Zonnecellen, accu‘s en nucleaire accu’s worden al jaren gebruikt als energiebron in ruimtevaartuigen. Meetinstrumenten, camera‘s, navigatiesystemen en dergelijke hebben warmte en stroom nodig om in de ruimte te kunnen werken. Dat geldt ook voor de rovers die worden gebruikt om het oppervlak van een planeet te verkennen. Voor missies in zulke moeilijke omstandigheden zijn nieuwe, zuinige en duurzame energiebronnen nodig. En die wil NASA nu gaan produceren.
Het Amerikaanse ruimteagentschap wil een soort langzaam brandende accu’s ontwikkelen die computers en meetinstrumenten van ruimtevaartuigen in de toekomst van stroom kunnen voorzien. Ze zullen worden gebruikt voor de meest veeleisende missies in ons zonnestelsel; aan de schaduwzijde van planeten of op andere plekken waar nooit zonlicht komt.
Daarom heeft NASA in 2020 geld geïnvesteerd in twee onderzoeksafdelingen aan de University of Central Florida en de University of Texas. Zij houden zich bezig met de ontwikkeling van zo’n energiebron. Hun grootste uitdaging is om de accu gecontroleerd te laten branden, zodat deze een stabiele energiebron kan zijn tijdens lange ruimtemissies.
Accu’s niet krachtig genoeg
Accu’s en zonnepanelen zijn op zich niets nieuws voor NASA. De motoren, computers en elektrische systemen van de marsrovers Spirit en Opportunity kregen stroom van zonnecellen, en ’s nachts nam een back-upaccu het over.
Wetenschappers hebben gekeken naar verschillende materiaaldiktes en getest of magnesium, silicium of een ander materiaal het meest geschikt is als pyrolant. Hier is een baksteen doormidden gezaagd om te laten zien hoe de gloeidraad, als in een broodrooster, brandt.
Maar deze methode zorgde voor problemen omdat het stof van de grote stormen op Mars op de zonnepanelen terechtkwam en het zonlicht blokkeerde. Daarnaast vormen de nieuwe NASA-missies naar ijsmanen zoals Europa bij Jupiter of Enceladus bij Saturnus een heel andere uitdaging. De afstand tot de zon is dan zo groot, dat het lastig wordt om voldoende stroom op te wekken.
Het probleem waar NASA tegenaan loopt is dat zelfs de allerbeste accu’s zijn gebaseerd op lithiumiontechnologie die een energiedichtheid van maximaal 400 wattuur per kilo accu oplevert. De energiedichtheid geeft aan hoeveel energie er per kilo accu aanwezig is: hoe hoger de energiedichtheid, hoe groter het bereik. NASA heeft minstens 600 wattuur per kilo accu nodig voor zijn missies naar de ijsmanen, maar bijvoorbeeld ook voor bemande missies naar de maan, waarvoor ’s nachts een stabiele warmte- en stroombron nodig is.
Uit wetenschappelijke analyses blijkt dat er met de energiebronnen die de wetenschappers in Florida en Texas nu ontwikkelen, een energiedichtheid mogelijk is die vijf keer hoger ligt dan bij lithiumionaccu’s.
Ze hebben echter concurrentie van zogeheten nucleaire accu’s die een veel hogere energiedichtheid hebben dan lithiumionaccu’s. Een nucleaire accu is geen klassieke accu, maar is de populaire naam voor RTG-technologie, ofwel thermo-elektrische radioisotoopgenerator. Zo had de ruimtesonde Cassini tijdens haar reis naar Saturnus drie RTG’s aan boord. Iedere RTG bevatte een stuk plutonium-238, dat tijdens het verval warmte genereert. Deze warmte kan worden omgezet in stroom via een thermo-elektrisch element. Dankzij het verschil in temperatuur aan beide kanten van de module ontstaat er een spanningsverschil.
