Του Λουκά Μπαφατάκη, Μηχανολόγου Μηχανικού Ε.Μ.Π.
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε κατασκευάσει στη Σελήνη μια μικρή βάση, σε περιοχή χαμηλού γεωγραφικού πλάτους, και ότι, ακόμη και με τα περισσότερα συστήματά της σε οικονομική λειτουργία, χρειάζεται συνεχώς 10 kW ηλεκτρικής ισχύος. Όχι για κάτι ιδιαίτερα φιλόδοξο. Απλώς για να λειτουργούν τα απολύτως απαραίτητα όργανα, η επικοινωνία, οι υπολογιστές, οι αντλίες και ο θερμικός έλεγχος.
Στη διάρκεια μιας σεληνιακής νύχτας περίπου 14 ημερών, αυτή η σχετικά μικρή ισχύς μεταφράζεται σε 3.360 kWh ενέργειας. Αν θέλαμε να την αποθηκεύσουμε αποκλειστικά σε μπαταρίες με ενδεικτική ειδική ενέργεια 150 Wh/kg, θα χρειαζόμασταν 22,4 τόνους μπαταρίες. Κι αυτό χωρίς να υπολογίσουμε εφεδρεία, γήρανση μπαταριών, εξοπλισμό φόρτισης ή τις ιδιαίτερες απαιτήσεις λειτουργίας στο σεληνιακό περιβάλλον.
Το παραπάνω παράδειγμα δεν περιγράφει μια πραγματική σεληνιακή βάση. Δείχνει όμως γιατί η ηλεκτρική ενέργεια αποτελεί ένα από τα σοβαρότερα μηχανολογικά προβλήματα της διαστημικής εξερεύνησης. Στη Γη μπορούμε να συνδέσουμε μια συσκευή στην πρίζα και να θεωρήσουμε ότι το υπόλοιπο ηλεκτρικό σύστημα βρίσκεται κάπου μακριά. Στο Διάστημα πρέπει να το μεταφέρουμε ολόκληρο μαζί μας.
Άλλο ισχύς και άλλο ενέργεια
Η ισχύς και η ενέργεια δεν είναι το ίδιο πράγμα. Τα κιλοβάτ (kW) δείχνουν τον ρυθμό με τον οποίο καταναλώνουμε ή παράγουμε ενέργεια. Οι κιλοβατώρες (kWh) δείχνουν πόση ενέργεια χρειάζεται να έχουμε διαθέσιμη για ορισμένο χρόνο. Μια εγκατάσταση που χρειάζεται 10 kW επί μία ώρα καταναλώνει 10 kWh. Αν πρέπει να λειτουργεί για δύο εβδομάδες χωρίς παραγωγή, η απαιτούμενη αποθήκευση γίνεται τεράστια.
Στο Διάστημα, μάλιστα, η ηλεκτρική ισχύς δεν καλύπτει μόνο υπολογιστές και επιστημονικά όργανα. Διατηρεί θερμοκρασίες, κινεί μηχανισμούς, φορτίζει συστήματα επικοινωνίας και ελέγχου, επεξεργάζεται νερό και αέρα. Σε μια μελλοντική βάση θα μπορούσε επιπλέον να τροφοδοτεί ηλεκτρόλυση, εξόρυξη πάγου, παραγωγή οξυγόνου και επεξεργασία τοπικών υλικών. Δεν αρκεί επομένως να γνωρίζουμε τη μέγιστη ισχύ μιας γεννήτριας. Πρέπει να ξέρουμε πότε είναι διαθέσιμη, για πόσο, και τι συμβαίνει όταν ένα στοιχείο πάψει να λειτουργεί.
Το παράδειγμα του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού
Στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, η βασική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ο Ήλιος. Οι μεγάλες φωτοβολταϊκές συστοιχίες μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρισμό. Ο ISS όμως κινείται γύρω από τη Γη περίπου μία φορά κάθε 90 λεπτά, περνώντας διαδοχικά από το ηλιακό φως και από τη σκιά του πλανήτη. Δεν θα μπορούσε να λειτουργήσει στηριζόμενος μόνο στην παραγωγή των πάνελ τη δεδομένη στιγμή.
Γι’ αυτό διαθέτει συστήματα αποθήκευσης, με μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθώς και ηλεκτρονικά ισχύος που ελέγχουν τη φόρτιση και τη διανομή του ηλεκτρισμού. Τα φωτοβολταϊκά καλύπτουν τα φορτία και φορτίζουν τις μπαταρίες όταν ο σταθμός φωτίζεται. Στη σκιά, οι μπαταρίες αναλαμβάνουν τη λειτουργία του. Πρόκειται για έναν επαναλαμβανόμενο ενεργειακό κύκλο, όχι για μια συνεχώς διαθέσιμη ηλιακή πηγή.
