Solceller, batterier og atombatterier har lenge vært energikilder til alt hva som foregår inne i romfartøy. Måleinstrumenter, kameraer, navigasjonssystemer og lignende krever varme og strøm for å fungere i verdensrommet, og det samme gjelder for rovere som brukes til utforskning av en planets overflate. Men utforskning av de vanskeligst framkommelige områdene krever nye energitette og langvarige energikilder som Nasa nå har begynt å interessere seg for.
Den amerikanske romorganisasjonen vil utvikle en form for langsomtbrennende batteri som kan levere strøm til datamaskiner og måleinstrumenter i framtidens romfartøy. Det skal brukes på den mest krevende utforskninge av solsystemet, på skyggesider av planeter eller i andre områder der solens stråler ikke når fram.
Derfor har romfartsorganisasjonen i 2020 bevilget penger til to forskergrupper – et fra University of Central Florida og et fra University of Texas – som skal utvikle energikilden. Det krevende for forskerne er å få det til å brenne kontrollert for å levere strøm på en stabil måte over lang tid.
Batterier ikke kraftige nok
Batterier og solcellepaneler er en velkjent teknologi for Nasa. For eksempel gikk de pensjonerte Mars-roverne Spirit og Opportunitys motorer, datamaskiner og elektriske systemer på strøm fra solcellepaneler med backup fra batterier som kunne ta over om natten.
Men metoden ga problemer når støvet fra store Mars-stormer la seg på solcellepanelene og blokkerte solstråler. For noen av Nasas kommende sonder, som skal sendes til ismåner som Europa ved Jupiter eller Enceladus ved Saturn er avstanden til solen dessuten så stor at det blir vanskeligere å få nok strøm fra solcellepaneler.
Nasas problem er at selv de beste batteriene basert på litium-ion-teknologi i dag ikke gir en energitetthet høyere enn om lag 400 wattimer per kilo batteri. Energitettheten er et uttrykk for hvor mye energi det er i batteriet per kilo, og høy energitetthet gir lang rekkevidde. Nasa trenger minst 600 wattimer per kilo til utforskning av ismånene, men også til for eksempel bemannet utforskning av månen, der det kreves en stabil varme- og strømkilde om natten.
Forskernes estimater viser at det kan oppnås fem ganger høyere energitetthet med energikilder basert på pyrolanter, som er det forskergruppene fra Florida og Texas arbeider med å utvikle enn med litium-ionbatterier.
De konkurrerer imidlertid med såkalte atombatterier, som kan ha mange ganger høyere energitetthet enn litium-ionbatterier. Et atombatteri er ikke et batteri i klassisk forstand, men i stedet det populære navnet for teknologien RTG, eller termoelektrisk radioisotopgenerator; for eksempel hadde Cassini-sonden tre rTG-er med om bord på reisen til Saturn, og hver RTG inneholdt en klump plutonium-238, som under radioaktiv nedbryting sender ut varme. Varmen kan deretter gjøres om til strøm med et såkalt termoelektrisk element, der det er temperaturforskjell i hver ende av modulen, slik at det blir skapt en spenningsforskjell.
Likevel er det flere grunner til at Nasa vil finne en annen løsning. Selv om RTG-er kan brukes som varme- og strømkilder, er de dyre å produsere og potensielt farlige å håndtere for det mannskapet som skal installere dem om bord på romfartøyet. Dessuten finnes det ikke så voldsomme mengder plutonium på jorden. Nasa vil dessuten reservere plutoniumbatteriene til de virkelig lange ubemannede reisene, fordi batteriene er veldig holdbare og derfor vil være ergerlige å sløse dem bort når de ikke virkelig trengs.
Skal gi strøm i opptil 20 dager
Pyrolanter brukes allerede som tenningsmateriale i for eksempel nødbluss og kan bli en billigere og sikrere varme- og strømkilde enn atombatteriene og samtidig mer energirike enn litium-ionbatteriene.
Pyrolanter er den treige gutten i klassen for energikilder
Sprengstoff forbrenner raskt
Eksplosjoner er en forbrenningsmetode der et sprengstoff detonerer – altså utvider seg lynraskt ved hastigheter på 2400–6000 meter i sekundet. En trykkbølge dannes av såkalte eksoterme kjemiske reaksjoner der det utvikles kraftig varme.
Drivstoff skaper gasser
Drivstoff til for eksempel romraketter brenner langsommere enn sprengstoff, men raskere enn pyrolanter. Ved forbrenning av rakettdrivstoff skjer det eksplosjoner der gasser ifølge Nasa blir skutt ut av rakettdysene ved hastigheter på 2000–4500 meter i sekundet.
Pyrolanter brenner langsomt
Pyrolanter brukes blant annet i nødbluss og er langsomt brennende kjemiske reaksjoner mellom metaller og oksygen. I motsetning til drivstoff og sprengstoff brenner pyrolanter ved en jevn temperatur ved lave hastigheter under en meter i sekundet.
De består typisk av et metallpulver som kan inneholde for eksempel kjemiske forbindelser mellom grunnstoffene magnesium (eller silisium) og bor. Når det tilføres oksygen i blandingen i form av en oksidant, som også befinner seg i fast form, skjer det en såkalt oksidering, som får materialet til å brenne. Men i motsetning til for eksempel rakettdrivstoff eller sprengstoff brenner pyrolantene veldig langsomt, uten å slippe ut gasser, og det kan forskerne utnytte til å skape en stabil energikilde som ifølge Nasa skal kunne levere varme og strøm i opptil 20 dager i et romskip.
