Solceller, batterier och atombatterier har länge varit energikällor till allt som händer inuti rymdfarkoster. Mätinstrument, kameror, navigationssystem och liknande kräver värme och el för att fungera i rymden, och detsamma gäller rovrar som används till utforskning av en planets yta. Men uppdrag i de svårast framkomliga områdena kräver nya, extra energitäta och hållbara energikällor, vilket Nasa nu har börjat intressera sig för.
Den amerikanska rymdorganisationen ska utveckla en sorts långsamt brinnande batteri, som kan leverera el till datorer och mätinstrument i framtidens rymdfarkoster. De ska användas på de mest krävande uppdragen i solsystemet på skuggsidor av planeter eller i andra områden, dit solens strålar inte når.
Därför har rymdorganisationen 2020 beviljat pengar till två forskargrupper – en från University of Central Florida och en grupp från University of Texas, som ska utveckla energikällan. Utmaningen för forskarna är att få det att brinna kontrollerat för att säkra stabil elleverans under långa uppdrag.
Batterier inte tillräckligt kraftfulla
Batterier och solcellspaneler är en känd och genomtestad teknik för Nasa. Exempelvis drevs de pensionerade marsrovrarna Spirit och Opportunitys motorer, datorer och elektriska system på el från solcellspaneler med som stöttades med batterier som kunde ta över under nattetid.
Forskarna har ägnat lång tid åt att undersöka materialtjocklekar och huruvida magnesium, kisel eller något annat material fungerar bäst som pyrolant. Här har en tegelsten öppnats för att illustrera glödtråden, som glöder av värme på samma sätt som i en brödrost.
Men metoden blev problematisk när dammet från stora Marsstormar samlades på solcellspanelerna och blockerade solens strålar. Under vissa av Nasas kommande uppdrag, till exempelvis ismånar som Europa vid Jupiter eller Enceladus vid Saturnus, är avståndet till solen dessutom så stort att det blir svårare att hämta ut tillräckligt mycket elektricitet ur rymdfarkostens solcellspaneler.
Nasas problem är att även de bästa batterierna baserade på den vanliga litiumjontekniken i dag inte ger en högre energitäthet än cirka 400 wattimmar per kilo batteri. Energitäthete är ett uttryck för hur mycket energi ett batteri innehåller per kilo och hög energitäthet innebär lång räckvidd. Nasa behöver minst 600 wattimmar per kilo batteri för uppdrag till ismånarna, men även till exempelvis uppdrag till månen, där det krävs en stabil värme- och energikälla på nätter.
Forskarnas uppskattningar visar att man kan nå upp till fem gånger högre energitäthet med energikällor baserade på pyrolanter som dem forskarna från Florida och Texas arbetar med att utveckla, än med litiumjonbatterier.
De konkurrerar dock med så kallade atombatterier, som kan ha många gånger högre energitäthet än litiumjonbatterier. Ett atombatteri är inte ett batteri i klassisk mening, utan i stället det populära namnet för RTG-tekniken, eller en termoelektrisk radioisotopgenerator. Cassinisonden hade exempelvis tre radioisotopgeneratorer med ombord på resan till Saturnus, där varje RTG innehöll en klump plutonium-238, som under radioaktivt sönderfall sänder ut värme. Värmen kan därefter omvandlas till el med så kallade termoelement, där det finns temperaturskillnader i varje ände av modulen, så att det skapas spänningsskillnad.
Ändå finns det flera skäl till att Nasa gärna vill hitta en annan lösning. Även om RTG kan användas som värme- och energikällor på rymduppdrag, är de dyra att framställa och potentiellt farliga att hantera för manskapet som ska installera dem ombord på rymdfarkosten. Utöver det finns det inte oändliga mängder plutonium på jorden. Nasa vill dessutom helst reservera plutoniumbatterierna till verkligt långa, obemannade uppdrag, eftersom batterierna är mycket hållbara och det därför är onödigt att förbruka på kortare uppdrag.
Ska ge el i upp till 20 dagar
Pyrolanter används redan som tändningsmaterial i exempelvis nödraketer och kan bli en billigare och säkrare värme- och energikälla än atombatterierna och samtidigt mer energirika än litiumjonbatterierna.
Pyrolanter är den tröga pojken i klassen energikällor
Sprängämnen förbränns snabbt
Explosioner är en förbränningsmetod, där ett sprängämne detonerar – det vill säga utvidgar sig blixtsnabbt vid hastigheter på 2400–6000 meter i sekunden. En tryckvåg bildas av så kallade exoterma reaktioner, där det utvecklas kraftig värme.
Bränsle skapar gaser
Bränsle till exempelvis rymdraketer brinner långsammare än sprängämnen, men snabbare än pyrolanter. Vid förbränning av raketbränsle sker explosioner, där gaser enligt Nasa skjuts ut ur raketdysorna i hastigheter på 2000–4500 meter i sekunden.
Pyrolanter brinner långsamt
Pyrolanter används bland annat till militärens nödraketer och är långsamt brinnande kemiska reaktioner mellan metaller och syre. Till skillnad från bränslen och sprängämnen brinner pyrolanter vid en jämn temperatur vid låga hastigheter under en meter i sekunden.
De består oftast av ett metallpulver, som kan innehålla exempelvis kemiska föreningar mellan grundämnena magnesium (eller kisel) och bor. När syre tillförs till blandningen i form av en oxidant, som likt metallerna befinner sig i fast form, sker en så kallad oxidation, som får materialet att brinna. Men i motsats till exempelvis raketbränsle eller sprängämnen brinner pyrolanterna mycket långsamt utan att släppa ut gaser, vilket forskarna kan utnyttja för att skapa en stabil energikälla, som enligt Nasa ska kunna leverera värme och el i upp till 20 dagar i ett rymdskepp.