Toch heeft NASA een aantal goede redenen om op zoek te gaan naar een andere oplossing. RTG’s kunnen worden gebruikt als warmte- en stroombron tijdens ruimtemissies, maar ze zijn duur en misschien zelfs gevaarlijk voor de mensen die ze moeten installeren. Daarnaast is de voorraad plutonium op aarde ook beperkt. Verder wil NASA de plutoniumaccu’s liever gebruiken voor echt lange onbemande missies, omdat ze erg lang meegaan en het zonde is om ze voor korte missies te gebruiken.
Moeten 20 dagen stroom leveren
Pyrolanten worden al gebruikt als ontsteker in bijvoorbeeld noodfakkels en ze worden gezien als goedkopere en betrouwbaardere warmte- en stroombron dan nucleaire accu’s. Tegelijkertijd zijn ze veel krachtiger dan lithiumionaccu’s.
Pyrolanten zijn trage energiebron
Springstoffen verbranden snel
Explosies zijn een verbrandingsmethode waarbij een springstof ontploft – oftewel razendsnel uitzet met snelheden van 2400-6000 meter per seconde. Er ontstaat een drukgolf van zogeheten exotherme chemische reacties, waarbij een enorme hitte vrijkomt.
Brandstoffen zorgen voor gassen
Brandstoffen voor raketten branden langzamer dan springstoffen, maar sneller dan pyrolanten. Bij de verbranding van raketbrandstof vinden explosies plaats, waarbij volgens NASA gassen met snelheden van 2000-4500 meter per seconde uit de motoren wordt geperst.
Pyrolanten branden langzaam
Pyrolanten worden onder andere gebruikt in militaire lichtkogels, vanwege de langzaam brandende chemische reacties tussen metalen en zuurstof. In tegenstelling tot brand- en springstoffen branden pyrolanten met een gelijkmatige temperatuur en een betrekkelijk lage snelheid van minder dan een meter per seconde.
Ze bestaan meestal uit een metaalpoeder dat chemische verbindingen bevat tussen de elementen magnesium (of silicium) en borium. Als er zuurstof aan het mengsel wordt toegevoegd in de vorm van een oxidant, dat net als de metalen een vaste vorm heeft, vindt er een zogeheten oxidatie plaats waardoor het materiaal ontbrandt. In tegenstelling tot bijvoorbeeld raketbrandstof of springstoffen branden pyrolanten heel langzaam en zonder gassen uit te stoten. Wetenschappers kunnen dit gebruiken om een stabiele energiebron te ontwikkelen die volgens NASA 20 dagen lang warmte en stroom kan leveren in een ruimtevaartuig.
De warmteontwikkeling ontstaat aan het zogeheten reactiefront in de pyrolant. En terwijl de pyrolant verder opbrandt, beweegt dit front zich langzaam maar zeker in rondjes, een beetje hetzelfde zoals muggen vliegen. Aan het reactiefront vindt een chemische reactie plaats, waarbij warmte ontstaat als het metaalmengsel, dat zelf de brandstof is, en de oxidant met elkaar reageren. De warmte produceert vrije zuurstofmoleculen die het metaal voor zich oxideren en zo het het proces in spiraalvorm voortzetten.
Pyrolant moet werken in extreme omstandigheiden
NASA wil deze technologie onder andere gebruiken op Europa, een van de manen van Jupiter. Ondanks de lage temperaturen en kilometers dikke ijskappen staat Europa hoog op het NASA-lijstje van buitenaardse bestemmingen waar leven zou kunnen zijn.
Magnesium verbrandt langzaam
Magnesium werkt als een brandstof – een pyrolant. Tijdens een verbrandingsreactie reageert het met het zuurstof in lithiumoxide, waardoor de spiraalstructuur langzaam begint te branden. De zuurstof uit de lithiumoxide maakt zich los en reageert met magnesium. Hier komt veel warmte bij vrij die de verbranding in stand houdt en gebruikt kan worden als energie voor de ruimtesonde.
Isolatiecapsule houdt warmte vast
De verbranding vindt plaats in een container van magnesiumsilicaat, een isolatiemateriaal dat warmte bij hoge temperaturen geleidt. Als de container volledig van metaal zou zijn, zou de capsule veel heter worden. Een warmtewisselaar onderin zorgt ervoor dat de warmte terechtkomt waar hij nodig is.
