Solceller, batterier og atombatterier har længe været energikilder til alt, hvad der foregår inde i rumfartøjer. Måleinstrumenter, kameraer, navigationssystemer og lignende kræver varme og strøm for at fungere i rummet, og det samme gælder for rovere, der bruges til udforskning af en planets overflade.
Men missioner i de sværest fremkommelige områder kræver nye, særligt energitætte og holdbare energikilder, som NASA nu er begyndt at interessere sig for.
Det amerikanske rumagentur vil udvikle en form for langsomt brændende batteri, der kan levere strøm til computere og måleinstrumenter i fremtidens rumfartøjer. Det skal bruges på de mest krævende missioner i Solsystemet på skyggesider af planeter eller i andre områder, hvor Solens stråler ikke når frem.
Derfor har rumfartsorganisationen i 2020 bevilget penge til to forskerhold – et fra University of Central Florida og et hold fra University of Texas, der skal udvikle energikilden. Det krævende for forskerne er at få det til at brænde kontrolleret for stabilt at levere strøm til de langvarige missioner.
Batterier ikke kraftige nok
Batterier og solcellepaneler er en kendt og efterprøvet teknologi for NASA. Eksempelvis kørte de pensionerede marsrovere Spirit og Opportunitys motorer, computere og elektriske systemer på strøm fra solcellepaneler med backup fra batterier, der kunne tage over om natten.
Glødetråden fungerer ligesom i en brødrister og er isoleret for bedst muligt at holde på den varme, der samtidig helst skal etableres langsomt og kontrolleret. Forskerne har brugt langt tid på at teste materialetykkelser og om magnesium, silicium eller et tredje materiale vil fungere bedst til glødetråden, der gløder af varme på samme måde som i en brødrister.
Men metoden gav problemer, når støvet fra store marsstorme lagde sig på solcellepanelerne og blokerede for Solens stråler. For nogle af NASA’s kommende missioner til fx ismåner som Europa ved Jupiter eller Enceladus ved Saturn er afstanden til Solen desuden så stor, at det bliver sværere at hive nok strøm ud af rumfartøjets solcellepaneler.
NASA’s problem er, at selv de bedste batterier baseret på den udbredte litium-ion-teknologi i dag ikke giver en energitæthed højere end cirka 400 watt-timer pr. kilogram batteri. Energitætheden er et udtryk for, hvor meget energi der er i batteriet pr. kilogram, og høj energitæthed giver lang rækkevidde.
NASA har brug for mindst 600 watt-timer pr. kilogram batteri til missioner til ismånerne, men også til fx bemandede missioner til Månen, hvor der kræves en stabil varme- og strømkilde om natten.
Forskernes estimater viser, at der kan opnås fem gange højere energitæthed med energikilder baseret på pyrolanter som dem, forskerholdene fra Florida og Texas arbejder på at udvikle, end med litium-ion-batterier.
De konkurrerer dog med såkaldte atombatterier, der kan have mange gange højere energitæthed end litium-ion-batterier. Et atombatteri er ikke et batteri i klassisk forstand, men i stedet det populære navn for teknologien RTG, eller termoelektrisk radioisotopgenerator; fx havde Cassinisonden tre RTG’er med ombord på rejsen til Saturn, hvor hver RTG indeholdt en klump plutonium-238, der under radioaktivt henfald udsender varme.
🎬 Se og hør forskerne fortælle om arbejdet med pyrolant-batterier:
Varmen kan bagefter omdannes til strøm med et såkaldt termoelektrisk element, hvor der er temperaturforskel i hver ende af modulet, så der bliver skabt en spændingsforskel.
Alligevel er der flere grunde til, at NASA gerne vil finde en anden løsning. Selvom RTG’er kan bruges som varme- og strømkilder på rummissioner, er de dyre at fremstille og potentielt farlige at håndtere for det mandskab, der skal installere dem ombord på rumfartøjet.
