilir.

Plütonyum-238 bozunduğunda, alfa parçacıkları yayar, ki bu parçacıklar iki proton ve iki nötrondan oluşur. Başlangıçta 94 protonu olan plütonyum-238, bir alfa parçacığı yaydığında iki proton kaybeder ve 92 protonlu uranyum-234’e dönüşür.

Bu alfa parçacıkları, plütonyumu çevreleyen malzeme ile etkileşime girer ve enerjiyi buna transfer eder, bu da malzemeyi ısıtır. Plütonyum-238’in radyoaktif bozunması yeterince enerji açığa çıkarır ki malzeme kendi sıcağından dolayı kırmızı ışıkla yanar ve bu güçlü ısı bir RTG’yi besleyebilme kapasitesine sahip olan enerji kaynağıdır.

Isıdan Elektrik Üretme

Radyoizotop termoelektrik jeneratörler, Alman bilim insanı Thomas Seebeck tarafından 1821’de keşfedilen Seebeck etkisi olarak adlandırılan bir prensip kullanarak ısıyı elektriğe dönüştürebilir. Ek olarak, bazı RTG türlerinin ısısı, derin uzay görevlerinin elektronik ve diğer bileşenlerini sıcak ve iyi çalışır durumda tutmaya yardımcı olabilir.

Temel formunda, Seebeck etkisi, farklı iletken maddelerden yapılmış iki telin bir döngü oluşturacak şekilde birleştirildiğinde ve bir sıcaklık farkına maruz bırakıldığında o döngüde bir akım üretmesini tanımlar.

Bu ilkeden yararlanan cihazlara termoelektrik çiftler, ya da termokupller denir. Bu termokupller, RTG’lerin plütonyum-238’in bozunması sırasında üretilen ısı ile uzayın dondurucu soğuğu arasındaki sıcaklık farkından elektrik üretmesine olanak tanır.

Radyoizotop Termoelektrik Jeneratör Tasarımı

Temel bir radyoizotop termoelektrik jeneratörde, plütonyum-238 içeren bir konteyner bulunur, genellikle plütonyum-dioksit formunda, bu genellikle kazalar durumunda ek güvenlik sağlayan katı bir seramik hali. Plütonyum malzeme, folyo yalıtımı ile çevrelenir ve bu yalıtım katmanına geniş bir termokupl dizisi eklenir. Tüm montaj koruyucu bir alüminyum kaplama içindedir.

RTG’nin içi ve termokuplfun bir tarafı sıcak tutulur – yaklaşık 1000 derece Fahrenheit (538 derece Celsius) – iken RTG’nin dışı ve termokuplfun diğer tarafı uzaya maruz kalır. Bu dış, uzayla yüz yüze tabaka birkaç yüz derece Fahrenheit sıfırın altına kadar soğuk olabilir.

Bu güçlü sıcaklık farkı, bir RTG’nin radyoaktif bozunmadan gelen ısıyı elektriğe dönüştürmesini sağlar. Bu elektrik, iletişim sistemlerinden bilimsel araçlara, Mars üzerindeki gezicilere kadar her türden uzay aracını çalıştırır, beş güncel NASA misyonu dahil.

Ancak evinize bir RTG almaktan fazla heyecanlanmayın. Mevcut teknolojiyle, sadece birkaç yüz watt güç üretebiliyor. Bu bir dizüstü bilgisayarı çalıştırmak için yeterli olabilir, ama güçlü bir GPU ile video oyunları oynamak için yeterli değil.

Uzun mesafeli uzay misyonları için, bu birkaç yüz watt, fazlasıyla yeterli gelir.

RTG’lerin asıl avantajı, tahmin edilebilir, sürekli güç sağlamalarıdır. Plütonyumun radyoaktif bozunması süreklidir – her gün, her saniye onlarca yıl boyunca. Yaklaşık 90 yıl boyunca, bir RTG’nin sadece yarısı bozunacaktır. RTG bir elektrik üretmek için hareketli parçalara ihtiyaç duymaz, bu da onları bozunmaya veya çalışmayı durdurmaya karşı daha az eğilimli yapar.

Ayrıca, bu sistemlerin mükemmel bir güvenlik kaydı vardır ve hem normal kullanımda hem de bir kaza durumunda güvenli olacak şekilde tasarlanmışlardır.

RTG’lerin Çalışma Alanları

RTG’ler, NASA’nın güneş sistemi ve derin uzay misyonlarının birçoğunda büyük başarıyla kullanılmıştır. Mars Curiosity ve Perseverance roverları ve Yeni Ufuklar uzay aracı, 2015 yılında Plüton’a ziyaret etmiş olan ve şu anda güneş sisteminin dışına seyahat eden Yeni Ufuklar gibi misyonlarda RTG kullanılmıştır; bu teknolojinin güneş panellerinin işe yaramadığı yerlerde sağlaması gereken güç için kullanılır.

Ancak, hiçbiri RTG’lerin gücünü Voyager misyonları kadar iyi gösteremez. NASA, 1977’de ikiz uzay araçları Voyager 1 ve Voyager 2’yi dış güneş sistemine bir tur atmak ve sonra ötesine seyahat etmek üzere fırlattı.

Her iki uzay aracı da, toplamda 470 watt güç sağlayan üçer RTG ile donatılmıştı. Voyager sondalarının fırlatılmasının üzerinden neredeyse 50 yıl geçti ve her iki sonda da hala aktif bilim misyonlarını yürütüyor, Verileri toplayıp Dünya’ya gönderiyorlar.

Voyager 1 ve Voyager 2, sırasıyla yaklaşık 15,5 milyar mil (25 milyar kilometre) ve 13 milyar mil (21 milyar kilometre) Dünya’dan uzaklıktalardır, yani en uzak insan yapımı nesneler oldular. Bu kadar uzak mesafelerde bile, RTG’leri onlara düzenli bir güç sağlamaya devam ediyor.

Bu uzay araçları, 1960’ların başında RTG’leri icat eden mühendislerin yaratıcılığını kanıtlar niteliktedir.

Benjamin Roulston, Fizik Yardımcı Doçenti, Clarkson Üniversitesi. Bu makale The Conversation tarafından Creative Commons lisansı altında yeniden yayımlanmıştır. Orijinal makaleyi okuyun.