Το πλεονέκτημα της χαμηλής γήινης τροχιάς είναι ότι ο κύκλος διαρκεί μόλις λίγες δεκάδες λεπτά. Μια μπαταρία καλείται να καλύψει μια σχετικά σύντομη διακοπή παραγωγής, όχι δύο εβδομάδες. Και ο σταθμός μπορεί να υποστηρίζεται από αποστολές ανεφοδιασμού και συντήρησης. Όσο απομακρυνόμαστε από τη Γη, και τα δύο αυτά πλεονεκτήματα περιορίζονται.
Τα φωτοβολταϊκά δεν έχουν την ίδια απόδοση σε όλο το Ηλιακό Σύστημα
Κοντά στη Γη, η ηλιακή ακτινοβολία εκτός ατμόσφαιρας είναι περίπου 1.361 W ανά τετραγωνικό μέτρο. Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο απόδοσης 30% θα μπορούσε ιδανικά, με τον Ήλιο κάθετο στην επιφάνειά του, να μετατρέψει περίπου 408 W/m² σε ηλεκτρική ισχύ. Στην πραγματικότητα υπάρχουν απώλειες λόγω θερμοκρασίας, γωνίας πρόσπτωσης, συνδέσεων, μετατροπέων και γήρανσης.
Η διαθέσιμη ηλιακή ισχύς μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης από τον Ήλιο: I ∝ 1/r². Στην απόσταση του Άρη η μέση ακτινοβολία έξω από την ατμόσφαιρα είναι περίπου 586 W/m², δηλαδή μόλις το 43% της αντίστοιχης τιμής κοντά στη Γη. Στην περιοχή του Δία πέφτει περίπου στα 50 W/m². Το ίδιο ιδανικό στοιχείο του προηγούμενου παραδείγματος θα απέδιδε εκεί γύρω στα 15 W/m², προτού υπολογιστούν οι υπόλοιπες απώλειες.
Η κλίμακα φαίνεται καλύτερα στις πραγματικές αποστολές. Το ευρωπαϊκό διαστημόπλοιο JUICE διαθέτει ηλιακές συστοιχίες συνολικής επιφάνειας περίπου 85 m² για να εξασφαλίζει ενέργεια τάξης μεγέθους 850 W κοντά στο Δία. Το Europa Clipper της NASA διαθέτει περίπου 102 m² φωτοβολταϊκής επιφάνειας, με σχεδιασμό που προβλέπει τουλάχιστον 700 W κατά την κύρια φάση της αποστολής, παρά την υποβάθμιση λόγω ακτινοβολίας. Οπότε μιλάμε για τεράστιες επιφάνειες και για ηλεκτρική ισχύ που στη Γη θα θεωρούσαμε μικρή.
Αυτό δεν σημαίνει ότι τα φωτοβολταϊκά είναι ακατάλληλα για το βαθύ Διάστημα. Σημαίνει ότι το μέγεθος, η μάζα, η δυνατότητα ανάπτυξης και η αντοχή τους γίνονται ολοένα πιο δύσκολα προβλήματα. Κάποια στιγμή η επιλογή μιας διαφορετικής πηγής ενέργειας μπορεί να είναι προτιμότερη από την προσθήκη όλο και περισσότερων πάνελ.
Ο Άρης και το πρόβλημα της σκόνης
Στον Άρη το πρόβλημα των φωτοβολταϊκών δεν είναι μόνο η μεγαλύτερη απόσταση από τον Ήλιο. Είναι και η ατμόσφαιρα με τη σκόνη της. Οι καταιγίδες σκόνης μειώνουν την ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος, ενώ η σκόνη που επικάθεται στα φωτοβολταϊκά περιορίζει την παραγωγή τους.
Το lander InSight της NASA, που προσεδαφίστηκε το 2018, παρήγαγε αρχικά περίπου 5 kWh ηλεκτρικής ενέργειας ανά αρειανή ημέρα. Την άνοιξη του 2022 η παραγωγή του είχε περιοριστεί περίπου στις 0,5 kWh ανά ημέρα εξαιτίας της σκόνης. Η αποστολή ολοκληρώθηκε τον Δεκέμβριο του ίδιου έτους όταν δεν υπήρχε πλέον αρκετή ενέργεια για να συνεχιστεί η λειτουργία του.
Το InSight δεν απέτυχε ως επιστημονική αποστολή. Λειτούργησε περισσότερα από τέσσερα χρόνια και ξεπέρασε την αρχική προβλεπόμενη διάρκεια ζωής του. Απέδειξε όμως κάτι κρίσιμο για μια μόνιμη εγκατάσταση: η παραγωγή που επαρκεί την πρώτη ημέρα δεν είναι κατ’ ανάγκη διαθέσιμη ύστερα από χρόνια. Στον σχεδιασμό πρέπει να υπολογιστούν η υποβάθμιση, η συντήρηση και οι περίοδοι εξαιρετικά χαμηλής παραγωγής.
