Skąd łazik Perseverance czerpie energię na Marsie? NASA wyposażyła go w "jądrowy zasilacz"

Bartłomiej Pawlak
Łazik Perseverance wymaga do działania sporej ilości energii elektrycznej, o którą na Marsie dość trudno. NASA poradziła sobie jednak z problemem instalując na pokładzie łazika radioizotopowy generator termoelektryczny, który potocznie możemy nazwać "jądrowym zasilaczem" pojazdu. Co to jest i jak działa MMRTG?
Zobacz wideo Łazik NASA wylądował na Marsie i przesłał pierwsze zdjęcia z jego powierzchni

19 kamer, 7 instrumentów naukowych, w tym przyrząd do zbierania próbek skał i marsjańskiego regolitu. Do tego silniki elektryczne, które pozwalają przemieścić masę porównywalną z masą samochodu po bardzo wyboistej powierzchni Czerwonej Planety. To tylko kilka najważniejszych elementów łazika Perseverance, które trzeba jakoś zasilić.

No właśnie. W jaki sposób wysłany przez NASA łazik czerpie energię elektryczną do działania? I w jaki sposób ogrzewa elektronikę, która w trudnych, marsjańskich warunkach szybko by zamarzła (nocami temperatura spada tam do -90 stopni Celsjusza)? Okazuje się, że NASA wyposażyła pojazd w niezwykle ciekawy "jądrowy zasilacz".

MMRTG, czyli "jądrowy zasilacz" łazika Perseverance

Za wytworzenie energii cieplnej i elektrycznej potrzebnej łazikowi odpowiadają nie panele fotowoltaiczne (często wykorzystywane np. w przypadku niektórych sond kosmicznych), a radioizotopowy generator termoelektryczny (w skrócie RTG lub inaczej radioizotopowa bateria termoelektryczna). To konstrukcja, która generuje energię cieplną korzystając z naturalnego rozpadu izotopów promieniotwórczych, czyli niestabilnych pierwiastków, np. plutonu, których jądra ulegają przemianie promieniotwórczej. 

Takie generatory to świetne rozwiązanie, gdy trzeba dostarczyć stosunkowo niedużą moc przez długi czas. Co więcej, konstrukcja jest dość kompaktowa i bez problemu może być wykorzystywana na pokładach m.in. łazików lub sond kosmicznych.

Generator stosowany m.in. w łaziku Perseverance nazywa się Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) i został stworzony i dostarczony NASA przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Konstrukcja ma 64 centymetry średnicy, 66 centymetrów długości i na Ziemi waży 45 kilogramów.

Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, czyli 'zasilacz' łazika PerseveranceMulti-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, czyli 'zasilacz' łazika Perseverance fot. NASA

MMRTG umieszczony jest w tylnej części łazika Perseverance, a jako swoje "paliwo" wykorzystuje 4,8 kilograma radioaktywnego plutonu-238. Oczywiście jest on odpowiednio odseparowany od otoczenia przez kilka warstw materiałów ochronnych.

Jak działa MMRTG?

Choć może brzmieć to nieco skomplikowanie, zasada działania MMRTG jest stosunkowo prosta. Generator wytwarza ciepło, które kierowane jest do różnych elementów łazika. To pozwala w dość efektywny sposób ogrzać m.in. elektronikę znajdującą się w jego wnętrzu, co na Marsie jest kluczowe.

Pozostała część energii cieplnej jest z kolei zamieniana na elektryczną przy wykorzystaniu zjawiska Seebecka. Ciepło generowane przez baterię ogrzewa jeden z końców termopary, a różnica temperatur pomiędzy nimi powoduje powstanie siły elektromotorycznej i przepływ prądu.

Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, czyli 'zasilacz' łazika PerseveranceMulti-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, czyli 'zasilacz' łazika Perseverance fot. NASA

Taka metoda pozwala na wygenerowanie energii elektrycznej o stosunkowo niewielkiej mocy ok. 110 W, gdy MMRTG jest nowy. Z biegiem czasu moc stopniowo spada w tempie kilku procent rocznie. Co jednak kluczowe dla misji, generator stanowi stałe źródło zasilania, a spadek wydajności jest bardzo przewidywalny. Co więcej, generator jest (w przeciwieństwie do zasilania solarnego) niezależny od czynników zewnętrznych (np. burz piaskowych), a więc dostarcza energię przez cały czas, również nocą.

Nie zabrakło akumulatorów

Oczywiście od czasu do czasu łazik Perseverance wymaga znacznie większej mocy dochodzącej do nawet 900 W (np. podczas prowadzenia badań lub poruszania się), dlatego na jego pokładzie zainstalowano dwa akumulatory litowo-jonowe (to popularny typ ogniw stosowany m.in. w smartfonach czy samochodach elektrycznych).

Każdy z akumulatorów ma pojemność ok. 43 Ah, a razem ważą one 26,5 kilograma (na Ziemi). Charakterystyka pracy łazika musi więc uwzględniać przerwy na naładowanie ogniw. W praktyce będzie on przez większość czasu stał w miejscu i wykonywał mniej energochłonne zadania, a co jakiś czas wykorzysta energię zgromadzoną w akumulatorach do wykonania bardziej prądożernych operacji.

Łazik PerseveranceŁazik Perseverance fot. NASA/JPL-Caltech via AP

NASA szacuje żywotność generatora MMRTG na przynajmniej 14 lat. To zdecydowanie więcej niż trzy lata (ziemskie), bo tyle ma potrwać misja Mars 2020 (przynajmniej planowo, bo zazwyczaj misje są przedłużane). Perseverance będzie miał zatem zapas mocy jeszcze przez długi czas i zapewne będzie dostarczać naukowcom ważnych danych na temat Marsa znacznie dłużej niż zakładają obecne plany NASA.

Zresztą nie jest to wróżenie z fusów, bo taki sam MMRTG zasila również m.in. poprzedni łazik Curiosity. Na Marsie wylądował on w sierpniu 2012 roku i pomimo dość leciwego wieku, wciąż eksploruje powierzchnię Czerwonej Planety. Podobne radioizotopowe generatory termoelektryczne były w przeszłości montowane m.in. na pokładach sond Pioneer, Voyager, Ulysses, Galileo, Cassini czy New Horizons. Część z nich z powodzeniem działa do dziś.