हे कसे कार्य करते, प्लुटोनियम-238 तुलना

NASA किरणोत्सर्गी समस्थानिक americium-241 वर आधारित नवीन आण्विक बॅटरी तंत्रज्ञानाचे मूल्यमापन करत आहे जे 433 वर्षांपर्यंत अंतराळ यानाला उर्जा देऊ शकते, ज्यामुळे मानवजातीचे रोबोटिक emissaries किती काळ आणि किती अंतरापर्यंत प्रवास करू शकतात हे ऐतिहासिकदृष्ट्या मर्यादित असलेल्या शक्तीच्या मर्यादा दूर करून खोल अंतराळ संशोधनाच्या व्याप्ती आणि महत्त्वाकांक्षेमध्ये संभाव्य रूपांतरित होऊ शकते.

लीसेस्टर युनिव्हर्सिटी आणि ओक रिज, इडाहो आणि लॉस अलामोससह यूएस राष्ट्रीय प्रयोगशाळांच्या सहकार्याने केलेले संशोधन, प्लुटोनियम-२३८ रेडिओआयसोटोप पॉवर सिस्टमच्या पलीकडे एक महत्त्वपूर्ण पाऊल दर्शवते ज्याने व्होएजर, कॅसिनी आणि रोएव्हर्ससह NASA च्या काही सर्वात प्रसिद्ध सखोल अंतराळ मोहिमांना शक्ती दिली आहे.

तंत्रज्ञान – न्यूक्लियर बॅटरी प्रत्यक्षात कशी कार्य करते

रेडिओआयसोटोप पॉवर सिस्टम भ्रामकपणे साध्या भौतिक प्रक्रियेतून वीज निर्माण करतात. किरणोत्सर्गी समस्थानिक कालांतराने नैसर्गिकरीत्या क्षय पावतात, तसेच उष्णता सोडतात. फ्री-पिस्टन स्टर्लिंग कन्व्हर्टर्स, यांत्रिक उपकरणांद्वारे ती उष्णता कॅप्चर केली जाते आणि विजेमध्ये रूपांतरित केली जाते जी तापमानातील फरकांना गतीमध्ये आणि नंतर विद्युत प्रवाहात बदलते. कन्व्हर्टर्सची किमान पोशाखांसह एक दशकाहून अधिक काळ सतत चालण्यासाठी चाचणी केली गेली आहे, ज्यामुळे ते खोल जागेच्या सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण वातावरणासाठी आदर्श आहेत जेथे देखभाल करणे अशक्य आहे आणि विश्वासार्हता सर्वकाही आहे.

सिस्टमला सूर्यप्रकाश, रिचार्जिंग, कोणत्याही प्रकारच्या बाह्य ऊर्जा इनपुटची आवश्यकता नाही. हे फक्त अंतराळ यानावर बसते आणि नैसर्गिक किरणोत्सर्गी क्षयच्या स्थिर उष्णतेला विजेमध्ये रूपांतरित करते जी उपकरणे चालू ठेवते, संप्रेषणे प्रसारित करते आणि ऑनबोर्ड संगणक डेटावर प्रक्रिया करते.

का Americium-241 प्रती प्लुटोनियम-238

सध्याचे मानक इंधन आणि नवीन उमेदवार यांच्यातील महत्त्वाचा फरक एका भौतिक गुणधर्मावर येतो: अर्ध-जीवन.

प्लुटोनियम-२३८, ज्याने नासाच्या खोल अंतराळ मोहिमेला अनेक दशके चालविले आहे, त्याचे अर्धे आयुष्य अंदाजे ८८ वर्षे आहे. अर्ध-जीवन म्हणजे रेडिओॲक्टिव्ह सामग्रीचा अर्धा क्षय होण्यासाठी लागणारा वेळ, म्हणजे प्लुटोनियम-238 प्रणालीचे पॉवर आउटपुट 88 वर्षांनंतर त्याच्या मूळ पातळीपर्यंत निम्म्यावर येते. व्हॉयेजर 1 आणि व्हॉयेजर 2 सारख्या मोहिमांसाठी, जे 1977 मध्ये लॉन्च झाले आणि जवळपास 50 वर्षांनंतर अजूनही कार्यरत आहेत, त्यांच्या रेडिओआयसोटोप सिस्टमचे कमी होत जाणारे पॉवर आउटपुट ही एक सतत अभियांत्रिकी अडचण आहे, ज्यामुळे उर्वरीत उर्जा बजेट वाचवण्यासाठी मिशन कंट्रोलर्सना हळूहळू साधने बंद करणे आवश्यक आहे.