Värmeutvecklingen sker vid den så kallade reaktionsfronten i pyrolanten, som likt de välkända myggspiralerna långsamt ska röra sig runt och runt, i takt med att pyrolanten förbränns. Vid reaktionsfronten sker en kemisk reaktion, där det utvecklas värme när metallblandningen, som är själva bränslet, och oxidanten reagerar med varandra i en förbränningsreaktion. Värmen producerar fria syremolekyler, som återigen oxiderar metallmaterialet framför det och får processen att fortsätta runt längs spiralens form.
Pyrolant ska klara extrema förhållanden
En av de platser, där Nasa planerar att använda tekniken, är Jupiters måne Europa. Trots månens kalla yttre bestående av kilometertjocka istäcken är Europa en av de destinationer som står överst på Nasas lista över möjliga kandidater att hysa biologiskt liv utanför jordens gränser.
Magnesium förbränns långsamt
Magnesium fungerar som bränsle – pyrolant – och reagerar med syre från litiumoxid i en förbränningsreaktion, som får spiralstrukturen att brinna långsamt. Det sker genom att syre från litiumoxid sliter sig logg och reagerar med magnesium, vilket ger stor värme, som både får förbränningen att förflytta sig framåt och som kan användas som energi i rymdsonden.
Isoleringskapsel bibehåller värmen
Förbränningen sker i en behållare byggd av magnesiumsilikat, ett isolerande material som lämpar sig väl för att styra en värmeström vid höga temperaturer. Om enheten uteslutande var gjord av metall skulle kapseln bli mycket varmare. En värmeväxlare i botten ser till att värmen överförs till den plats där den behövs.
Varmluftsmotor skapar ström
Värmen omvandlas till elektricitet med hjälp av en så kallad stirlingprocess. Metoden är egentligen en varmluftsmotor, som fungerar genom att utnyttja temperaturskillnader när gas, i det här fallet argon, flyttas mellan en varm och en kall kammare. Den röda delen av kolven sitter närmast värmekällan. Där utvidgar gasarten sig på grund av värmen, vilket pressar ned kolven.
Den kalla kammaren för tillbaka kolven
I den kallare kammaren pressas luften ihop och för knuffar därför tillbaka kolven igen mot den varmare kammaren. Genom att koppla kolven till en generator är det möjligt att generera elektricitet som kan användas i en rymdfarkosts inre, där datorer och mätinstrument måste drivas.
2019 kunde Nasa bekräfta att det sprutar flera hundra kilometer stora gejsrar av saltvatten ut genom sprickor i istäckena. På alla platser på jorden där det finns vatten finns det också biologiskt liv, och fyndet ger astronomerna ännu mer blodad tand i att utforska Europa närmare i framtiden.
Kanske döljer sig mikroorganismer eller till och med fiskar eller andra havsdjur under isen och möjliga expeditioner ned i det mörka djupet kommer att kräva särskilt hållbara energikällor, som inte är beroende av solljus. Det är exempelvis där som Nasa planerar att använda pyrolantbatterierna.
Det är dock inte bara i kalla isvärldar som på Europa, som Nasa kan dra nytta av tekniken. På jordens onda tvilling, den glödheta grannplaneten Venus, är yttemperaturen cirka 465 grader Celsius, och planetens yta har ett tryck som motsvarar ett havsdjup på ungefär 900 meter i jordens oceaner.
Venus är alltså inte välvilligt inställt mot besökare. I dag finns det inga atombatterier som fungerar under de fientliga förhållandena på Venus, men pyrolantbatterier väntas kunna trotsa förhållandena och leverera el till exempelvis en rymdfarkosts mätinstrument och kylsystem.
Kan tanka på planeter
Nasa behöver inte nödvändigtvis frakta med allt råmaterial till pyrolantbatterierna hemifrån – några planeter i solsystemet har en del på lager. Nasa och forskarna tror exempelvis att en pyrolant bestående av litiummetall kan hämta sin oxidant från två platser – antingen genom koldioxid, vilket finns naturligt i atmosfären eller berggrunden på planeter som Venus och Mars, eller helt enkelt genom vatten på jupitermånen Europa. Därmed kan det brinnande batteriets hållbarhet i princip förlängas genom att medföra mer bränsle hemifrån och därefter komplettera med en oxidant, när rymdskeppet har landat på destinationen.
Batteriet ska kopplas på vid motsatt sida av värmeskölden för att undvika att värmen förstör komponenterna. Samtidigt ska det placeras motsatt från alla instrument, så att det får arbeta i fred utan att påverka tekniken ombord.
Forskarna hoppas att kunna presentera en "bordsmodell" av det brinnande batteriet för Nasa, när de tre årens forskning är slut. Den här prototypen ska bevisa att principen fungerar i praktiken, och kan förhoppningsvis levererar en varaktig värmeutveckling på över 700 grader Celsius, vilket kan omvandlas till rumstemperatur genom värmeväxlaren och elektricitet via ett termoelektriskt element.
Men forskarna tittar även på möjligheter att använda rymdbatterierna här på jorden. I händelse av naturkatastrofer som exempelvis orkaner eller jordskalv, som kan sätta delar av elnätet ur spel under kort eller längre tid, kan pyrolantbatterierna vara en reserv för de människor i katastrofområden som saknar el. Därmed kan tekniken, som nu utvecklas för att frakta mänskligheten vidare ut i solsystemets avlägsna hörn, också komma att gynna vanliga människor på jorden.