Η Σελήνη και το πρόβλημα της πολύ μεγάλης νύχτας
Στην επιφάνεια της Σελήνης η διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία είναι περίπου ίδια με εκείνη που συναντά ένα διαστημόπλοιο κοντά στη Γη, εφόσον ο Ήλιος βρίσκεται πάνω από τον τοπικό ορίζοντα. Το πρόβλημα είναι η διάρκεια της νύχτας, που σε πολλές περιοχές φτάνει περίπου τις 14,5 γήινες ημέρες, μαζί με τις χαμηλές θερμοκρασίες και τις μεγάλες θερμικές μεταβολές.
Περιοχές κοντά στους πόλους μπορεί να προσφέρουν ευνοϊκότερες συνθήκες φωτισμού, όχι όμως μόνιμη και εγγυημένη ηλιοφάνεια. Η τοπογραφία, η εποχική θέση του Ήλιου και οι σκιές των κρατήρων έχουν καθοριστικό ρόλο. Στον νότιο πόλο, όπου ο Ήλιος παραμένει χαμηλά στον ορίζοντα, ορισμένες κορυφογραμμές φωτίζονται για πολύ μεγάλο μέρος του έτους. Μια βάση με φωτοβολταϊκά χρειάζεται επομένως προσεκτική επιλογή θέσης και, ενδεχομένως, παραγωγή από περισσότερα από ένα σημεία.
Δύο σεληνιακές βάσεις, δύο διαφορετικές ενεργειακές απαιτήσεις
Ας δούμε δύο σενάρια τοποθεσιών για εγκατάσταση σεληνιακής βάσης. Στο πρώτο, έχουμε τη βάση μακριά από τους πόλους του δορυφόρου. Η ημέρα και η νύχτα εναλλάσσονται σε κύκλο περίπου 29,5 γήινων ημερών. Για τα 10 kW συνεχούς φορτίου του παραδείγματος, μια νύχτα 14 ημερών απαιτεί 10 × 24 × 14 = 3.360 kWh, δηλαδή 3,36 MWh αποθηκευμένης ενέργειας. Με την ενδεικτική τιμή 150 Wh/kg σε επίπεδο πλήρους συστήματος, η θεωρητική μάζα αποθήκευσης είναι 22,4 τόνοι, χωρίς περιθώρια ασφαλείας και απώλειες.
Υπάρχει και μια δεύτερη απαίτηση: οι 3,36 MWh πρέπει να αναπληρωθούν όταν ξαναβγεί ο Ήλιος, ενώ η βάση εξακολουθεί να καταναλώνει 10 kW. Αν διαθέτουμε για λόγους σύγκρισης 14 πλήρεις ημέρες παραγωγής και ο κύκλος αποθήκευσης έχει απόδοση 85%, η μέση παραγωγή στη φωτεινή περίοδο πρέπει να είναι περίπου 10 + (3.360 / 0,85) / (14 × 24) = 21,8 kW. Πρόκειται για ιδανική μέση ισχύ: η εγκατεστημένη φωτοβολταϊκή ισχύς θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη λόγω γωνίας πρόσπτωσης, σκιάσεων και λοιπών απωλειών.
Στο δεύτερο σενάριο βάζουμε τη βάση σε ευνοϊκή θέση κοντά στον νότιο πόλο. Σε ορισμένα υψώματα γύρω από τον κρατήρα Shackleton ο φωτισμός είναι πολύ συχνότερος. Η NASA έχει εντοπίσει τρεις θέσεις στο χείλος του που, αθροιστικά, δέχονται ηλιακό φως για περισσότερο από το 90% του έτους. Αυτό δεν σημαίνει ότι καθεμία έχει μόνιμη ηλιοφάνεια. Σε τεχνική μελέτη για συγκεκριμένη πολική θέση, η NASA υπολόγισε ανάγκες αποθήκευσης περίπου 73 έως 117 ωρών στη δυσμενέστερη εξεταζόμενη σεληνιακή ημέρα, ανάλογα με τη διάταξη του συστήματος.
Αν για σύγκριση θεωρήσουμε 100 ώρες χωρίς επαρκή ηλιακή παραγωγή, η ίδια βάση των 10 kW χρειάζεται 1.000 kWh αντί για 3.360 kWh. Με τα ίδια 150 Wh/kg, η θεωρητική μάζα αποθήκευσης πέφτει από τους 22,4 στους περίπου 6,7 τόνους. Πρόκειται για ενδεικτικό σενάριο και όχι για εγγυημένη διάρκεια σκίασης σε όλες τις πολικές τοποθεσίες.
Η διαφορά είναι εντυπωσιακή, αλλά δεν αρκεί το ποσοστό ετήσιας ηλιοφάνειας. Για τις μπαταρίες μετρά κυρίως πόσες ώρες μπορεί να μείνει η βάση συνεχόμενα χωρίς επαρκή παραγωγή. Και στις δύο περιπτώσεις, οι παραπάνω μάζες δεν περιλαμβάνουν την πραγματική χρησιμοποιήσιμη χωρητικότητα, γήρανση, εφεδρείες, ηλεκτρονικά ή θερμική προστασία. Η γεωγραφική θέση της βάσης γίνεται έτσι μέρος του ενεργειακού της σχεδιασμού.
