Ett förslag.

Alla kommuner försöker utmärka sig. dom försöker visa att vi minsann tar utbildning på allvar för alla som kan tänkas flytta till kommunen. De försöker visa att här ger vi ungdomar en fin fritid i alla längder. Ridhus åt flickorna och hockey hallar åt pojkarna. förlåt jag vet stereotypisk men jag försöker göra en poäng. Företagen tar fram en ficklampa och söker efter ingenjörer och välutbildad personal. Ofta hör man företagsledare säger "vi söker högskoleutbildad personal". Men om ungdomarnas fritid är sport. fotboll kan ge en fin laganda, ridning ger säkerligen självförtroende. Jag vill absolut inte ta något i från dessa sporter. Men det fins ingen vetenskap i detta. Inte alls. Så min ide är ett teleskop.

Snarare en enklare anläggning med ett kontor, konferens rum, torn för stjärnkikare och ett för att observera solen. Och möjligt ett fik.Detta behöver inte kosta mycket pengar men det kan ge en profil åt kommunen. Att här utbildar vi framtidens forskare eller ingenjörer. företags sponsorer skulle få något fint att namnge som inte andra har. Alla företag har en arena eller hall namneget efter sig. Min ingen jag har funnit har ett observatorium efter sig.

Det fina är att i dag kan man hjälp av internet koppla sig mot  hela världen och visa det man ser. Det blir möjligt att en skola läser om solen och då får de i klass rummet se solen live med möjlighet att byta filter och göra anteckningar om skillnader de ser.

Nästa vecka för de se Jupiter eller Mars  och se vad som händer där. göra antekingar om vad de ser och kanske se nästa dag ur alt har förändrat sig.

Jag tror att detta gör mer för en kommun än vad en ishall eller konstgräs plan kan göra och jag kan bara önska att jag fick vara med att göra detta,

Jupiter och inte bara fakta.

Jupiter har länge fascinerat mig. Den är stor den har ränder och den är färgglad! Varför skulle man inte gilla den? Sen att den är lätt att se är inget negativt! Detta gör att man lätt fastnar för Jupiter. Jag vill rekommendera att om man inte har något annat för sig att gå ut med en kikare och tittar på Jupiter och dess månar, de syns lätt med en kikare och du får se det som fick Galileo i så mycket problem med kyrkan. Du kan även föra anteckningar och beräkna månarna färd runt Jupiter. De är väldigt tydliga.

Jupiter är 2/3 av solsystemet om man exkluderar solen. så om en benskådare utifrån beskådar oss  ser den troligen en normal stjärna med en gasjätte.

Men färgerna då? för att se dessa behövs ett teleskop. och med ett normalt (<200mm öppning) så ser man många linjer eller 5-6 st och möjligen den röda fläcken. med ett större sen man mer detaljer.  Den röda fläcken är väl det första folk tänker på och den är fascinerade, absolut! En storm som har varit aktiv i över 200 år är fantastisk. Inget annat sätt att se på det.

Det finns många som hävdar att Jupiter räddar livet på jorden. Jag vet inte om det är sant eller inte, jag har hört alla argument. Jupiter dammsuger solsystemet på kometer. ok det är lätt att köpa men är inte solen otroligt mycket mer massiv och borde dammsuga mer? Troligt det med. så bägge dammsuger, Ganska troligt. sedan kan det vara så att Jupiter rubbar kometer banor och vi blir måltavla för stenar och is.

Alla dessa månar! i min ungdom då fick vi veta att Jupiter hade hela 11 månar! Men det var inget! Jupiter har nu 63 st. Så desto mer vi söker desto mer får vi reda på!

Skulle det inte vara underbart om vi i Sverige inte var så stolta över att vi bygger strids flygplan och istället var den andra nationen som bygger satelliter till Jupiter. Det skulle ge måna Ingenjörer jobb och långt mycket mer PR till Sverige än ett flygplan kan göra. Dessutom vem kan bli upprörd över att en satellit tar bilder och mät data. Flygplan finns att köpa men forskningsresultat måste tas eller vara på andra plats.

Jupiter "just the fact!"

Här kommer det torr fakta utan några roliga bilder. 

Ingen fin romantisk bild av den röda fläcken. 

Så för er som vill ha siffror var så god!

