Hooffoto: ‘n Plutonium-238-korrel, die isotoop wat gebruik word om hitte in RTG’s op te wek wat elektriese energie aan die Voyager-ruimtetuig verskaf. As gevolg van kernverval word hitte opgewek wat die korrel rooi laat gloei. Foto-erkenning: Los Alamos National Laboratory. 

Na aanleiding van die energie-artikel in ons vorige nuusbrief ontvang KragDag se kantoor… knipoog, knipoog…  ‘n oproep vanuit Pasadena, Kalifornië. Dit was Dr Michael J Watkins, direkteur van die  Jet Propulsion Laboratry (JPL) wat verantwoordelik was vir die aanmekaarsit van die Voyager 1 en Voyager 2 verkenningsruimtetuie. Hy vertel ons toe dat hulle ‘n  Multihonderd-watt Radio-isotooptermo-elektriese Generator (MWH-RTG), wat addisioneel vir die Voyager-program gebou is daar by hulle in ‘n stoor ontdek het. Vra hy ons: “Het julle dalk nut vir hierdie substelsel?” Dit laat ons toe wonder… in terme van kraglewering, wat kan ‘n mens van so-iets verwag en vir hoe lank? “Nee…” op ‘n tipese Suid-Afrikaanse manier wat eintlik ‘Ja’ beteken, “…ons stel beslis belang, ons wil net graag so ‘n paar sommetjies gaan maak”.

Planeetbelyning – ‘n Eenmaal in ‘n leeftyd geleentheidsvenster

Baie vroeg reeds in hierdie ruimte-eeu het berekeninge getoon dat met ‘n enkele ruimtetuig, wat láát in die 1970’s gelanseer sou word, dit moontlik sal wees om die 4 groot buiteplanete, Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus te besoek. Dit kan gedoen word deur die ruimtetuig telkens na die volgende planeet te slinger deur van die gravitasie-sweepslagtegniek  (gravitational slingshot) gebruik te maak. So ‘n geleentheid doen homself net elke 176 jaar voor! Met hierdie beginsel kan ‘n ruimtetuig se rigting en snelheid, met behulp van ‘n hemelliggaam se gravitasie, verander word en sodoende ‘n enorme hoeveelheid brandstof bespaar.

Sodra ‘n ruimtetuig in die rigting van ‘n planeet beweeg begin dit onder daardie planeet se gravitasie versnel. Op ‘n sekere stadium word die ruimtetuig in ‘n wentelbaan om die planeet geplaas wat die ruimtetuig se rigting laat verander. Wanneer die ruimtetuig in ‘n posisie is waar die verlangde nuwe rigtingslyn ‘n raaklyn vorm met die wentelbaan waarin die ruimtetuig is, word die ruimtetuig se vuurpylstuwers (thrusters) aangeskakel wat dan die ruimtetuig uit sy wentelbaan in die verlangde nuwe rigting versnel. Op díe wyse is die twee Voyagers tussen die planete gestuur.

Voyager-sendings

Die Voyagerprogram is ‘n NASA/JPL-inisiatief waartydens twee ruimteverkenningsruimtetuie in 1977 met behulp van Titan IIIE vuurpyle die ruimte ingestuur is. Hierdie twee ruimtetuie was bestem om te reis waar geen mensgemaakte voorwerp nog ooit was nie. Die primêre missie van die ontdekkingsreis was om Jupiter en Saturnus te gaan verken, waartydens verskillende ontdekkings gemaak is soos aktiewe vulkane op Jupitermaan, Io, asook die verwikkeldhede rondom Saturnus se ringe. ‘n Groot aantal foto’s is geneem wat na die aarde teruggesein is.

Verskeie probleme is tydens die reis ondervind wat telkens op vernuftige wyses reggestel of omseil is. So was daar ‘n faling op die hoofradio-ontvanger van Voyager 2. Die stelsel was só ontwerp dat dit outomaties na die rugsteunontvanger sou oorskakel, sou die hoof-ontvanger nie seine ontvang nie. Vroeg gedurende die sending, was net die rugsteunontvanger beskikbaar vir kommunikasie. Tydens ‘n verdere terugslag is uitgevind dat ‘n kapasitor in die rugsteunontvanger gefaal het, wat veroorsaak het dat die ontvanger net uitsendings op ‘n baie spesifieke frekwensie kon ontvang. Weens die Doppler-effek as gevolg van die aarde se rotasie, het die frekwensie van die sein wat deur ruimtetuig ontvang is van tyd tot tyd verander. Ingenieurs het die probleem oorkom deur vir elke uitsending die uitsendingsfrekwensie in ooreenstemming met die Dopplerverandering aan te pas.