Για αυτό η NASA μελετά υπερυψωμένα, κατακόρυφα φωτοβολταϊκά, κατάλληλα για τον Ήλιο που κινείται κοντά στον σεληνιακό ορίζοντα. Η σεληνιακή σκόνη προσθέτει ακόμη έναν περιορισμό: μπορεί να μειώσει την απόδοση των πάνελ και να επιβαρύνει τις επιφάνειες απόρριψης θερμότητας. Ο σχεδιασμός χρειάζεται συνεπώς προστασία, συντήρηση ή τρόπους απομάκρυνσης της σκόνης.
Οι μπαταρίες αποθηκεύουν ενέργεια. Δεν την παράγουν
Οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου είναι σχεδόν αυτονόητοι σε ένα σύγχρονο ενεργειακό σύστημα λόγω αποδοτικότητας, δυνατότητας επαναφόρτισης και καλής ειδικής ενέργειας. Δεν υποκαθιστούν όμως την πρωτογενή πηγή. Όσο μεγαλύτερη είναι η περίοδος χωρίς παραγωγή, τόσο περισσότερο η αποθήκευση εξελίσσεται σε πρόβλημα μάζας και θερμικής διαχείρισης.
LFP ή NMC: τι αλλάζει όταν κάθε κιλό μετρά;
Στη σημερινή εμπορική αγορά, δύο από τις κυρίαρχες χημείες μπαταριών ιόντων λιθίου είναι η LFP και η NMC. Οι ονομασίες αφορούν το υλικό του θετικού ηλεκτροδίου: φωσφορικό λίθιο-σίδηρο (LiFePO₄) για την LFP και οξείδια λιθίου-νικελίου-μαγγανίου-κοβαλτίου για την NMC. Η LFP προσφέρει συνήθως μεγαλύτερη θερμική σταθερότητα, καλή αντοχή σε κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης και δεν απαιτεί νικέλιο ή κοβάλτιο στην κάθοδο. Η NMC προσφέρει κατά κανόνα μεγαλύτερη ειδική ενέργεια, αλλά απαιτεί ιδιαίτερα προσεκτική διαχείριση της θερμικής ασφάλειας. Κανένας από τους δύο τύπους δεν είναι απαλλαγμένος από τον κίνδυνο αστοχίας. Το ότι κυριαρχούν σε εφαρμογές στη Γη δεν σημαίνει ότι αποτελούν ήδη την τυπική επιλογή των διαστημικών αποστολών.
Για μια διαστημική αποστολή, το προφίλ λειτουργίας έχει αποφασιστική σημασία. Μια σεληνιακή βάση μακριά από τους πόλους περνά περίπου έναν πλήρη κύκλο ημέρας και νύχτας κάθε 29,5 γήινες ημέρες. Ο ISS, αντίθετα, διέρχεται από φως και σκιά περίπου 16 φορές την ημέρα. Στην πρώτη περίπτωση, η μάζα, η ημερολογιακή γήρανση και η συμπεριφορά ύστερα από παρατεταμένη αποθήκευση μπορεί να υπερισχύουν της αντοχής σε χιλιάδες κύκλους. Στη δεύτερη, η κυκλική καταπόνηση γίνεται πολύ σημαντικότερη. LFP και NMC χρειάζονται κατάλληλο θερμικό έλεγχο, εξισορρόπηση στοιχείων και απομόνωση αστοχιών. Η φόρτιση σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία μπορεί να οδηγήσει σε εναπόθεση μεταλλικού λιθίου στην άνοδο και να υποβαθμίσει την ασφάλεια.
Σε μια πολύ ψυχρή σεληνιακή νύχτα, μάλιστα, η συστοιχία μπορεί να χρειάζεται ηλεκτρική θέρμανση για να παραμένει εντός ασφαλούς θερμοκρασιακού εύρους. Ένα μέρος της ενέργειας που αποθηκεύσαμε για τη βάση καταναλώνεται τότε για να διατηρεί λειτουργική την ίδια την μπαταρία. Πρόκειται για φορτίο που πρέπει να συμπεριλαμβάνεται στο πραγματικό ενεργειακό ισοζύγιο.
Ένα αριθμητικό παράδειγμα δείχνει τι διακυβεύεται. Αν υποθέσουμε, μόνο για σύγκριση, μια πλήρη εγκατάσταση LFP με αξιοποιήσιμη ειδική ενέργεια 120 Wh/kg και μία NMC με 180 Wh/kg, η αποθήκευση των 3.360 kWh θα αντιστοιχούσε σε 28 και 18,7 τόνους αντίστοιχα. Για 1.000 kWh, σε 8,3 και 5,6 τόνους. Οι τιμές αυτές είναι υποθετικά μεγέθη σε επίπεδο συστήματος και όχι προδιαγραφές όλων των μπαταριών LFP ή NMC.
