Hidas palaminen tuottaa virtaa Nasan luotaimiin

Tulevaisuuden avaruuslennot edellyttävät uusia energiajärjestelmiä, jotka toimivat ilman auringonvaloa. Siksi Nasa aikoo kehittää uudentyyppisen pariston, joka tuottaa aluksille sähköä hitaalla ja hallitulla palamisella.

Tulevaisuuden avaruuslennot edellyttävät uusia energiajärjestelmiä, jotka toimivat ilman auringonvaloa. Siksi Nasa aikoo kehittää uudentyyppisen pariston, joka tuottaa aluksille sähköä hitaalla ja hallitulla palamisella.

Shutterstock

Aurinkokennot, akut ja ydinparistot ovat pitkään olleet avaruusalusten kaikkien toimintojen energianlähteenä. Mittauslaitteet, kamerat ja navigointijärjestelmät tarvitsevat lämpöä ja sähköä toimiakseen avaruudessa. Samat vaatimukset on mönkijöillä, jotka tutkivat planeetan pintaa. Tutkimusmatkat vaikeapääsyisimpiin paikkoihin edellyttävät kuitenkin uusia, erityisen energiatiheitä ja kestäviä energianlähteitä, jotka ovat nyt herättäneet Nasan kiinnostuksen.

Yhdysvaltojen avaruusjärjestö aikoo kehittää eräänlaisen hitaasti palavan pariston, joka voi tuottaa virtaa tulevaisuuden avaruusalusten tietokoneisiin ja mittauslaitteisiin. Niitä käytetään Aurinkokunnan vaativimmilla tutkimuslennoilla planeettojen varjopuolella tai muilla alueilla, minne Auringon säteet eivät yllä.

Siksi Nasa on vuonna 2020 myöntänyt energianlähteen kehittämiseksi rahoitusta kahdelle tutkijajoukolle, joista toinen on Keski-Floridan ja toinen Texasin yliopistosta. Suurin haaste tutkijoille on pariston saaminen palamaan hallitusti niin, että se voi tuottaa virtaa vakaasti pitkillä lennoilla.

Liian heikkoja akkuja

Akut ja aurinkopaneelit ovat Nasassa tuttua ja testattua tekniikkaa. Esimerkiksi jo käytöstä poistuneiden Mars-mönkijöiden Spiritin ja Opportunityn moottorit, tietokoneet ja sähköjärjestelmät toimivat aurinkopaneelien voimalla ja yöllä varavirtalähteenä olivat akut.

Tutkijat ovat uhranneet paljon aikaa testatakseen materiaalien paksuutta ja sitä, toimiiko pyrolysoituvana aineena parhaiten magnesium, pii vai jokin muu aine. Kuvassa avatun tiilen sisällä näkyy hehkulanka, joka hehkuu lämpöä samoin kuin leivänpaahtimen sisällä.

© University of Central Florida

Menetelmässä ilmeni kuitenkin häiriöitä, kun Marsin suurien myrskyjen pöly laskeutui aurinkopaneeleille ja esti Auringon säteiden pääsyn niille. Lisäksi joillakin Nasan tulevilla lennoilla esimerkiksi jääkuihin, kuten Jupiterin Europaan tai Saturnuksen Enceladukseen, etäisyys Aurinkoon on niin suuri, että aurinkopaneeleista on vaikeaa saada tarpeeksi virtaa.

Nasan ongelma on se, että parhaidenkin yleiseen litiumioniteknologiaan perustuvien akkujen energiatiheys on korkeintaan noin 400 wattituntia akkukiloa kohti. Energiatiheys ilmaisee, miten paljon energiaa akussa on kiloa kohti, ja suuri energiatiheys takaa pitkän toimintamatkan. Nasa tarvitsee akkuja, joiden energiatiheys on vähintään 600 Wh/kg, paitsi jääkuihin lähetettäviin luotaimiin myös esimerkiksi miehitettyihin kuulentoihin, missä vakaa lämmön ja virran lähde on välttämätön myös yöaikaan.

Tutkijoiden arvion mukaan energianlähteillä, jotka perustuvat Floridan ja Texasin tutkijaryhmien kehittämien materiaalien kaltaisiin pyrolysoituviin aineisiin, voidaan saavuttaa viisi kertaa niin suuri energiatiheys kuin litiumioniakuilla.