Americium-241 चे अर्धे आयुष्य अंदाजे 433 वर्षे आहे, जे प्लुटोनियम-238 पेक्षा पाचपट जास्त आहे. 2100 साल येईल तेव्हा americium-241 प्रणालीद्वारे समर्थित अंतराळ यान आजही त्याच्या मूळ उर्जा उत्पादनाच्या 85 टक्क्यांहून अधिक काम करत असेल. जेव्हा 2200 वर्ष येईल तेव्हा ते वापरण्यायोग्य उर्जा निर्माण करत असेल. ज्या सभ्यतेने ती लॉन्च केली ती बॅटरी लक्षणीयरीत्या कमी होण्यास सुरुवात करेपर्यंत खूप वेगळी दिसू शकते.

ट्रेड-ऑफ असा आहे की americium-241 प्लुटोनियम-238 पेक्षा जास्त प्रारंभिक उर्जा निर्माण करत नाही. ज्या मोहिमांसाठी त्यांच्या सुरुवातीच्या कार्यकाळात जास्तीत जास्त पॉवर आउटपुट आवश्यक आहे, प्लुटोनियम-२३८ हा मजबूत पर्याय आहे. Americium-241 चा फायदा तीव्रता नाही. ती सहनशक्ती आहे.

हे काय मिशन सक्षम करू शकते

सध्याच्या मिशन टाइमस्केल्सच्या संदर्भात अंतराळ संशोधनासाठी 433 वर्षांच्या उर्जा स्त्रोताचे परिणाम पूर्णपणे समजणे कठीण आहे.

सुमारे 50 वर्षांपूर्वी प्रक्षेपित केलेले व्हॉयेजर प्रोब आता आंतरतारकीय अवकाशात आहेत, त्यांनी हेलिओपॉज ओलांडली आहे, ही सीमा जिथे सूर्याचा प्रभाव आंतरतारकीय माध्यमाला मार्ग देतो. ते अस्तित्वातील सर्वात दूरच्या मानवनिर्मित वस्तू आहेत. त्यांची प्लुटोनियम-२३८ पॉवर सिस्टीम आता इतकी संपुष्टात आली आहे की अंतराळयान चालू ठेवण्यासाठी नासाला उपकरणे बंद करावी लागली आहेत. Americium-241 सिस्टीमने संपूर्ण प्रवासात आणि पुढेही त्याच प्रोबला मजबूत पॉवर बजेट दिले असते.

भविष्यातील आंतरतारकीय पूर्ववर्ती मोहिमा, बाह्य सूर्यमालेत आणि जवळच्या तारकीय अतिपरिचित क्षेत्राकडे प्रवास करण्यासाठी डिझाइन केलेले प्रोब, त्यांना मूलभूत आव्हानाचा सामना करावा लागतो की त्यांनी दशकांऐवजी शतकानुशतके मोजल्या गेलेल्या टाइमस्केल्ससाठी कार्य केले पाहिजे. त्या संपूर्ण कालमर्यादेत उपयुक्त पॉवर आउटपुट राखणारी आण्विक बॅटरी अशा मोहिमांवरील केंद्रीय अभियांत्रिकी मर्यादांपैकी एक दूर करते. प्रोब त्याची उपकरणे चालू ठेवू शकतो, डेटा पृथ्वीवर परत पाठवत राहू शकतो आणि जोपर्यंत त्याचा वीज पुरवठा टिकतो तोपर्यंत त्याचे यांत्रिकी शाबूत राहते तोपर्यंत वैज्ञानिक व्यासपीठ म्हणून कार्यरत राहू शकते.

यूरेनस आणि नेपच्यून या बर्फाच्या महाकाय ग्रहांसह, 1986 आणि 1989 मध्ये व्हॉयेजर 2 या एकाच स्पेसक्राफ्टने भेट दिलेल्या ग्रहांसह बाह्य सौर मंडळाच्या ग्रहांचा शोध, पॉवर सिस्टमचा फायदा होईल जे पॉवर कमी न होता अनेक दशके परिभ्रमण मोहिमेमध्ये टिकून राहू शकतात. या दूरच्या ग्रहांवरील प्रस्तावित मोहिमांना वर्षानुवर्षे पारगमन कालावधीचा सामना करावा लागतो आणि त्यानंतर सतत परिभ्रमण ऑपरेशन्सची आवश्यकता असते जी सध्याच्या प्लुटोनियम-238 प्रणालींना संपूर्ण मिशनच्या आयुष्यभर राखण्यासाठी संघर्ष करावा लागेल.