Το ιερό δισκοπότηρο: Μπαταρίες στερεού ηλεκτρολύτη
Οι μπαταρίες στερεού ηλεκτρολύτη (solid-state) υπόσχονται ένα τεχνολογικό άλμα. Αντί του συμβατικού υγρού οργανικού ηλεκτρολύτη χρησιμοποιούν στερεό υλικό για τη μεταφορά ιόντων λιθίου. Ορισμένες αρχιτεκτονικές μπορούν να συνδυαστούν και με άνοδο μεταλλικού λιθίου, ανοίγοντας τον δρόμο για υψηλότερη ειδική ενέργεια. Η απουσία εύφλεκτου υγρού ηλεκτρολύτη μπορεί να μειώσει ορισμένους κινδύνους, ιδιαίτερα σε επανδρωμένα οχήματα. Δεν εξαλείφει όμως τις πιθανότητες εσωτερικού βραχυκυκλώματος ή θερμικής αστοχίας.
Μια από τις προκλήσεις είναι ότι πρέπει να διατηρεί αξιόπιστη επαφή ανάμεσα σε στερεές επιφάνειες καθώς φορτίζεται, εκφορτίζεται και αλλάζει θερμοκρασία. Οι διεπιφάνειες μπορούν να εμφανίσουν μεγάλη ηλεκτρική αντίσταση, μηχανικές τάσεις και τοπική ανάπτυξη λιθίου που οδηγεί σε βραχυκύκλωμα. Ορισμένα σχέδια απαιτούν μηχανική πίεση στο εσωτερικό της συστοιχίας, προσθέτοντας δομή και μάζα. Οι χαμηλές θερμοκρασίες, η διάρκεια ζωής, οι κραδασμοί της εκτόξευσης και η πιστοποίηση για διαστημική χρήση παραμένουν ουσιαστικές προκλήσεις.
Η NASA έχει παρουσιάσει συγκεκριμένα αποτελέσματα με το ερευνητικό πρόγραμμα SABERS (Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety). Χρησιμοποιώντας, μεταξύ άλλων, κάθοδο θείου/σεληνίου, άνοδο μεταλλικού λιθίου και νέα αρχιτεκτονική στοίβαξης, η ομάδα ανακοίνωσε ειδική ενέργεια πάνω από 500 Wh/kg σε πειραματικές μπαταρίες.
Αν χρησιμοποιήσουμε τα 500 Wh/kg του SABERS αποκλειστικά ως αριθμητική αναφορά, οι 3.360 kWh μιας σεληνιακής νύχτας αντιστοιχούν σε 3.360.000 / 500 = 6.720 kg, δηλαδή 6,72 τόνους. Για το πολικό σενάριο των 1.000 kWh, προκύπτουν 2 τόνοι. Αυτές οι μάζες δεν είναι συγκρίσιμες ευθέως με τις προηγούμενες εκτιμήσεις LFP και NMC: εκεί χρησιμοποιήσαμε αξιοποιήσιμη ειδική ενέργεια πλήρους συστήματος, ενώ η επίδοση SABERS αφορά ερευνητικές διατάξεις. Ένα πραγματικό συγκρότημα χρειάζεται περίβλημα, διαχείριση μπαταρίας, θερμικό έλεγχο, περιθώρια φόρτισης και πιστοποίηση για τις συνθήκες της αποστολής.
Κυψέλες καυσίμου: αποθήκευση για πολλές ημέρες
Μια διαφορετική λύση για αποθήκευση μεγάλης διάρκειας είναι το ζεύγος ηλεκτρόλυσης και κυψέλης καυσίμου. Όταν υπάρχει πλεόνασμα ισχύος, η ηλεκτρόλυση διασπά νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Όταν η παραγωγή σταματά, τα δύο αέρια τροφοδοτούν κυψέλη καυσίμου, δίνοντας ξανά ηλεκτρισμό, νερό και θερμότητα. Σε αποθήκευση πολλών ημερών, η χωρητικότητα μπορεί να αυξηθεί κυρίως με περισσότερα αντιδρώντα και μεγαλύτερες δεξαμενές, χωρίς ανάλογη αύξηση της μάζας της μονάδας παραγωγής ισχύος. Το τίμημα είναι οι δεξαμενές, οι μονάδες ηλεκτρόλυσης, τα βοηθητικά συστήματα και η χαμηλότερη απόδοση του συνολικού κύκλου σε σχέση με μια μπαταρία.
Οι κυψέλες καυσίμου έχουν μάλιστα ιστορία στη διαστημική τεχνολογία. Το Apollo χρησιμοποιούσε υδρογόνο και οξυγόνο που είχαν μεταφερθεί από τη Γη, παράγοντας ηλεκτρισμό και νερό για το πλήρωμα. Επρόκειτο όμως για κατανάλωση προαποθηκευμένων αντιδρώντων, όχι για κλειστό, αναγεννητικό σύστημα.