Derudover findes der ikke uanede mængder plutonium på Jorden. NASA vil desuden gerne reservere plutoniumbatterierne til de virkelig lange ubemandede missioner, fordi batterierne er meget holdbare og derfor vil være ærgerlige at fyre af på kortere missioner.
Skal give strøm i op til 20 dage
Pyrolanter bruges allerede som tændingsmateriale i eksempelvis nødblus og kan blive en billigere og sikrere varme- og strømkilde end atombatterierne og samtidig mere energirige end litium-ion-batterierne.
Pyrolanter er den sløve dreng i klassen for energikilder
Sprængstoffer forbrænder hurtigt
Eksplosioner er en forbrændingsmetode, hvor et sprængstof detonerer – dvs. udvider sig lynhurtigt ved hastigheder på 2400-6000 meter i sekundet. En trykbølge dannes af såkaldte exoterme kemiske reaktioner, hvor der udvikles kraftig varme.
Brændstoffer skaber gasser
Brændstoffer til fx rumraketter brænder langsommere end sprængstoffer, men hurtigere end pyrolanter. Ved forbrænding af raketbrændstof sker der eksplosioner, hvor gasser ifølge NASA bliver skudt ud af raketdyserne ved hastigheder på 2000-4500 meter i sekundet.
Pyrolanter brænder langsomt
Pyrolanter bruges bl.a. i militærets nødblus og er langsomt brændende kemiske reaktioner mellem metaller og ilt. I modsætning til brændstoffer og sprængstoffer brænder pyrolanter ved en jævn temperatur ved lave hastigheder under en meter i sekundet.
De består typisk af et metalpulver, der kan indeholde fx kemiske forbindelser mellem grundstofferne magnesium (eller silicium) og bor. Når der tilføres ilt i blandingen i form af en oxidant, der ligesom metallerne befinder sig i fast form, sker der en såkaldt oxidation, som får materialet til at brænde.
Men i modsætning til fx raketbrændstof eller sprængstoffer brænder pyrolanterne meget langsomt uden at udlede gasser, og det kan forskerne udnytte til at skabe en stabil energikilde, der ifølge NASA skal kunne levere varme og strøm i op til 20 dage i et rumskib.
Varmeudviklingen sker ved den såkaldte reaktionsfront i pyrolanten, der ligesom de velkendte myggespiraler skal bevæge sig langsomt rundt og rundt, i takt med at pyrolanten brændes af.
Ved reaktionsfronten sker der en kemisk reaktion, hvor der udvikles varme, når metalblandingen, der er selve brændslet, og oxidanten reagerer med hinanden i en forbrændingsreaktion. Varmen producerer frie iltmolekyler, som igen oxiderer metalmaterialet foran det og får processen til at fortsætte rundt langs spiralens form.
Pyrolant skal klare ekstremforhold
Et af de steder, hvor NASA planlægger at bruge teknologien, er Jupiters måne Europa. Trods månens kolde ydre bestående af kilometertykke iskapper er Europa én af de destinationer, NASA har øverst på listen som mulige kandidater til at huse biologisk liv uden for Jordens grænser.
Magnesium forbrænder langsomt
Magnesium fungerer som brændstof – pyrolant – og reagerer med ilt fra litiumoxid i en forbrændingsreaktion, der får spiralstrukturen til at brænde langsomt. Det foregår ved, at ilt fra litiumoxid river sig fri og reagerer med magnesium, hvilket giver en masse varme, som både får forbrændingen til at bevæge sig fremefter, og som kan bruges som energi i rumsonden.
Isoleringskapsel holder på varmen
Forbrændingen foregår i en beholder bygget af magnesiumsilicat, der er et isolerende materiale velegnet til at styre en varmestrøm ved høje temperaturer. Hvis enheden udelukkende var lavet af metal, ville kapslen blive meget varmere. En varmeveksler i bunden sørger for, at varmen bliver overført til det sted, hvor der er brug for den.