जिथे तंत्रज्ञान उभे आहे

Americium-241 सध्या चाचणी आणि विकासाच्या टप्प्यात आहे. प्लुटोनियम-238 हे कोणत्याही कार्यरत अंतराळ यानामध्ये बदललेले नाही आणि कोणत्याही मोहिमेला ते वापरण्यासाठी औपचारिक मान्यता दिलेली नाही. NASA, युनिव्हर्सिटी ऑफ लीसेस्टर आणि राष्ट्रीय प्रयोगशाळा यांच्यातील सहकार्य समस्थानिकाच्या व्यावहारिक कार्यक्षमतेची वैशिष्ट्ये, अंतराळ यान उर्जा प्रणालींमध्ये एकत्रित करण्याच्या अभियांत्रिकी आव्हाने आणि मोठ्या प्रमाणावर सामग्रीचे उत्पादन आणि हाताळणी संबंधी पुरवठा साखळी विचारांचे मूल्यांकन करत आहे.

पुरवठ्याच्या दृष्टीकोनातून americium-241 चा एक व्यावहारिक फायदा असा आहे की तो प्लुटोनियम-241 च्या क्षय उत्पादनाच्या रूपात उद्भवतो, याचा अर्थ खर्च केलेल्या अणुइंधनाच्या पुनर्प्रक्रियामधून ते काढले जाऊ शकते. हे त्याला प्लुटोनियम-२३८ पेक्षा वेगळे पुरवठा साखळी प्रोफाइल देते, ज्यासाठी आण्विक अणुभट्ट्यांमध्ये समर्पित उत्पादन आवश्यक आहे आणि ऐतिहासिकदृष्ट्या मर्यादित प्रमाणात उत्पादन केले गेले आहे ज्यामुळे NASA एकाच वेळी किती खोल अंतराळ मोहिमा करू शकते हे मर्यादित केले आहे.

चाचणी कार्यक्रमाचे प्रारंभिक परिणाम आशादायक म्हणून वर्णन केले आहेत. प्रयोगशाळेच्या आश्वासक परिणामांपासून ऑपरेशनल स्पेसक्राफ्ट हार्डवेअरपर्यंतच्या मार्गामध्ये अनेक वर्षांचा अभियांत्रिकी विकास, सुरक्षा पात्रता आणि मिशन एकत्रीकरण कार्य समाविष्ट आहे. परंतु अति-दीर्घ-कालावधीच्या मोहिमांसाठी americium-241 आकर्षक बनविणारे भौतिक गुणधर्म वास्तविक, मोजण्यायोग्य आहेत आणि पुढील विकासाच्या अधीन नाहीत. समस्थानिकेचे ४३३ वर्षांचे अर्धे आयुष्य हे अणुभौतिकशास्त्राचा निश्चित गुणधर्म आहे. अभियांत्रिकी आव्हान एक अशी प्रणाली तयार करणे आहे जी एक शतक किंवा त्याहून अधिक काळ अंतराळ यानावर विश्वास ठेवण्याइतपत विश्वासार्हपणे वापर करू शकते.

1977 मध्ये लाँच केलेले व्हॉयेजर प्रोब अजूनही 2026 मध्ये पृथ्वीशी बोलत आहेत. americium-241 पॉवर सिस्टमसह, खोल अंतराळ संशोधकांची पुढची पिढी 2426 मध्ये पृथ्वी कशीही दिसते त्याशी अजूनही बोलू शकते.

हा लेख NASA आणि युनिव्हर्सिटी ऑफ लीसेस्टर सहयोगी संशोधनामध्ये वर्णन केल्यानुसार americium-241 रेडिओआयसोटोप पॉवर सिस्टमवरील सार्वजनिकपणे उपलब्ध संशोधन माहितीवर आधारित आहे. तंत्रज्ञान विकास आणि चाचणी टप्प्यात आहे आणि ऑपरेशनल स्पेसक्राफ्टमध्ये तैनात केले गेले नाही. हा लेख केवळ माहितीच्या उद्देशाने आहे.