«Πυρηνικές μπαταρίες»
Για δεκαετίες, διαστημόπλοια έχουν λειτουργήσει πολύ μακριά από τον Ήλιο χάρη σε ραδιοϊσοτοπικές θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, γνωστές ως RTG (Radioisotope Thermoelectric Generators) Σε αυτές δεν υπάρχει ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση όπως σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Η θερμότητα παράγεται από τη φυσική ραδιενεργό διάσπαση ενός ισοτόπου, συνήθως πλουτωνίου-238, και μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό μέσω θερμοηλεκτρικών στοιχείων.
Το Pu-238 έχει χρόνο ημιζωής περίπου 87,7 χρόνια. Έτσι η θερμική ισχύς μειώνεται αργά και προβλέψιμα, ενώ η ηλεκτρική επηρεάζεται επιπλέον από τη γήρανση των μετατροπέων. Η μονάδα MMRTG των αρειανών ρομπότ Curiosity και Perseverance σχεδιάστηκε να παρέχει περίπου 110 W ηλεκτρικής ισχύος στην αρχή της αποστολής, ενώ η θερμική ισχύς του ραδιοϊσοτοπικού υλικού είναι περίπου 2.000 W. Δηλαδή, μόνο περίπου το 5–6% της θερμότητας γίνεται ηλεκτρισμός. Μέρος της υπόλοιπης θερμότητας αξιοποιείται για τη θέρμανση κρίσιμων συστημάτων και το υπόλοιπο πρέπει να απορριφθεί. Η αξία της RTG δεν είναι η υψηλή απόδοση αλλά η μακροχρόνια αξιοπιστία της.
Υπάρχουν επίσης μικρές ραδιοϊσοτοπικές μονάδες θέρμανσης, τα RHU, οι οποίες χρησιμοποιούν τη θερμότητα της διάσπασης χωρίς να παράγουν ουσιαστική ηλεκτρική ισχύ. Και αυτές λύνουν ένα συγκεκριμένο πρόβλημα: πώς να παραμείνει λειτουργικό ένα όργανο όταν το περιβάλλον του είναι πολύ ψυχρό.
Πότε χρειάζεται πυρηνικός αντιδραστήρας;
Ένας τυπικός πυρηνικός αντιδραστήρας σχάσης μπορεί να προσφέρει πολύ μεγαλύτερη και ελεγχόμενη θερμική ισχύ, ανεξάρτητα από την ηλιακή ακτινοβολία. Για να γίνει αυτή η ισχύς ηλεκτρική απαιτείται σύστημα μετατροπής: για παράδειγμα ένας θερμικός κύκλος με κινούμενα μέρη, όπως Stirling ή Brayton, ή άλλη κατάλληλη τεχνολογία. Προστίθενται επίσης ψύξη, θωράκιση, ηλεκτρονικά ελέγχου και σύστημα διανομής.
Το 2018 η NASA και το αμερικανικό Υπουργείο Ενέργειας ολοκλήρωσαν την επίγεια δοκιμή KRUSTY, επιδεικνύοντας τη λειτουργία ενός μικρού συστήματος σχάσης σε συνθήκες προσομοίωσης διαστημικής εφαρμογής. Οι αρχικές μελέτες του προγράμματος Fission Surface Power αφορούσαν συστήματα ηλεκτρικής ισχύος περίπου 40 kW. Τον Αύγουστο του 2025, η NASA έθεσε νεότερο στόχο ανάπτυξης σεληνιακού αντιδραστήρα ισχύος τουλάχιστον 100 kW, με μετατροπή θερμότητας σε ηλεκτρισμό μέσω κύκλου Brayton. Τον Ιανουάριο του 2026, η NASA και το Υπουργείο Ενέργειας επιβεβαίωσαν εκ νέου τη συνεργασία τους για την ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων. Όμως κανένας αντιδραστήρας σχάσης δεν έχει ακόμη εγκατασταθεί και λειτουργήσει στη σεληνιακή επιφάνεια.
Μια σεληνιακή ή αρειανή εγκατάσταση μπορεί να τοποθετεί τον αντιδραστήρα μακριά από τους χώρους διαβίωσης, να χρησιμοποιεί τη γεωμετρία του εδάφους ή κατάλληλη θωράκιση και να μεταφέρει την ισχύ με καλώδια. Αλλά η ακτινοπροστασία, η ασφάλεια εκτόξευσης, η δυνατότητα ασφαλούς τερματισμού και το ενδεχόμενο αστοχίας δεν εξαφανίζονται. Κάθε μέτρο προστασίας έχει τίμημα σε μάζα και πολυπλοκότητα.