Varmluftsmotor laver strøm
Varmen bliver omdannet til elektricitet ved hjælp af en såkaldt stirlingproces. Metoden er egentlig en varmluftsmotor, som fungerer ved at udnytte temperaturforskelle, når gas, som i dette tilfælde argon, flyttes mellem et varmt og et køligt kammer. Den røde del af stemplet sidder tættest på varmekilden. Her udvider gasarten sig på grund af varmen, hvilket presser stemplet ned.
Det kølige kammer skubber stempel tilbage
I det køligere kammer bliver luften presset sammen og vil derfor skubbe stemplet tilbage igen mod det varme kammer. Ved at koble stemplet til en generator er det muligt at danne strøm, der kan bruges i et rumfartøjs indre, hvor computere og måleinstrumenter skal holdes kørende.
I 2019 kunne NASA bekræfte, at der sprøjter flere hundrede kilometer store gejsere af saltvand ud gennem sprækker i iskapperne. Alle steder på Jorden, hvor der er vand, er der også biologisk liv, og fundet giver astronomerne endnu mere blod på tanden i forhold til at udforske Europa nærmere i fremtiden.
Måske gemmer der sig mikroorganismer eller endda fisk eller andre havdyr under isen, og mulige ekspeditioner ned i det mørke dyb vil kræve helt særlig holdbare energikilder, der ikke er afhængige af sollys. Det er fx her, at NASA planlægger at bruge pyrolant-batterierne.
Det er dog ikke kun kolde isverdener som Europa, hvor NASA kan have gavn af teknologien. På Jordens onde tvilling, den brandvarme naboplanet Venus, er overfladetemperaturen cirka 465 grader celsius, og planetens overflade har et tryk svarende til en havdybde på omtrent 900 meter i Jordens oceaner.
Venus er altså ikke venligt indstillet over for besøgende. I dag findes der ingen atombatterier, der fungerer under de fjendtlige forhold på Venus, men pyrolant-batterier ventes at kunne trodse forholdene og levere strøm til fx et rumfartøjs måleinstrumenter og kølesystemer.
Kan tanke op på planeter
NASA behøver ikke nødvendigvis at medbringe alt råmaterialet til pyrolant-batterierne hjemmefra – nogle af planeterne i Solsystemet har noget på lager i forvejen.
NASA og forskerne forestiller sig fx, at en pyrolant bestående af litium-metal kan hente sin oxidant to steder fra – enten igennem kuldioxid, der findes naturligt i atmosfæren eller undergrunden på planeter som Venus og Mars, eller simpelthen igennem vand på jupitermånen Europa.
Dermed kan det brændende batteris holdbarhed i princippet forlænges ved at medbringe mere brændsel hjemmefra og derefter supplere med en oxidant, når rumskibet er landet på destinationen.
Batteriet vil blive koblet på ved den modsatte side af varmeskjoldet for at undgå, at varmen ødelægger komponenterne. Samtidig vil det blive placeret modsat alle instrumenterne, så det kan få lov at arbejde i fred uden at påvirke teknologien ombord.
Forskerne håber at kunne præsentere en “bordmodel” af det brændende batteri for NASA, når de tre års forskning er slut. Denne prototype skal bevise, at princippet fungerer i praksis, og kan forhåbentlig levere en vedvarende varmeudvikling på over 700 grader celsius, hvilket kan omdannes til stuetemperatur gennem varmeveksleren og elektrisk strøm via et termoelektrisk element.
Men forskerne ser også muligheder for at bruge rumbatterierne her på Jorden. I tilfælde af naturkatastrofer som fx orkaner eller jordskælv, som kan sætte dele af elektricitetsnettet skakmat i kortere eller længere tid, kan pyrolant-batterierne være en backup til de mennesker i katastrofeområder, som mangler strøm.
Dermed kan teknologien, som nu udvikles til at bringe menneskeheden videre ud til Solsystemets fjerne afkroge, også komme til at gavne almindelige mennesker på Jorden.