當庫什布·丹尼從小夢想著穿越太空, 在宇宙間建立某種東西的時候, 她從未想過什麼會成為她的航行動力.
人類的深空旅行之夢(圖片來自於網路) 受尼爾·阿姆斯特朗的傳記和她去佛羅里達甘迺迪航天中心和西雅圖波音工廠的旅行的啟發, 她決定在印度阿姆裡塔大學獲得航天工程學士學位後, 繼續攻讀航天工程的研究生. 現在, 作為Viterbis航空工程系(MS 19)的碩士研究生和液體推進實驗室(一個由學生領導的火箭建造小組)的前成員, 她對動力系統產生了興趣.
今年夏天, 丹尼在愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory)的太空核研究中心(Center of Space Nuclear Research, CSNR)實習. 該實驗室是一家為太空旅行開發先進核系統的機構. 她和另外四名大學生組成的研究小組的任務是確定核燃料與周圍材料的相互作用以及這種相互作用如何影響能量轉換的效率.
雖然短程太空任務可以使用太陽能板發電, 但對於深空任務和需要更多電力的任務來說, 太陽能還不夠. 相反, 他們必須使用放射性同位素熱電發電機(RTGs)產生的核能.
放射性同位素熱電發電機(RTGs)結構圖(圖片來自於網路)
基本上, 它的工作原理是放射性物質的衰變, 在我們的例子中是鈈-238, 產生的熱量通過熱電偶轉換成電能, 丹尼解釋說.
較新的RTG設計能夠為多個任務提供動力, 稱為MMRTGs. 它們採用模組化設計, 以更小的增量產生電能.
第一個使用放射性同位素電源的航天器是1961年發射的子午儀衛星(Transit satellite). 從那以後, RTGs在旅行者號和卡西尼號軌道飛行器等許多項目中都被使用. 最近, '好奇號' 火星探測器上使用了MMRTG, 並將在未來的2020火星探測器上使用.
美國宇航局工作人員為火星好奇號探測器準備了多任務放射性同位素熱電發電機 (MMRTG) .
火星好奇號探測器(NASA) MMRTG通常有八個熱源模組, 每個模組都包含一個由鈈-238製成的燃料球. 為了保護放射性同位素, 這些組件被包裹在石墨外殼中, 外殼內襯一層保護塗層. 丹尼和她的團隊負責分析鈈-238衰變過程中產生的分子是如何擴散並與周圍物質發生反應的.
丹尼說, 鈈-238是一種產生氦的強α發射體. 這些氦分子在一段時間內會在小球中形成溝渠, 進而影響發電速度.
這種衰變還釋放出氧分子, 這些氧分子可能使石墨殼在潛在的衝擊過程中變脆並易受損害. 在一兩年內, 這些膠囊用於組裝, 等待任務, 有足夠的時間進行反應以阻礙組件.
鈈-238半衰期為88年, 是一種理想的長效動力源. (圖片來自於網路) 目前業界了解其背後的物理原理, 但不確定其行為會導致何種後果. 所以, 我們所做的就是建立一個模型來幫助他們分析顆粒在發射前的內部情況, 丹尼說.
這是一個來自不同背景的學生組成的團隊, 從化學工程, 材料科學到核子工程, 他們建立了一個計算機模型的框架, 允許CSNR科學家改變參數的初始條件如溫度和壓力, 氣體動力學將影響材料的相互作用. 他們的工作可以幫助改進MMRTGs的未來設計和提供參考.
儘管人類擁有核能的曆史充斥著毀滅性武器, 如原子彈和切爾諾貝利這樣的災難性事故, 但目前沒有任何一種能源在單位體積能產生如此多的能量.
核能可以成為毀滅性武器, 卻是目前深空旅行的唯一能源. (圖片來自於網路) '到目前為止, 除了核能, 人們還沒有發現其他實用的技術. ' 丹尼說: '我認為, 在我們找到更好的技術為我們的航天器在深空任務中提供動力之前, 核能是目前也可能是未來唯一的選擇. '