Η ηλεκτρική ισχύς δεν είναι όλη η ισχύς που παράγει ένας αντιδραστήρας. Αν, για παράδειγμα, ένας υποθετικός σταθμός παρέχει 40 kW ηλεκτρικά με θερμική απόδοση 20%, πρέπει να παράγει περίπου 200 kW θερμότητας και να απορρίπτει γύρω στα 160 kW, εφόσον δεν τα αξιοποιεί αλλού. Το σύστημα ψύξης καθίσταται σε αυτήν την περίπτωση θεμελιώδες στοιχείο της αρχιτεκτονικής του σταθμού.
Και η πυρηνική σύντηξη;
Η σύντηξη εμφανίζεται συχνά ως η ιδανική μελλοντική λύση: τεράστια ενεργειακή πυκνότητα και δυνατότητα τροφοδοσίας αποστολών πολύ μακριά από τον Ήλιο. Η προοπτική είναι ελκυστική, αλλά δεν έχουμε ακόμη διαστημικό αντιδραστήρα σύντηξης που να παρέχει επιχειρησιακά ηλεκτρική ισχύ. Ακόμη και στη Γη, η μετάβαση από ένα πειραματικό σύστημα σε έναν αξιόπιστο σταθμό παραγωγής ενέργειας παραμένει σημαντικό τεχνολογικό ζήτημα.
Στο διαστημικό περιβάλλον θα προστίθεντο απαιτήσεις περιορισμού του πλάσματος, προστασίας των υλικών, θωράκισης όπου χρειάζεται, μετατροπής της θερμότητας σε ηλεκτρισμό και, ξανά, απόρριψης της απορριπτόμενης θερμότητας. Το ότι μια πηγή ενέργειας είναι εξαιρετικά πυκνή ως καύσιμο δεν σημαίνει ότι το πλήρες σύστημα θα είναι μικρό ή ελαφρύ. Για το προσεχές μέλλον, η σύντηξη ανήκει στις πιθανές μελλοντικές τεχνολογίες και όχι στις διαθέσιμες λύσεις σχεδιασμού μιας βάσης.
Το παράδοξο του κενού: η θερμότητα δεν έχει πού να πάει
Στη Γη μπορούμε να ψύξουμε έναν υπολογιστή ή μια γεννήτρια κυκλοφορώντας αέρα ή νερό και απορρίπτοντας τη θερμότητα στο περιβάλλον. Στο κενό του Διαστήματος δεν υπάρχει εξωτερικός αέρας για να μεταφέρει θερμότητα με συναγωγή. Η θερμότητα μπορεί να μετακινηθεί μέσα στο σκάφος με αγωγή ή κυκλοφορία ψυκτικού, αλλά για να εγκαταλείψει ένα κλειστό σύστημα χωρίς αναλώσιμο ψυκτικό πρέπει τελικά να ακτινοβοληθεί προς το περιβάλλον.
Ο νόμος Stefan–Boltzmann δίνει μια καλή εικόνα της δυσκολίας: P = ε · σ · A · (Tεπιφ.4 − Tπερ.4). Εδώ P είναι η καθαρή απορριπτόμενη θερμική ισχύς (W), ε ο συντελεστής εκπομπής (0–1), σ η σταθερά Stefan–Boltzmann (5,67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴)) και A η ενεργός ακτινοβολούσα επιφάνεια (m²). Οι θερμοκρασίες, με δείκτες «επιφ.» και «περ.», αφορούν την επιφάνεια απόρριψης και το περιβάλλον ακτινοβολίας, αντίστοιχα, σε Kelvin. Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία της επιφάνειας απόρριψης, τόσο μεγαλύτερη επιφάνεια απαιτείται για την ίδια ισχύ. Ας υποθέσουμε ότι ένα σύστημα πρέπει να απορρίψει 100 kW θερμότητας με επιφάνεια στους 350 K, δηλαδή περίπου 77°C, και συντελεστή εκπομπής 0,9. Σε ιδανικές συνθήκες, με ανεμπόδιστη θέα προς το ψυχρό Διάστημα και αμελητέα εξωτερική ακτινοβολία, απαιτούνται περίπου 130 m² αποτελεσματικής ακτινοβολούσας επιφάνειας.
Αυτό δεν είναι κατ’ ανάγκη 130 m² γεωμετρικού πάνελ: εξαρτάται αν ακτινοβολούν μία ή δύο πλευρές και αν υπάρχουν σκιάσεις ή θερμικές αλληλεπιδράσεις. Ούτε περιλαμβάνει τις σωληνώσεις, τις αντλίες, τα θερμικά σωληνάρια, τις δομές και τον μηχανισμό ανάπτυξης. Αν η θερμοκρασία του ψυγείου πρέπει να πέσει στους 300 K, η απαιτούμενη ενεργός επιφάνεια για τα ίδια 100 kW ανεβαίνει περίπου στα 242 m².