Warmeluchtmotor wekt stroom op
De warmte wordt vervolgens omgezet in stroom via een zogenoemde Stirling-cyclus. In feite is dit een warmeluchtmotor die werkt op basis van temperatuurverschillen die ontstaan als gas, in dit geval argon, heen en weer wordt verplaatst tussen een warme en een koude kamer. Het rode deel van de zuiger zit het dichtst bij de warmtebron. Hier zet het gas door de warmte uit, waardoor de zuiger naar beneden wordt geduwd.
De koude kamer duwt de zuiger terug
In de koude kamer wordt de lucht samengeperst, waardoor de zuiger weer terug wordt geduwd naar de warme kamer. Als de zuiger wordt aangesloten op een generator, wordt er stroom opgewekt die gebruikt kan worden voor de computers en meetinstrumenten in het ruimtevaartuig.
In 2019 bevestigde NASA dat er honderden kilometers grote geisers vol zout water uit de ijskappen spuiten. Overal op aarde waar water is, is ook biologisch leven. En door deze ontdekking zijn astronomen nog vastberadener geworden om Europa in de nabije toekomst verder te onderzoeken.
Misschien leven er wel micro-organismen of zelfs vissen of andere zeedieren onder het ijs. Maar voor expedities in de donkere diepzee zijn extreem duurzame energiebronnen nodig, die niet afhankelijk zijn van zonlicht. Hier wil NASA bijvoorbeeld de pyrolantaccu’s gebruiken.
Maar deze technologie is niet alleen handig op koude ijsplaneten zoals Europa. De tweede planeet van ons zonnestelsel, Venus, heeft een oppervlaktetemperatuur van 465 graden Celsius en een druk die ruim 90 keer groter is dan die op aarde – niet een heel gastvrije omgeving dus. Er bestaan op dit moment geen nucleaire accu’s die kunnen werken onder dit soort extreme omstandigheden, maar de verwachting is dat pyrolantaccu’s dit klimaat wel kunnen trotseren en meet- en koelsystemen van elektriciteit kunnen voorzien.
Kan bijtanken op planeten
NASA hoeft ook niet alle brandstoffen voor de pyrolantaccu’s mee te sturen – sommige planeten hebben zelf brandstof op voorraad. Volgens NASA en de wetenschappers zijn er twee manieren waarop een pyrolant van lithiummetaal aan oxidanten kan komen – uit het kooldioxide in de atmosfeer of de bodem van planeten zoals Venus en Mars, of uit het water op de Jupitermaan Europa. Door brandstof van de aarde mee te nemen en aan te vullen met een oxidant zodra het ruimtevaartuig geland is, kan de levensduur van de brandende accu in principe worden verlengd.
De accu wordt aangesloten aan de andere kant van het warmteschild, om te voorkomen dat hij stuk gaat vanwege de hitte. Tegelijkertijd komt hij aan de andere kant te zitten van alle instrumenten, zodat hij rustig zijn werk kan doen, zonder de technologie aan boord te beïnvloeden.
De wetenschappers hopen een soort ‘conceptversie’ van de brandende accu te kunnen presenteren zodra ze hun driejarige onderzoek hebben afgerond. Dit prototype moet bewijzen dat het principe in de praktijk werkt en dat het een langdurige warmteontwikkeling van meer dan 700 graden Celsius mogelijk maakt. Die warmte kan vervolgens worden omgezet in kamertemperatuur via een warmtewisselaar en in elektriciteit via een thermo-elektrisch element.
Maar ze zien ook mogelijkheden voor deze ruimteaccu’s hier op aarde. Bijvoorbeeld tijdens een natuurramp, zoals een orkaan of aardbeving, waarbij het elektriciteitsnet uitvalt, kunnen pyrolantaccu’s gebruikt worden als back-upsysteem voor de inwoners in de getroffen gebieden. En zo zou deze technologie die gebruikt gaat worden om onderzoek te doen in de verste uithoeken van ons zonnestelsel ook heel nuttig zijn voor de mensen hier op aarde.