Genomsnittligt avstånd från jorden  5.26 au eller 43.7 ljus minuter
Genomsnittligt avstånd från solen 5.20945576 au 43.3257224 ljus minuter
Största avstånd från omloppsbanans mitt 8.1608146×10^8 km eller 5.45516759 au
minsta avstånd från omloppsbanans mitt 7.407426×10^8 km eller 4.95155843 au
semimajor axis  5.20336301 au
semiminor axis  5.19726669 au
eccentricity  0.048392660
inklination 1.3053°
mean anomaly 66° 43.27'
orbital period 11.862615 Julian år
apperent varv prograde
Genomsnittlig heliocentrisk hastighet 13 km/sapparent magnitud  -1.92 

Synlig för ögat
vinkel diameter 31.405"
ekvatorial radie 71492 km 11.209 a_(+)
polar radie 66854 km 10.482 a_(+)
volym  1.43×10^24 m^3 1400 gånger jorden volym
ytans area 6.15×10^10 km^2 120.2 gånger jordens yta
oblateness 0.0649
massa 1.8988×10^27 kg eller 317.94 gånger jordens
genomsnittlig densitet 1.33 g/cm^3 0.241 gånnger jordens densitet
gravitation 23.12 m/s^2 (2.358 g)
flykt hastighet 59540 m/s eller 5.33 jordens flykt hastighet
rotation period  9.925 h 
dygnslängd 9 h 55 min 33 s
ekvatorial hastighet 12572 m/s 27.031gångger jordens hastighet
rotation frekvens 2.4181 varv/dag (ekvatorial)
albedo 0.52 

atmosfärisk tryck 0.3 bars  (vid dom synliga molnen)
genomsnittligt temperatur  -108 °C  (vid 1 atm)

Vanliga grundämnen

väte  (H_2) (85.1 to 87.5)%
helium  (He)(14 to 16.3)% 

antal kända månar  63  
Kända månar 

Metis 

Adrastea 

Amalthea

Thebe

Io 

Europa

Ganymede

Callisto

Themisto

Leda

Himalia

Lysithea

Elara

S/2000 J11

S/2003 J12

Carpo

Euporie

S/2003 J3

S/2003 J18

Orthosie

Euanthe

Harpalyke

Praxidike

Thyone

S/2003 J16

Iocaste

Mneme

Hermippe

Thelxinoe

Helike

Ananke

S/2003 J15

Eurydome

Arche

Herse

Pasithee

S/2003 J10

Chaldene

Isonoe

Erinome

Kale

Aitne

Taygete

S/2003 J9

Carme

Sponde

Megaclite

S/2003 J5

S/2003 J19

S/2003 J23

Kalyke

Kore

Pasiphae

Eukelade

S/2003 J4

Sinope

Hegemone

Aoede

Kallichore

Autonoe

Callirrhoe

Cyllene

S/2003 J2 

Energival i extrem miljö

ICU

Energival i extrem miljö

En studie av Voyagerprogrammets energival.

Thomas Tranåker

2013-05-06

Sammandrag

Denna tekniska rapport berör valet av energiförsörjning för Voyagerprogrammet. Var den riktig 1977 och skulle den vara riktig 2009? Valet av en RTG- reaktor har visat sig vara riktig 1977, men beaktades utifrån storleken och den följande massa som skulle krävas. Med 2009 års teknologi blev förvisso möjligheterna bevisligen bättre men var fortfarande hindrade av den påföljande volymen och massan. Gränsen att bedriva ett uppdrag med solceller har visserligen förflyttats längre ut från solen. Trots detta är det inte möjligt att genomföra ett uppdrag som Voyager 1 och 2 med solceller utan att massan och volymen blir för stor.

 

Innehåll

1 Inledning för Voyager-probernas energiförsörjning. 4

2 Metod. 4

3 Avgränsning. 4

4 Frågeställningar 4

5 Urvalet 4

6 Procedur 5

7 Historisk överblick över Voyagerprogrammet 5

8 Konstruktion och uppbyggnad av Voyager-satelliterna i stora drag. 6

9 Solcellerna. 6

10 MHW-RTG- batterierna. 8

11 Tillgodose energi 10

12 Slutsats. 14

13 Svagheter i rapporten. 15

14 Källor 16

15 Bilagor 17

 

1 Inledning för Voyager-probernas energiförsörjning

Med denna rapport är det tänkt att förklara varför urvalsprocessen utföll till att använda ett radioaktivt isotop-batteri ur en ekonomisk och en teknologisk synvinkel samt hur valen skulle ha sett ut med dagens teknik.