Nadat die primêre missie suksesvol voltooi is, is besluit om die Voyagerprogram uit te brei. Voyager 2 is aangesê om Uranus en Neptunus te gaan verken. Daarna sou beide ruimetuie se missie verander na ‘n tussenster (interstellar)-ruimtesending met die oogmerk om die sonnestelsel anderkant die verste planete en in die gebied waar die son se invloedsfeer ophou, te gaan verken.  Tans, na meer as  43 jaar ná lansering,  het beide die ruimtetuie die tussenstergebied bereik. Voyager 1 is ongeveer 22 500 miljoen kilometer van die aarde af. Voyager 2, wat ‘n draai by Uranus en Neptunus gaan maak het, is sowat 18 500 miljoen kilometer van die aarde af. Beide tuie spoed voort teen ‘n snelheid van ongeveer 58 000 km/h. Radioboodskappe vanaf die  Voyagers neem tussen 17 en 21 ure om die aarde te bereik. Die verkenningstuie is steeds operasioneel en stuur steeds inligting na die aarde.

Maar, na meer as 43 jaar, begin die energie wat deur die MWH-RTG kernbatterye aan boord opgewek word te taan. Al die instrumente en toerusting aan boord het elektriese energie nodig om te funksioneer. Omdat dit so koud is in die buiteruim moet hitte-energie ook voorsien word om ‘n operasionele omgewing in die tuig te skep. Weens die gedurige vermindering van energielewering van die kernbatterye sal die tuie, na verwagting, nog net so 5 benut kan word. Om die lewe van die  sending te verleng is ‘n streng energiebestuursplan op die tuie geïmplementeer deur die aanwending van substelsels te prioritiseer. Lae prioriteitsubstelsels se verhitting word met verdrag afgeskakel in ooreenstemming met die beskibare energiebegroting. Op hierdie wyse word die onafwendbare uitgestel.

Voyager Kernbattery 

Terug by NASA se “telefoonoproep en aanbod” aan Kragdag. Beide Voyager 1 en 2 se elektriese energie word voorsien deur ‘n stel van 3 MHW-RTG’s of kernbatterye, wat deur ‘n verlengingsbalk aan die tuie gekoppel is. Elke kernbattery weeg 37,7 kg wat 4,5 kg van die radio-aktiewe isotoop, Plutonium-238 bevat. Die halfleeftyd van Plutonium-238 is 87,7 jaar. Elke kernbattery bevat 24 saamgeperste plutonium-238-oksiedballe en het tydens lansering ongeveer 2400 watt hitte-energie deur radio-aktiewe verval opgewek. Die drywingsuitset van die MHW-RTG halveer elke 87,7 jaar. Na 43 jaar is die hitte-energie-opwekking van elke kernbattery dus ongeveer 1800 watt.

Die hitte in die plutoniumballe opwek, word in elektrisiteit omgesit deur van 312 silikon-germanium (SiGe) termo-elektriese omsetters gebruik te maak. Hierdie soort van omsetters wek elektrisiteit op as gevolg van ‘n temperatuurverskil tussen die warm- en kouekant van die omsetter. Aanvanklik was die temperatuur aan die warmkant ‘n 1000 ⁰C terwyl die koue kant ongeveer 300 ⁰C was – ‘n temperatuurgradient van ongeveer 700 ⁰C. Hierdeur is ongeveer 157 watt elektriese drywing in die RTG opgewek. Die hele kernbattery het tydens lansering ongeveer 470 watt elektriese drywing opgewek. Tans wek die Voyagerkernbattery ongeveer 350 watt op.

