ژنراتورهای هسته ای مینیاتوری

بیشتر ماهواره‌های مشغول به کار در حال حاضر برق مورد نیاز خود را از طریق پنل ها یا صفحات خورشیدی تامین می‌کنند که نور خورشید را به برق تبدیل می‌کنند. این صفحات ها کار خود را بخوبی انجام می‌دهند، اما در اعماق فضا فراتر از مدار مریخ یا در شرایط سخت مانند شرایط توفان‌های گرد و غبار مریخ یا در شب‌های طولانی ماه، نور خورشید نمی‌تواند انرژی مورد نیاز را تولید کند.

به عنوان یک راهکار جایگزین، بسیاری از فضاپیماها در اعماق فضا ژنراتورهای گرمایی رادیوایزوتوپی چند کاره (MMRTGs) با خود حمل می کنند که از یک شیب دمایی (temperature gradient) برای تولید برق استفاده می کنند. به بیان دیگر، رادیوایزوتوپ گرما تولید می‌کند و ترموکوپل‌ها نیز این گرما را بطور مستقیم به برق تبدیل می‌کنند. این اصلی است که برای مهندسان آشنا است و در زمین بطور گسترده ای استفاده می شود.

مشکل این ژنراتورهای رادیوایزوتوپی این است که نستبا بزرگ و حجیم است. مثلا نمونه‌ای که روی مریخ‌نورد «استقامت» سازمان ناسا استفاده شده است ۶۴ سانتی‌متر قطر و ۶۶ سانتیمتر طول دارد و وزن آن حدود ۴۵ کیلوگرم است. در نتیجه این ژنراتورها برای فضاپیماهای بسیار بزرگ در نظر گرفته و استفاده می‌شوند و مثلا اندازه مریخ نورد «استقامت» در حد یک خودروی SUV است.

در این حال پروژه جدید سازمان ناسا با در نظر گرفتن ترمودینامیک اندازه، وزن و نیروی یک ژنراتور گرمایی رادیوایزوتوپ (RTG) ، امیدوار است که بتواند نسبت وزن به توان (تولید برق) این ژنراتورها را تا حد ۳ وات به کیلوگرم (W/kg) کاهش دهد که با این کار حجم ژنراتور نیز تا حد زیادی کمتر خواهد شد.

ناسا این کار را بر اساس طرحی انجام می دهد که در واقع یک صفحه خورشیدی به صورت معکوس کار می کند. وقتی که صفحه خورشیدی نور را جذب می کند بخشی از آن به برق و بخش زیادی از آن به گرما تبدیل می شود. این منبع جدید رادیوایزوتوپی برق بر اساس ایده یک «سلول رادیوگرمایی» (thermoradiative cell) کار می کند که گرما به شکل نور مادون قرمز به یک صفحه با عناصری ساخته شده از ایندیوم، آرسنیک و فسفر در ترکیبات مختلف برخورد می‌کند. این یک اختلاف پتانسیل با قطبیت معکوس نسبت به آنچه در سلول های خورشیدی یافت می شود، ایجاد می کند.

بطور خلاصه،‌ این سلول رادیوگرمایی برق را از گرما تولید می کند و انرژی تلف شده را به شکل فوتون‌های مادون قرمز خارج می سازد. کارایی این فرایند نیز نسبت به سلول خورشیدی بیشتر است و نتیجه آن یک «ژنراتور رادیوگرمایی» (TRG) است. اگر این فناوری جدید عملی شود به این معنی است که ماموریت‌های فضایی آینده به «مشتری» و فراتر از آن می‌توانند از از فضاپیماهایی به اندازه «تاسواره‌ها» (CubeSats ) استفاده کنند و ژنراتورهای کوچک تمام انرژی مورد نیاز آنها را تامین خواهند کرد.