2 Metod

Datainsamling sker framförallt över Internet på sidor som Nasa.gov, JPL.gov och Cosmoquest.org samt genom direktkontakt med forskare och ingenjörer med kunskap i ämnet via e-post. Sedan behandlas data med en trovärdighetsvärdering, och om möjligt en sekundärdatakälla. Data sammanställs och presenteras i skriftlig form. Bilder används för att visa detaljer i utseende och placering. Diagram används som illustrationer av matematiska begrepp. Se även medvetna svagheter i analysen.

3 Avgränsning

Denna rapport är avgränsad enligt följande: Solceller är valda efter teknik som var tillgänglig vid Voyagerprogrammets start samt en solcell som är i aktivt bruk i dag. Ingen hänsyn till batteriers vikt har iakttagits med argumentet att satelliten i teorin skulle kunna fungera utan. Bara en RTG-typ används, vald efter den som har varit i drift sedan 1977 tills 2013. Även om andra finns så är det ingen som har varit i drift under detta tidsspann. Endast material från det amerikanska rymdprogrammet har använts därför att endast det amerikanska rymdprogrammet har gjort en liknande resa, även om andra nationer skulle ha kapacitet att genomföra ett liknade uppdrag.

4 Frågeställningar

Är valet av en RTG reaktor baserad på begränsningar i solcellers möjlighet att tillgodose energi under en längre tid och på stora avstånd från solen? Var valet korrekt 1977 och skulle slutsatsen falla ut på ett liknande sätt med dagens teknik?

5 Urvalet

Urvalet är baserat på huruvida materialet berör ämnet eller tillför ej tidigare känd information. Material med information som inte går att bekräfta eller dubbelkontrollera har ignorerats.

6 Procedur

Marialet har inhämtats med hjälp av Internet och mejlkontakt med berörda myndigheter eller personer med kunskap inom ämnet. Vikter och längder eller volymer beräknas på uppgifter som har bekräftats av Jia-Rui Cook/JPL, Enrique Medina/JPL och Geoffrey Landis på NASA.

7 Historisk överblick över Voyagerprogrammet

Under 1960-talet fanns en dröm om att göra en stor resa. En resa av utforskning och för att sträcka på det mänskliga medvetandes gränser. Detta gav NASA[1] möjligheterna att planera och bygga ett uppdrag som skulle besöka de stora gasjättarna i det yttre solsystemet. Planerna möjliggjordes genom ett lyckligt sammanträffande av planeternas position som gjorde det möjligt att med hjälp av planeternas gravitationsfält besöka fyra av de fem stora gasjättarna som finns i solsystemet. Det var tänkt att programmet skulle ingå i Mariner[2]- serien av satelliter. Voyager 1 skulle benämnas som Mariner 11. Men medan tiden förlöpte ändrades så mycket i programmet så att även namnet ändrades till Voyager. Efter mer än 30 år är satelliterna fortfarande fungerande. Projektet tog sin start 1977 då Mariner Jupiter/Saturn döptes om till Voyager. Den 20 augusti 1977 startar Voyager 2 från Kennedy Space Center och den 5 september samma år startar Voyager 1 från Kennedy Space Center. Den 5 mars 1979 har Voyager 1 sin närmsta position till Jupiter och den 9 juli samma år har Voyager 2 sin närmsta position till Jupiter. Den 12 november 1980 passerar Voyager 1 Saturnus och startar sin resa ut ur solsystemet. Voyager 2 passerar Saturnus den 25 augusti 1981. 1982 uppgraderas DSN[3] från två 26 meters antenner till två 34 meters antenner. Den 24 januari 1986 passerar Voyager 2 Uranus och DNS uppgraderas till två 70 meters antenner. 1987 observerar Voyager 2 supernova 1987A. 1988 tar Voyager 2 de första färgbilderna av Neptunus. Den 25 augusti 1989 utför Voyager 2 de första mätningarna av Neptunus och Voyager lämnar solsystemet. 1990 börjar Voyagerprogrammet sitt interstellära uppdrag. Den sista bilden av Voyagerprogrammet tas den 14 februari 1990. Den 17 februari 1998 kör Voyager 1 om Pioneer 10 och blir det mest avlägsna objektet som mänskligheten har skapat. Voyager 1 passerar den 15 december 2004 solsystemets terminalchock. Den 5 september 2007 passerar Voyager 2 solsystemets terminalchock[4]. Båda satelliter fungerar fortfarande och levererar vetenskapliga mätningar.

