Mit fortschreitender Wissenschaft und Technologie verlangen wir von unseren Weltraummissionen, dass sie immer mehr Ergebnisse liefern. Die NASA-Rover MSL Curiosity und Perseverance veranschaulichen diese Tatsache. Beharrlichkeit ist eine außergewöhnlich exquisite Ansammlung von Technologien. Diese hochmodernen Rover brauchen viel Energie, um ihre Aufgaben zu erfüllen, und das bedeutet sperrige und teure Stromquellen.
Die Erforschung des Weltraums ist ein zunehmend energiehungriges Unterfangen. Orbiter und Fly-by-Missionen können ihre Aufgaben zumindest bis zum Jupiter mit Sonnenenergie erfüllen. Und Ionenantriebe können Raumfahrzeuge in weiter entfernte Regionen bringen. Aber um entfernte Welten wie die Monde von Jupiter und Saturn oder sogar den weiter entfernten Pluto wirklich zu verstehen, müssen wir schließlich einen Rover und/oder Lander auf ihnen landen, genau wie wir es auf dem Mars getan haben.
Diese Missionen erfordern mehr Energie, um zu funktionieren, und das bedeutet normalerweise MMRTGs (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generators). Aber sie sind sperrig, schwer und teuer, drei unerwünschte Eigenschaften für Raumfahrzeuge. Jeder kostet über 100 Millionen Dollar. Gibt es eine bessere Lösung?
Stephen Polly glaubt, dass es so ist.
Polly ist wissenschaftliche Mitarbeiterin in den NanoPower Research Laboratories am Rochester Institute of Technology. Seine Arbeit konzentriert sich auf etwas, von dem die meisten von uns wahrscheinlich noch nie gehört haben: die Entwicklung, das Wachstum, die Charakterisierung und die Integration von III-V-Materialien durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE).
Dieses Video gibt eine klare Erklärung von MOVPE. Kredit: Chemische Gasphasenabscheidung: Grundlegende Funktion – Nanotechnologie: Ein Kurs für Hersteller
Während das für Laien kompliziert klingt, können sich Weltraumenthusiasten leicht mit der Idee identifizieren, zu der all seine Arbeit geführt hat: eine potenziell neue Art, Weltraummissionen anzutreiben.
Polly arbeitet an einer möglicherweise revolutionären Möglichkeit, Raumfahrzeuge auf langen Reisen zu den äußeren Planeten anzutreiben. Es wird als thermoradiative Zelle (TRC) bezeichnet und ähnelt einem MMRTG. Es verwendet ein Radioisotop als Energiequelle.
Polly setzt auf eine Technologie namens metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE). Sie verwendet chemische Dämpfe, um dünne polykristalline Filme herzustellen. Es ist ein industrieller Prozess, der in der Optoelektronik verwendet wird, um Dinge wie Leuchtdioden (LEDs) herzustellen. Pollys Arbeit verwendet MOVPE, um thermoradiative Zellen (TRCs) herzustellen.
TRCs verwenden wie MMRTGs ein Radioisotop und basieren auf Wärme aus radioaktivem Zerfall, aber es gibt einen Unterschied. Der Zerfall heizt die TRC auf, die dann Licht emittiert. Das Licht gelangt dann zu einer Photovoltaikzelle, die wiederum Strom erzeugt. Es ist so etwas wie eine Kombination aus MMRTG und Solarenergie.
Aber Pollys Idee ist viel kleiner, und das ist ein heiliger Gral in der Raumfahrttechnik. „Dieses Gerät, das von einer Radioisotopen-Wärmequelle angetrieben wird, wird eine Größenordnungssteigerung der massespezifischen Leistung (~30 vs. ~3 W/kg) und eine Volumenabnahme um drei Größenordnungen (~0,2 vs. ~212) ermöglichen L) im Vergleich zu einem konventionellen Multi-Mission Radioisotope Thermal Generator (MMRTG)“, erklärte Polly in einer kurzen Pressemitteilung.
Polly schreibt, dass diese Geräte dazu beitragen könnten, unsere Weltraumforschungsaktivitäten zu revolutionieren. Es könnte zu einer Verbreitung kleinerer Raumfahrzeuge führen, die keine großen Solaranlagen entfalten oder sperrige, schwere MMRTGs tragen müssen. Technologische Fortschritte schrumpfen kontinuierlich die wissenschaftlichen Nutzlasten. Wenn also die Stromquelle mit ihnen schrumpfen kann, könnten CubeSats viel nützlicher werden.
„Dies wird Small-Sat-Missionen zu den äußeren Planeten sowie Operationen in permanenten Schatten wie polaren Mondkratern direkt ermöglichen“, erklärt Polly. Der erste Einsatz der Technologie könnte bei einer Mission zum Uranus erfolgen. „Wir werden einen thermoradiativen Konverter analysieren, um einen CubeSat (oder eine Flotte von CubeSats) mit Strom zu versorgen, der mit einer Flaggschiff-Uranus-Mission mitfahren kann, Aufgaben erfüllt, wie als Informationsrelais für atmosphärische Sonden zu dienen und eine Parallaxenansicht des Planeten und der Monde zu erhalten. “
Wir sind alle dabei – oder zumindest unser Intellekt und unsere Vorstellungskraft – wenn wir Raumschiffe ins Sonnensystem schicken, um die Natur zu erforschen. Wenn Pollys Arbeit Früchte trägt und Raumfahrzeuge mit kleineren, effektiveren Energiequellen gebaut werden können, wird die Fahrt noch interessanter.
Pollys Idee ist eine Phase-Eins-Auswahl im NIAC, dem NASA Innovative Advanced Concepts Program. Er hat Fördergelder erhalten, um die Idee weiterzuentwickeln.