Le missioni spaziali dipendono da sistemi energetici che possono funzionare lontano dalla luce solare e senza manutenzione. I pannelli solari faticano nello spazio profondo, dove la luce si indebolisce con la distanza. Questa limitazione ha spinto per decenni le agenzie a fare affidamento su fonti energetiche basate sul nucleare. Questi sistemi, noti come sistemi di energia a radioisotopi, hanno supportato silenziosamente missioni che operano in tutto il Sistema Solare.Veicoli spaziali come Voyager 1 e il rover Perseverance continuano a funzionare utilizzando questa tecnologia. Il concetto non è nuovo, ma gli sviluppi riguardanti isotopi alternativi stanno attirando rinnovata attenzione. Il lavoro condotto dalla NASA in collaborazione con l’Università di Leicester suggerisce un cambiamento nella durata delle missioni future. Una batteria nucleare che potrebbe durare secoli non è più solo teorica.
Batterie nucleari spaziali al plutonio-238: combustibile primario utilizzato nelle batterie nucleari spaziali
Per decenni, il plutonio-238 è stato il combustibile principale utilizzato nelle batterie nucleari spaziali. Come riportato, ha un’emivita di circa 88 anni, il che significa che la sua produzione di energia diminuisce lentamente nel tempo. Le missioni gestite dall’Oak Ridge Nationwide Laboratory e dall’Idaho Nationwide Laboratory hanno fatto affidamento su questo isotopo per la produzione e la fornitura. Rimane la spina dorsale degli attuali sistemi energetici dello spazio profondo.Veicoli spaziali come il rover Curiosity continuano a funzionare utilizzando sistemi basati sul plutonio. Il costante decadimento dell’isotopo fornisce calore sufficiente per sostenere strumenti, sistemi di comunicazione ed elettronica di bordo per lunghi periodi.La produzione è ripresa dopo un periodo di produzione limitata, supportata da sforzi coordinati tra i laboratori nazionali. La fornitura rimane gestita con attenzione a causa della complessità della movimentazione e della produzione del materiale.
Americio-241 e la sua emivita prolungata
L’attenzione si sta ora spostando verso l’americio-241 come possibile alternativa. Il suo tempo di dimezzamento è di circa 433 anni, che è significativamente più lungo del plutonio-238. Questa proprietà significa che l’isotopo conserva l’energia utilizzabile per un periodo molto più lungo. Non produce necessariamente più potenza in un dato momento, ma decade a un ritmo più lento.La ricerca che coinvolge il Los Alamos Nationwide Laboratory è focalizzata sul miglioramento dei metodi di produzione e sulla valutazione della sicurezza e delle prestazioni. Gli studi in fase iniziale suggeriscono che potrebbe essere adatto per missioni di lunga durata in cui è richiesta una disponibilità di energia estesa. Secondo i rapporti della NASA, l’Americio-241 è ancora in fase di check. Non ha sostituito il plutonio nei veicoli spaziali operativi. Il processo di valutazione embrace la stabilità del materiale, l’efficienza della produzione di calore e l’affidabilità a lungo termine in condizioni di spazio.
Come le batterie nucleari generano energia
I sistemi di alimentazione a radioisotopi, comunemente chiamati RPS, sfruttano la naturale degradazione dei radioisotopi. Quando il radioisotopo si degrada, viene prodotto calore. Questo calore viene quindi sfruttato per produrre elettricità attraverso mezzi specializzati. Questo processo è continuo, nel senso che non viene effettuata alcuna ricarica, né dipende dal sole. Può funzionare al buio, al freddo o in condizioni estreme.All’interno del sistema di alimentazione del radioisotopo, il radioisotopo si trova allo stato ceramico solido. Ciò riduce al minimo i pericoli mantenendo stabile il radioisotopo. Il calore prodotto viene poi trasferito advert un convertitore, che poi lo utilizza per produrre elettricità. L’elettricità prodotta è costante, non pulsante. Si tratta di fonti di energia piccole, affidabili e di lunga durata, più adatte per missioni in cui l’affidabilità è fondamentale piuttosto che la quantità di energia prodotta.
Convertitori Stirling a pistone libero nelle batterie nucleari spaziali
Il calore prodotto dal decadimento radioattivo deve essere convertito in energia elettrica utile. La conversione viene eseguita utilizzando convertitori Stirling a pistone libero. I convertitori Stirling a pistone libero hanno parti mobili che galleggiano nel sistema. Le parti mobili sono guidate dalle differenze di temperatura e il movimento viene convertito in elettricità. Il sistema è progettato per avere una minore usura e i componenti galleggiano nel sistema, rendendolo adatto all’uso a lungo termine in microgravità.I convertitori Stirling a pistone libero sono stati testati e i risultati mostrano che il sistema può funzionare per lunghi periodi senza manutenzione. Secondo i rapporti, il sistema può funzionare ininterrottamente per oltre un decennio.