8 Konstruktion och uppbyggnad av Voyager-satelliterna i stora drag

Voyager 1 och 2 designades av JPL[5] . Kontrollen sköts av 16 dysor[6] som drivs av Hydrazine[7] (N₂H₄). Navigationen görs möjlig av ett treaxlat gyroskop samt en sol/stjärn-sensor som kopplas till en altitud- och vinkelkontroll under system (AACS[8]). med backup-system och 8 dysor i reserv och 11 vetenskapliga instrument. Kommunikationen sköts av en parabolantenn på 370 cm i diameter med en dataöverföringskapacitet på 115 kilobit per sekund på ett avstånd av 5 AU, effekten är på 25,8 W. Kraftkällan är 3st MHW-RGT [9]reaktorer som har vardera 158 watt elektricitet och 800 watt värme vid start. Dessa reaktorer är monterade på ett stag.

9 Solcellerna

För att veta hur effektiva solcellerna är kan man inte beräkna deras egenskaper på jordens yta, utan det tvingande värdet för en korrekt beräkning blir en solkonstant[10] på 1368 W/m². Med detta värde är det möjligt att se hur effektiva de är, och hur mycket effekt som beräknas levereras av solcellerna. 1977 var de bästa solcellerna kapabla till en effektivitet med 105W/m2 vid ett avstånd på 1AU. År 2009 var siffran 376,2W/m2 vid ett avstånd på 1 AU[11]. Detta ger att Mariner har en solcell med effektivvärde på 105/1368=7,68 %. Vikten har kalkylerats på följande sätt: det är känt är att cellerna var 0,3mm tjocka med 0,25 mm glas ovanpå som ger en tjocklek på 0,55 mm. Vidare är det känt att deras yta var på 2,7 * 1,0 m som ger 2,7 m². Så vikten är 0,55mm*2,7m*1m*densiteten av silikon. Uträkningen blir 0,00346 m³ * 2330 kg/m³. Vikten beräknas då till 3,46kg. Av 2,7 m² var 94 % täckta av solceller vilket innebär att 2,538m² var energigivande yta. Detta betyder att Mariner kunde leverera 266,49 W på 1 AU.

Och LRO[12] har en solcell med effektivvärde [13]på 376,2/1368=27,5 %.

Av detta kan man se en markant historisk utveckling som sträcker sig från 1977 till 2009 med en ökning på 358 % i effektivitet. Men är detta tillräckligt för att tillverka och repetera det Voyager åstadkom med solceller istället för en användning av RTS reaktorer? Först måste det bli känt hur mycket energi som finns tillgängligt vid olika avstånd i rymden. Vad som valts är de olika kända objekten i solsystemet. I denna rapport är effektivitetsminskningen bortsedd för solcellernas del. Detta val beror på att data rörande cellernas livslängd från 1975 saknas.

Risker med solceller måste antas vara små då de inte innehåller något som kan klassas som radioaktivt eller brandfarligt under normala förhållanden. Den största risken är att de fallerar under utvecklingsfasen.

10 MHW-RTG- batterierna

Dessa batterier har en unik uppbyggnad av en värmekälla och ett termoelement[14]. Dessa är oftast benämnda som radioisotopgenerator. Värmekälla är oftast ²³⁸Plutoniumoxid (²³⁸PO₂), ²⁴⁴ Curium (²⁴⁴Cm) eller ⁹⁰Strontium (⁹⁰Sr). Andra isotoper har använts men dessa är de vanligaste. Men i MHW-RTG användes ²³⁸PO₂ som värmekälla. Dessa radioaktiva isotoper kläs in i ett kolbaserat material som omsluts av ett hölje för att klara av olyckor.