Kilpailijana ovat kuitenkin ydinparistot, joiden energiatiheys voi olla moninkertainen litiumioniakkuihin verrattuna. Ydinparisto ei ole paristo perinteisessä mielessä, vaan se on RTG:n eli lämpösähköisen radioisotooppigeneraattorin yleiskielinen nimitys. Esimerkiksi Saturnusta tutkineessa Cassini-luotaimessa oli kolme RTG:tä. Kukin RTG sisälsi kimpaleen plutonium-238:aa, joka radioaktiivisessa hajoamisessa säteilee lämpöä. Lämpö muuntuu sähköksi lämpösähköisessä elementissä, jonka päissä vallitsee eri lämpötila. Se taas luo jännitteen.

Useistakin syistä Nasa haluaa kuitenkin ratkaista energiansaannin toisin. Vaikka RTG-generaattoreita voidaan käyttää avaruuslennoilla lämpö- ja virtalähteenä, niiden valmistaminen on kallista ja ne voivat aiheuttaa vaaraa työntekijöille, joiden tehtävänä on asentaa ne alukseen. Lisäksi plutoniumin määrä Maassa on rajallinen. Nasa haluaa sitä paitsi varata plutoniumparistot todella pitkiin miehittämättömiin lentoihin, sillä paristot ovat hyvin pitkäkestoisia ja siksi ne on vaikea saada kulutettua loppuun lyhyillä matkoilla.

Sähköä 20 vuorokaudeksi

Pyrolysoituvia aineita käytetään jo sytytysmateriaalina esimerkiksi käsisoihduissa, ja niistä voi tulla ydinparistoja halvempi ja turvallisempi lämpö- ja virtalähde. Samalla ne tuottavat enemmän energiaa kuin litiumioniakut.

Pyrolysoituvat aineet palavat hitaasti, toisin kuin runsasenergiaiset poltto- ja räjähdysaineet. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää hyödyksi luotaessa energianlähdettä, joka tuottaa avaruusalukselle lämpöä ja sähköä vakaasti ja pitkän aikaa.

© Shutterstock

Räjähdysaineet palavat nopeasti

Räjähdys on palamistapa, jossa aine räjähtäessään laajenee salamannopeasti 2 400–6 000 metrin sekuntivauhtia. Niin sanotut eksotermiset kemialliset reaktiot, joissa vapautuu voimakasta lämpöä, luovat paineaallon.

© Shutterstock

Polttoaineet muodostavat kaasuja

Esimerkiksi avaruusrakettien polttoaineet palavat hitaammin kuin räjähdysaineet mutta nopeammin kuin pyrolysoituvat aineet. Rakettipolttoaineen palaessa tapahtuu räjähdyksiä, joissa kaasut Nasan mukaan sinkoutuvat raketin suuttimista 2 000–4 500 metrin sekuntivauhtia.

© Schuyler S.

Pyrolysoituva palaa hitaasti

Pyrolysoituvia aineita käytetään mm. armeijan käsisoihduissa. Palaminen perustuu hitaisiin metallien ja hapen kemiallisiin reaktioihin. Toisin kuin poltto- ja räjähdysaineet pyrolysoituvat aineet palavat tasaisella lämmöllä alle metrin sekuntivauhdilla.

Pyrolysoituvat aineet koostuvat yleensä metallijauheesta, joka voi sisältää esimerkiksi magnesiumin (tai piin) ja boorin kemiallisia yhdisteitä. Kun seokseen lisätään happea, joka metallien tavoin on kiinteässä muodossa, tapahtuu hapettuminen, joka saa materiaalin palamaan. Toisin kuin esimerkiksi rakettipolttoaine tai räjähdysaine pyrolysoituva aine palaa hyvin hitaasti vapauttamatta kaasuja. Tätä tutkijat voivat hyödyntää luodessaan vakaata energianlähdettä, joka Nasan mukaan voi tuottaa lämpöä ja sähköä avaruusalukseen jopa 20 vuorokauden ajan.

Lämpöä muodostuu pyrolysoituvan aineen reaktiorintamassa, joka tuttujen hyttysspiraalien tavoin siirtyy hitaasti ympyränmuotoista kehää pitkin sitä mukaa kuin pyrolysoituva aine palaa. Reaktiorintamassa tapahtuu kemiallinen reaktio, jossa syntyy lämpöä, kun metalliseos, joka toimii itse polttoaineena, ja hapetin reagoivat keskenään palamisreaktiossa. Lämpö tuottaa vapaita happimolekyylejä, jotka jälleen hapettavat metallimateriaalia ja saavat prosessin näin jatkumaan spiraalia pitkin.