Dit maak perfek sin dat termo-elektriese omsetters of koppels op die Voyagerruimtetuie gebruik is. Dit is beslis egter nie die mees doeltreffende manier om elektrisiteit op te wek nie. Die doeltreffendheid van die Voyager kernbattery is ongeveer 6,5%. Dit is ook vir ons onduidelik of die hitte wat die plutoniumballe opwek enigsinds aangewend word om die ruimtetuie self te verhit.

As ons die RTG vanaf JPL sou ontvang, maak dit nie sin om die termo-elektriese omsetters te gebruik nie. Ander maniere van hitte na elektrisiteitsomsetting is meer sinvol. Stoomturbines of stoomenjins se doeltreffendheid is heelwat hoër as termo-elektriese koppels. Daar is aanduidings dat ‘n stoomenjin se doeltreffendheid tot so hoog as 46% kan wees! Tans is die RTG in die stoor se hittedrywingslewering 1800 watt. Na ‘n verdere 40 jaar sal die Plutounium-238 ‘n halfleeftyd in bedryf wees en sal dit ongeveer 1200 watt opwek. Gestel ons kan ‘n stoomenjin-generatorkombinasie kry wat met ‘n doeltreffendheid van 25% werk. Ons kan dan met díe stoomenjin-generator tans ongeveer 450 watt opwek en na ‘n verdere 40 jaar ongeveer 300 watt. Drywing van 450 watt verteenwoordig 10,8 kWh per dag (3 942 kWh per jaar) en 300 watt na ‘n verdere 40 jaar verteenwoordig 7,2 kWh per dag of 2 628 kWh per jaar. Volgens ‘n KragDag-artikel is die gemiddelde huishoudelike energieverbruik in Suid-Afrika ongeveer 7000 kWh per jaar. By ‘n ander KragDag-artikel kan ‘n sjabloon afgelaai word waarvolgens ‘n huishouding se energieverbruiksprofiel bepaal kan word. Indien kogenerasie saam met die stoomenjin-generator aangewend word vir waterverhitting en gas vir kookdoeleindes gebruik word kan met versigtige energiebestuur aan die direkte elektrisiteitsbehoeftes van ‘n huishouding voorsien word.

Wat is die prys van Plutonium-238?

Terwyl ons die artikel met ‘n tong-in-die-kies aanbod van JPL aan KragDag ingelei het, moet ons nie die indruk probeer skep dat Plutonium-238 somaar uitgedeel sal word nie! Pu-238 is baie skaars. Omdat Pu-238 ‘n byproduk was in die vervaardiging van kernwapens, het die produksie daarvan na die beëindiging van die Koue Oorlog tot stilstand gekom.

Pu-238 is gebiedend noodsaaklik om ruimteverkenningsreise wat ver van die son af gedoen word. Beskikbare reserwevoorraad word tans op ongeveer 35 kg geskat. As gevolg van kernverval is slegs die helfte van hierdie voorraad “vars” en warm genoeg vir aanwending.

NASA het hierdie probleem probeer ondervang deur die Federale Departement van Energie (DOE) te versoek om Pu-238 te vervaardig. Die DOE het onderneem om sowat 1,5 kg per jaar te lewer. Weens befondsingsprobleme kon hierdie mikpunt nog nie bereik word nie. Die koste verbonde aan die vervaardiging van Pu-238 is geweldig hoog. Omvattende infrastruktuur moet geskep word om slegs ‘n klein hoeveelheid Pu-238 te vervaardig.

Dit lyk op hierdie stadium om aan die Pu-238 behoefte van NASA te voldoen sal die prys ongeveer  $6-miljoen/kg moet wees. Hierdie prys laat ‘n 20% Opbrengs op Belegging (ROI) toe. ‘n Ander skatting wat gemaak word is dat dit $8,8-miljoen per kg sal kos om te vervaardig en dat ‘n belegging van meer as $150-miljoen om die produksiefasiliteit daar te stel nie hierby ingereken is nie. Rofweg lyk dit dus of een ons-gewig Pu-238 ‘n Suid-Afrikaner ten minste R3-miljoen uit die sak sal jaag!

In plaas van om die geskenkte kernbattery vir huishoudelike kragopwekking te gebruik sal ‘n mens dus eerder die RTG verkoop en die geld aanwend om ‘n hele paar sonkragstelsels te koop!