Elképesztő messzeségekbe vihet a napenergia

Napelemek. A Juno amerikai űrszonda, a New Frontiers program második küldetése, melyet 2011-ben indítottak a Jupiter felé

A Jupiterhez megérkező Juno történelmet írt, hiszen ez az első olyan űrszonda, amelynek a külső Naprendszerben napelemekkel biztosítják az energiaellátását. Korábban ezt a feladatot az űr távoli régióiba küldött eszközöknél radioizotópos generátorok látták el, az űrkutatást azonban plutónium hiány fenyegeti, ami másfajta utakra tereli az űreszközöket tervező mérnököket.

Bár az első napelemeket 1880-ban fejlesztették ki, legkorábbi jelentős felhasználásuk az űrkorszak hajnalához köthető.

A Vanguard 1 műholdat 1958-ban negyedikként küldték fel a világűrbe és egyik tudományos célja az volt, hogy tesztelje az akkoriban rendelkezésre álló napelemek élettartamát. Összesen hat napelem kapott helyet az űreszközön, amelyek biztonsági áramforrásként funkcionáltak, és egészen 1964-ig működőképesek is maradtak.

A Vanguard 1 volt az első napelemeket használó űreszköz Forrás: Wikimedia Commons

A következő évtizedekben a napelemeket folyamatosan fejlesztették, ám a szakemberek sokáig elsősorban az űriparra koncentráltak, az elérhető legnagyobb hatásfokú megoldás után kutatva. A napenergiát hasznosító űreszközök ma már elterjedtnek számítanak, de érthető módon sokáig ezeket nem lehetett a világűr távoli régióiba küldeni. Vegyük például a Jupitert, ahol a napsugárzás 25-ször gyengébb, mint a Földnél. Ez normális esetben nem tudna megfelelő mennyiségű fényenergiával ellátni egy nagyobb űrszondát, ám amint azt a gázóriáshoz július 4-én megérkezett Juno esetében tapasztalhattuk, az előrelátó tervezés miatt ez mégiscsak lehetséges.

A Juno közeledik a Jupiterhez Forrás: NASA

Nagy ugrás a napelemek fejlődésében

A Juno megérkezéséig a Galileo űrszonda volt a legelső olyan űreszköz, amely a Naprendszer legnagyobb bolygója körül keringett. Amikor 1989-ben útnak indították, a napelemek hatásfoka még rendkívül alacsonynak számított, a fényenergiának csupán 12 százalékát lehetett elektromos energiává alakítani.

A Lockheed Martin vállalat 2003-ban kezdett neki a Juno űrszonda fejlesztésének, ekkor a napelemek hatásfoka a korábbiakhoz képest megsokszorozódott, a fényenergiának már több mint 28 százalékát is képesek lettek hasznosítani. Többek között ennek is köszönhető, hogy sikerült eljutni a Naptól több mint 740 millió kilométerre keringő Jupiterhez.

A Galileo űrszonda, az Ió és a Jupiter Forrás: NASA

Kiapadóban a plutónium

Sok kutatóeszköz (Curiosity, Cassini, New Horizons, Galileo) energiaellátását nem napelemek, hanem úgynevezett radioizotópos termoelektromos generátorok (angol rövidítéssel RTG-k) biztosítják. A radioaktív izotópok természetes bomlásából hő származik, az előbb említett berendezések pedig ezt alakítják elektromos árammá. A radioaktív anyag szerepét a plutónium (egészen pontosan a plutónium-238 izotóp) tölti be.

Habár az RTG-k remekül biztosítják az eszközök energiaellátását a világűr távoli régióiban, alkalmazásuknak van néhány hátrányos oldala is. A radioizotópok drágák és nehezen hozzáférhetők, emellett a környezetbe jutva veszélyesek is, ha a szondák a felküldésük során esetleg megsemmisülnek. Ráadásképp a NASA plutónium készletei lassan kiapadnak, habár 2015 végén arról érkeztek hírek, hogy közel 30 év után sikerült 50 grammnyi plutónium-238-at előállítani.

A New Horizons-t radioizotópos termoelektromos generátor üzemelteti Forrás: NASA

Az eredmény ugyan biztató az űrkutatás szempontjából, de ez egyelőre nem számít jelentős mennyiségnek.

A 2020-ra tervezett marsjárónak például 4 kilogrammnyi plutóniumra van szüksége a zavartalan működéshez.