Materiaalin pitää kestää ääriolot

Yksi paikoista, missä Nasa suunnittelee käyttävänsä uutta menetelmää, on Jupiterin Europa-kuu. Vaikka Europan pinta koostuu kilometrien paksuisesta jääkerroksesta, se on kärkisijoilla niiden taivaankappaleiden luettelossa, joita Nasa pitää mahdollisina Maan ulkopuolisen biologisen elämän esiintymispaikkoina.

Vuonna 2019 Nasa pystyi vahvistamaan, että Europan jääkerroksen railoista suihkuaa satojen kilometrien korkuisia suolavesigeysirejä. Kaikkissa paikoissa Maassa, missä on vettä, esiintyy myös biologista elämää, ja löytö innostaa tähtitieteilijöitä tutkimaan Europaa tulevaisuudessa entistäkin tarkemmin.

Ehkäpä jään alle kätkeytyy pieneliöitä tai jopa kaloja ja muita merieläimiä. Mahdolliset tutkimusmatkat pimeään syvyyteen vaativat erityisen kestäviä energianlähteitä, jotka eivät ole riippuvaisia auringonvalosta. Esimerkiksi tässä hankkeessa Nasa aikoo käyttää pyrolysoituviin aineisiin perustuvia paristoja.

Nasalle on uudesta menetelmästä hyötyä muuallakin kuin Europan kaltaisissa kylmissä jäämaailmoissa. Maan pahan kaksosen, tulikuuman naapuriplaneettamme Venuksen, pintalämpötila on noin 465 astetta ja pinnan paine vastaa painetta noin 900 metrin syyvydessä Maan valtamerissä.

Venus on siis hyvin vaikeasti lähestyttävä naapuri. Nykyiset ydinparistot eivät toimi sen vihamielisessä ympäristössä, mutta pyrolysoituviin aineisiin perustuvien paristojen odotetaan voivan uhmata olosuhteita ja tuottaa virtaa esimerkiksi aluksen mittauslaitteille ja jäähdytysjärjestelmille.

Tankkausta planeetoilla

Nasan ei tarvitse välttämättä viedä kaikkea uusien paristojen raaka-ainetta Maasta, sillä täydennystä on luvassa joillakin Aurinkokunnan planeetoilla. Nasa ja tutkijat arvelevat, että esimerkiksi litiumista koostuva pyrolysoituva aine voi saada hapettimensa kahdelta taholta – joko Venuksen ja Marsin kaasukehässä ja sisuksissa luonnostaan esiintyvästä hiilidioksidista tai Jupiterin Europa-kuun vedestä. Siten polttopariston käyttöikää voidaan periaatteessa pidentää lähettämällä sen mukana enemmän polttoainetta Maasta ja täydentämällä sitä hapettimella, kun alus on laskeutunut päämääräänsä.

Paristo sijoitetaan lämpökilpeen nähden vastakkaiselle puolelle, jotta kuumuus ei tuhoa komponentteja. Samoin se sijoitetaan eri puolelle kuin tutkimuslaitteet, jotta se voi toimia rauhassa vaikuttamatta aluksen tekniikkaan.

© Claus Lunau

Yliopistojen tutkijaryhmät toivovat voivansa esitellä “pöytämallin” uudenlaisesta paristosta Nasalle, kun kolmen vuoden tutkimushanke on saatu päätökseen. Prototyypin on määrä osoittaa, että periaate toimii käytännössä ja että menetelmä tuottaa jatkuvasti yli 700 asteen lämpöä, joka voidaan muuntaa huoneenlämmöksi lämmönvaihtimilla ja sähkövirraksi lämpösähköisillä elementeillä.

Tutkijoilla on myös visioita siitä, miten avaruusaluksiin suunniteltua paristoa voidaan käyttää hyväksi Maassa. Jos luonnonkatastrofit, kuten hirmumyrskyt tai maanjäristykset, tuhoavat osia sähköverkosta, pyrolysoituviin aineisiin perustuvilla paristoilla voidaan turvata sähkönsaanti katastrofialueiden asukkaille. Siten teknologia, jota nyt kehitetään ihmisen viemiseksi Aurinkokunnan etäisimpiin kolkkiin, voi auttaa myös hätään joutuneita ihmisiä kotiplaneetallamme.