Figur 1 En pellet av plutonium oxid glöder röd av sitt egna sönderfall

Vid start var den nominella effekten 470W och en beräknad livslängd på konstruktionen var 12år. Det var en marginal som valdes för att mätningar på Neptunus skulle täckas av den nominella livslängden. Denna livslängd är nu beräknad till år 2025, dvs. 48 år efter aktiveringen.

Figur 2 Bränslecellens uppbyggnad

Figur 3 Voyagers uppbyggnad

Som alla energikällor så försämras även RTG batterier. I Voyager-satelliterna har försämringen varit 4,2 W/år.  Känt är att Voyager behöver 225,8 W för att fungera med alla instrument och sända data tillbaka. Nu har Voyagerprogrammet varit aktivt i 37 år. Det betyder att 155,4 W är förlorat efter aktivering.

Voyager var utrustad med tre stycken batterier. Varje batteri väger 37,96 kg vilket ger vikten 113,07 kg oavsett om beräkningen sker med initialeffekten eller minimieffekten. Risken med RTG- batterier är att de innehåller radioaktiva isotoper. Att minska riskerna är ett område där stor hänsyn byggts in i systemen. Två RTG enheter har havererat: en vädersatellit som inte lyckades med att uppnå omloppsbanan samt enheten som Apollo 13 [15]skulle lämnas kvar på månen för ett geologiskt experiment. Ingen av dessa har läckt något radioaktivt material.

11 Tillgodose energi

Grunden är att se hur mycket energi som finns vid de olika himlakropparna. Diagrammet visar W per kvadratmeter och sträcker sig från 9100 W vid Merkurius[16] till 0,89 W vid Pluto[17].

Figur 4 Tillgänglig energi per kvadratmeter vid olika genomsnittliga avstånd

Med vetskapen att det behövs 225,8 W[18] för att satelliten ska kunna utföra sina mätningar och sända tillbaks detta till jorden kan behovet av energiproducerande yta då räknas fram. Värdena är i kvm.

Figur 5 Antalet kvadratmeter som behövs för att produsera 225,8 watt

Vi får en viktkurva efter behovet av energin. Kurvan visar hur stor massa som behövs för att producera 225,8 W. Det som inte är taget hänsyn till är solcellernas försämrade effektivitet över tid. Det är känt att MHW-RTG tappar 4,2 W per år. Denna försämring är ignorerad för att den inte spelar in i faktorn hur mycket den väger och energitillförseln var säkrad när den passerade alla planeter. Dessutom vet vi att vikten är 113,07 kg

Figur 6 Vikten som behövs föra att producera 225,8 watt

Notera att Voyager har en platt linje eftersom dess kraftkälla är oberoende av position, och för att säkerställa energin var Voyager utrustad med tre MHW-RTG- batterier för att säkerställa uppdragets genomförande. Enligt diagrammet ovan skulle brytpunkten gå vid Jupiter med tekniken som var tillgänglig 1975 och Saturnus med tekniken som var tillgänglig 2009. Ingen hänsyn till ackumulatorbatteriers vikt har tagits.

Genom att titta på hur stor volym de olika teknikerna tar så blir brytpunkterna vid Saturnus och Uranus. Det är lätt att stanna där och då är det risk att man inte tar hänsyn hur detta ska transporteras. Metoden som har används är raketer. 

Figur 7 Volymbehovet för att producera 225,8 watt

Beräknar man med vikt/volymen får man en helt annan bild av situationen.

Figur 8 Beräkning av vikt genom volymen

Med brytpunkterna vid Venus för Mariner och Mars för LRO. Denna brytpunkt kan man se på de senaste uppdragen till Mars. Spirit[19] och Opportunity[20] var designade med solceller men den mer kraftfulla Curiosity[21] är driven av en RTG (MMRTG[22] ).

Med ett sammanslaget diagram får man en tydlig bild var gränserna mellan solcellers effektivitet och vikt går; ett sämre alternativ än en RTG från 1977.