Fel sem merült a plutónium a Juno tervezésekor

A Juno megépítésekor még elegendő mennyiségű plutónium állt rendelkezésre ahhoz, hogy a szondát is RTG működtesse, a fejlesztők azonban nem ebbe az irányba szerettek volna menni. Kevin Rudolph, a Lockheed Martin mérnöke szerint már a kezdetektől a napenergiával hajtott űreszköz képe lebegett a szemük előtt, főként amiatt, mert a Juno egyike volt a New Frontiers program alacsony költségvetésű űrszondáinak.

Rudolph elmondta, hogy még elegendő mennyiségű plutónium mellett sem olcsó mulatság az RTG-k megépítése, így a megvágott pénzforrások miatt a Juno esetében nem számolhattak ezzel az opcióval.

Napelemek. A Juno amerikai űrszonda, a New Frontiers program második küldetése, melyet 2011-ben indítottak a Jupiter felé Forrás: NASA

A tesztek alapján hosszútávon is bírni fogja a mostoha viszonyokat

A Juno szonda három, egyenként kilenc méteres napelemtáblával rendelkezik, ezeken összesen 18698 napelem kapott helyet, amik a Földön 12-14 kilowatt teljesítményt adnának le.

A Jupiter környékén a kinyerhető elektromos teljesítmény viszont mindössze 500 watt körül van.

Ez első látásra nem tűnik soknak, de elég ahhoz, hogy a szonda tudományos műszerei működőképesek legyenek és az elektronikai berendezések megfelelő hőmérsékleten maradjanak. Rövid szünetek kivételével a napelemek mindig a Nap felé fordulnak.

Persze a napelemek fejlesztése önmagában nem lett volna elegendő a sikerhez, ehhez szükség volt arra is, hogy a műszerek nagy energiahatékonysággal működjenek és az űreszköz pályája olyan legyen, hogy a szonda ne kerüljön a Jupiter takarásába.

A Jupiter Forrás: NASA

A felküldés előtt természetesen a Juno rendszereit alapos tesztelésnek vetették alá. A napelemeket például egyesével próbálták ki egy -179 Celsius-fokra hűtött kamrában, nagyjából ilyen hőmérsékleti viszonyok uralkodnak a Jupiter közelében. A napelemeknek nem csupán az elképesztő hideggel kell dacolnia, hanem a gyenge megvilágítással és a gázóriás térségében uralkodó erős részecskesugárzással is, a kamrában is ezeket szintén szimulálták. A nem megfelelően teljesítő napelemeket végül kirostálták.

A tesztelés eredményei alapján tudták meghatározni, összesen mennyi napelem tudná üzemeltetni az űrszondát. Végül a kutatók arra jutottak, hogy 60 négyzetméternyi felületre van szükség, amit a három különálló szárny tesz ki.

Nem tudni, meddig juthatnánk el vele

A 13 évvel ezelőtti tervezői döntés úgy tűnik bevált, a Juno űrszonda sikeresen eljutott céljához. A tervek szerint 18 hónapig marad majd a bolygó körül, hogy minden eddiginél részletesebben tanulmányozza a Naprendszer legnagyobb planétáját. Egy különleges poláris pályáról menetrendszerűen 5000 kilométeres távolságra közelíti majd meg a Jupiter felhőrétegeit.

Kérdéses, hogy a Junóra szerelt napelemekkel milyen távolságokba lehet eljutni. Michael Piszczor, a NASA Glenn Kutatóintézetének munkatársa szerint

a tesztek azt sugallják, hogy a szonda a mostani technológiával akár már az Uránuszig elrepülhetne pusztán a napelemek által biztosított energiával.

Ez persze csak spekuláció, a fejlesztések azonban nem álltak le. Sőt, az Európai Űrügynökség (ESA) 2022-es felküldésre tervezett következő szondáját, a Jupiter holdjait kutató JUICE-t (angolul JUpiter ICy moons Explorer) a Junóhoz hasonlóan ugyancsak a napenergia fogja meghajtani.

Illusztráció a JUICE szondáról Forrás: ESA

Léteznek elgondolások többrétegű napelemekről is, itt az egyes rétegek a különböző hullámhosszú sugarakat hasznosítanák. Ettől a jövő napelemei még robosztusabb felépítésűekké válnának.