Varmeutviklingen skjer ved den såkalte reaksjonsfronten i pyrolanten, som akkurat som de velkjente myggspiralene skal bevege seg langsomt rundt og rundt, i takt med at pyrolanten brennes av. Ved reaksjonsfronten skjer det en kjemisk reaksjon der det utvikles varme når metallblandingen, som er selve brenselet, og oksidanten reagerer med hverandre i en forbrenningsreaksjon. Varmen produserer frie oksygenmolekyler som igjen oksiderer metallmaterialet foran det og får prosessen til å fortsette rundt langs spiralens form.
Pyrolant må tåle ekstremforhold
Et av de stedene hvor Nasa planlegger å bruke teknologien, er Jupiters måne Europa. Tross månens kalde ytre, som består av et flere kilometer tykt islag, er Europa et av de reisemålene Nasa har øverst på listen som mulige hjemsteder for biologisk liv utenfor jordens grenser.
Magnesium forbrenner langsomt
Magnesium fungerer som drivstoff – pyrolant – og reagerer med oksygen fra litiumoksid i en forbrenningsreaksjon som får spiralstrukturen til å brenne langsomt. Det foregår ved at oksygen fra litiumoksid river seg løs og reagerer med magnesium, noe som gir en masse varme, som både får forbrenningen til å bevege seg framover, og som kan brukes som energi i romsonden.
Isoleringskapsel holder på varmen
Forbrenningen foregår i en beholder bygget av magnesiumsilikat, som er et isolerende materiale velegnet til å styre en varmestrøm ved høye temperaturer. Hvis enheten utelukkende var laget av metall, ville kapselen bli mye varmere. En varmeveksler i bunnen sørger for at varmen blir overført til det stedet hvor det er behov for den.
Varmluftsmotor lager strøm
Varmen blir gjort om til elektrisitet ved hjelp av en såkalt stirlingprosess. Metoden er egentlig en varmluftsmotor, som fungerer ved å utnytte temperaturforskjeller, når gass, som i dette tilfellet argon, flyttes mellom et varmt og et kjølig kammer. Den røde delen av stemplet sitter tettest på varmekilden. Her utvider gassarten seg på grunn av varmen, noe som presser ned stemplet.
Det kjølige kammeret skyver stempel tilbake
I det kjøligere kammeret blir luften presset sammen og vil derfor skyve stemplet tilbake igjen mot det varme kammeret. Ved å koble stemplet til en generator er det mulig å danne strøm som kan brukes i et romfartøys indre, der datamaskiner og måleinstrumenter skal holdes i gang.
I 2019 kunne Nasa bekrefte at flere ut hundre kilometer høye geysirer sprøyter saltvann gjennom sprekker i isen. Alle steder på jorden hvor det er vann, er det også biologisk liv, og funnet gir astronomene enda mer blod på tann i forhold til å utforske Europa nærmere i framtiden.
Kanskje gjemmer det seg mikroorganismer eller faktisk fisk eller andre havdyr under isen, og mulige ekspedisjoner ned i det mørket dyp vil kreve helt spesielt varige energikilder som ikke er avhengigen av sollys. Det er for eksempel her Nasa planlegger å bruke pyrolantbatteriene.
Det er imidlertid ikke bare kalde isverdener som Europa der Nasa kan ha nytte av teknologien. På jordens onde tvilling, den glovarme naboplaneten Venus, er overflatetemperaturen om lag 465 grader celsius, og planetens overflate har et trykk som svarer til en havdybde på omtrent 900 meter i jordens hav.
Venus er altså ikke vennlig innstilt overfor besøkende. I dag finnes det ingen atombatterier som fungerer under de fiendtlige forholdene på Venus, men pyrolantbatterier ventes å kunne trosse forholdene og levere strøm til for eksempel et romfartøys måleinstrumenter og kjølesystem.
Kan fylle opp på planeter
Nasa trenger ikke nødvendigvis å ta med alt råmaterialet til pyrolantbatteriene hjemmefra – noen av planetene i solsystemet har noe på lager fra før. Nasa og forskerne forestiller seg for eksempel at en pyrolant som består av litiummetall kan hente oksidanter fra to steder – enten gjennom karbondioksid som finnes naturlig i atmosfæren eller undergrunnen på planeter som Venus og Mars, eller rett og slett gjennom vann på Jupiter-månen Europa. Dermed kan det brennende batteriets holdbarhet i prinsippet forlenges ved å ta med mer brensel hjemmefra og deretter supplere med en oksidant når romskipet er landet på reisemålet.
Batteriet vil blive koblet på ved den modsatte side af varmeskjoldet for at undgå at varmen ødelægger komponenterne. Samtidig vil det blive præsenteret modsat alle instrumenterne, så det kan få lov at arbejde i fred uden at påvirke teknologien ombord.
Forskerne håper å kunne presentere en «bordmodell» av det brennende batteriet for Nasa når de tre årenes forskning er slutt. Denne prototypen skal bevise at prinsippet fungerer i praksis, og kan forhåpentligvis levere en varig varmeutvikling på over 700 grader celsius, noe som kan gjøres om til romtemperatur gjennom varmeveksleren og elektrisk strøm via et termoelektrisk element.
Men forskerne ser også muligheter for å bruke rombatteriene her på jorden. I tilfeller av naturkatastrofer som for eksempel orkaner eller jordskjelv, som kan sette deler av elektrisitetsnettet sjakkmatt i kortere eller lengre tid, kan pyrolantbatteriene være en backup til de menneskene i katastrofeområder som mangler strøm. Dermed kan teknologien som nå utvikles til å bringe menneskeheten videre ut til solsystemets fjerne avkroker, også komme til nytte her nede på jorden.