Figur 9 Sammanslaget diagram av tidigare diagram

12 Slutsats

Efter att sammanställt siffror och beräknat tillgänglig energi, behov av ytor, volym och vikter har tydliga diagram med klara avgränsningar växt fram. Man kan tydligt avläsa att 1977 var det icke lönsamt att bygga en satellit som skulle bortom Ceres[23] och att år 2009 har gränsen flyttats till Jupiter. Då ett uppdrag som Voyager sträcker sig bortom Jupiter så skulle valet även i dag falla på en RTG. Man kan se detta på att uppdrag som närmar sig gränsen får antagligen solceller eller en RTG. Detta blir mycket tydligt vid alla uppdrag till Mars. Men alla uppdrag bortom asteroidbältet har varit försörjda av en RTG. Skillnaden mellan denna rapport och verkligheten kan till en viss del finnas i det faktum att denna rapport inte tar hänsyn till batteriers volym eller vikt.

Valet av en RTG var korrekt 1977 med tanke på den stora vikt och volym som skulle medfölja av att driva en satellit bortom Mars omloppsbana. Vidare försvåras möjligheten att driva med solceller på de avstånd som var vad uppdraget krävde. Även om dagens teknik förbättrar möjligheterna så är inte förbättringen tillräcklig för att genomföra uppdraget till Neptunus.

13 Svagheter i rapporten

Kända svagheter i rapporten är följande:

·         Ingen hänsyn till effektivitetsförsämringar i solceller eller volymens och viktens behov av batterier har iakttagits.

·         Vidare har inte hänsyn till nyare modeller till RTG- batterier iakttagits.

·         Inga solceller mellan tiden 1977 till 2009 har tagits med.

·         Inga andra nationers RTG- batterier har tagits med.

·         Matrialet är svårt att konfirmera med källor utanför NASA, JPL samt United States Atomic Energy Commission.

14 Källor

Borttaget för bloggen.

 

15 Bilagor

Rådata

---

[1] National Aerospace and Space Administration (www.NASA.gov)

[2] Mariner sateliterna (http://space.jpl.nasa.gov/msl/Programs/mariner.html)

[3] Deep Space Network (http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsn/)

[4] Gränslandet mellan solvindens inverkan och djuprymdens inverkan (http://sv.wikipedia.org/wiki/Solsystemet#Heliopausen)

[5] Jet Proportion Laboratory (WWW.NASA.jpl.gov)

[6] Munstycken optimerade för maximalt gastryck vid visst gasflöde (http://sv.wikipedia.org/wiki/Dysa)

[7] Ett vanligt bränsle för rymdfart (http://www.universetoday.com/81018/hydrazine/)

[8] Attitude and Articulation Control Subsystems (http://www2.jpl.nasa.gov/basics/bsf11-2.php)

[9] Multi-Hundred Watt Radioisotope Thermoelectric Generators (http://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm)

[10] Solkonstant (http://www.wolframalpha.com/input/?i=solarconstant)

[11] Astronomical Unit, 1 AU är medelavståndet mellan Jorden och solen. (http://en.wikipedia.org/wiki/Astronomical_unit)

[12] Lunar Reconnaissance Orbiter (lro.gsfc.nasa.gov)

[13] Effektivvärde, tillgänglig energi delat på tillvarataget energi (http://sv.wikipedia.org/wiki/Verkningsgrad)

[14] En krets som skapar ström med hjälp av värme. (http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric)

[15] Apollo 13 ett misslyckat uppdrag till månen (http://www.nasa.gov/mission_pages/apollo/missions/apollo13.html)

[16] Den innersta planeten i solsystemet (http://solarsystem.nasa.gov/planets/profile.cfm?Object=Mercury&Display=Overview)

[17] Pluto förut känd som den yttersta planeten i solsystemet nu demoterad till dvärgplanet (http://solarsystem.nasa.gov/planets/profile.cfm?Object=Pluto)

[18] Detta värde är valt för att det är vad Voyager behöver för att fungera.

[19] Mobilt forskningsverktyg på Mars (http://marsrovers.jpl.nasa.gov/home/index.html)

[20] Mobilt forskningsverktyg på Mars (http://marsrovers.jpl.nasa.gov/home/index.html)

[21] Mobilt forskningsverktyg på Mars (http://marsrovers.jpl.nasa.gov/home/index.html)

[22] RTG reaktorn på Opportunity (http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-Mission_Radioisotope_Thermoelectric_Generator)

[23] Största objektet i kuiperbältet (https://en.wikipedia.org/wiki/Ceres_%28dwarf_planet%29)