Το παράδειγμα αφορά καθαρή ακτινοβολία προς ένα ιδανικά ψυχρό περιβάλλον. Στην πράξη, η επιφάνεια του ψυγείου μπορεί να δέχεται ηλιακή ακτινοβολία, θερμική ακτινοβολία από το έδαφος ή ανακλώμενο φως. Επίσης, οι σωληνώσεις, οι αντλίες, οι δομές και οι μηχανισμοί ανάπτυξης αυξάνουν τη συνολική μάζα. Οπότε ενας μικρός πυρηνικός πυρήνας δεν συνεπάγεται μικρό σταθμό παραγωγής: η απόρριψη θερμότητας μπορεί να καθορίζει τις διαστάσεις ολόκληρης της εγκατάστασης.
Η ασφάλεια ως μέρος του ενεργειακού σχεδιασμού
Σε μια επανδρωμένη εγκατάσταση, η ηλεκτρική τροφοδοσία συνδέεται άμεσα με την επιβίωση. Απώλεια ισχύος μπορεί να σημαίνει απώλεια θέρμανσης, κυκλοφορίας αέρα, απομάκρυνσης διοξειδίου του άνθρακα, ελέγχου πίεσης ή επικοινωνίας. Για αυτό ο σχεδιασμός χρειάζεται πλεονασμό, εφεδρικές γραμμές, δυνατότητα απομόνωσης αστοχιών και διαχείριση φορτίων ανάλογα με την προτεραιότητά τους.
Η ανθεκτικότητα δεν προκύπτει υποχρεωτικά από το ότι υπάρχει μία μεγάλη γεννήτρια. Μπορεί να προκύπτει από διαφορετικές πηγές, κατανεμημένες μονάδες και αποθήκευση ικανή να καλύψει κρίσιμα φορτία αν κάποιο σύστημα σταματήσει. Αλλά και η υπερβολική πολυπλοκότητα δημιουργεί νέες πιθανότητες αστοχίας. Το ζητούμενο δεν είναι να τοποθετηθούν όλα τα διαθέσιμα συστήματα πάνω σε μια βάση. Είναι να προκύψει μια αρχιτεκτονική της οποίας οι αστοχίες έχουν προβλεφθεί και αντιμετωπίζονται.
Δεν υπάρχει μία απάντηση για κάθε σημείο
Η επιλογή παραγωγής ενέργειας στο διάστημα αλλάζει με τον προορισμό. Στη χαμηλή γήινη τροχιά, φωτοβολταϊκά και επαναφορτιζόμενες μπαταρίες αποτελούν δοκιμασμένη λύση. Στον Άρη, μια RTG προσφέρει ανεξαρτησία από τις αμμοθύελλες, αλλά με μικρή ηλεκτρική ισχύ. Στη Σελήνη, φωτοβολταϊκά και αποθήκευση μπορεί να επαρκούν για πολλές αποστολές, ενώ η συνεχής τροφοδοσία μεγάλης εγκατάστασης μπορεί να δικαιολογεί έναν αντιδραστήρα ή υβριδικό σύστημα.
Στον Δία, αποστολές όπως το JUICE και το Europa Clipper αποδεικνύουν ότι τα μεγάλα φωτοβολταϊκά παραμένουν δυνατή λύση. Πιο μακριά, οι ραδιοϊσοτοπικές γεννήτριες έχουν προσφέρει δεκαετίες λειτουργίας. Οι ανάγκες μιας μελλοντικής βάσης εκατοντάδων kW θα είναι εντελώς διαφορετικές από εκείνες ενός επιστημονικού οχήματος λίγων εκατοντάδων W.
Τελικά, πώς θα έχουμε ενέργεια μακριά από τη Γη;
Με τεχνολογίες που σε μεγάλο βαθμό γνωρίζουμε ήδη, αλλά συνδυασμένες διαφορετικά για κάθε αποστολή. Θα συνεχίσουμε να χρησιμοποιούμε φωτοβολταϊκά όπου ο Ήλιος επαρκεί, μπαταρίες για βραχυχρόνιες διακοπές και αιχμές φορτίου, κυψέλες καυσίμου όπου δικαιολογούνται από την αποθήκευση και τη διαθεσιμότητα αντιδρώντων, ραδιοϊσοτοπικές γεννήτριες για σταθερή ισχύ μικρής κλίμακας και ενδεχομένως αντιδραστήρες σχάσης για μόνιμες, ενεργοβόρες εγκαταστάσεις. Η επιλογή της μπαταρίας, από τη χημεία της έως τη θερμική της προστασία, θα εξαρτάται από το ίδιο ενεργειακό προφίλ και όχι από μια γενική κατάταξη τεχνολογιών.
Το δυσκολότερο μέρος ίσως δεν είναι η ίδια η παραγωγή ηλεκτρισμού. Είναι να εξασφαλίσεις ότι θα συνεχίσει να υπάρχει ακριβώς όταν τη χρειάζεσαι, ότι μπορείς να απορρίψεις τη θερμότητα που παράγεις και ότι το σύστημα θα λειτουργεί για χρόνια χωρίς τη δυνατότητα να καλέσεις συνεργείο.
