مولد ستيرلينغ للنظائر المشعة

مولد ستيرلينغ للنظائر المشعة ( SRG ) هو نوع من مولدات النظائر المشعة يعتمد على محرك ستيرلينغ يعمل بوحدة تسخين كبيرة للنظائر المشعة . تصل درجة حرارة الطرف الساخن لمحول ستيرلينغ إلى درجة حرارة عالية، ويقوم الهيليوم الساخن بتحريك المكبس، بينما تُطرد الحرارة من الطرف البارد للمحرك. يقوم مولد كهربائي بتحويل هذه الحركة إلى كهرباء. ونظرًا لمحدودية إمدادات البلوتونيوم ، يتميز محول ستيرلينغ بقدرته على إنتاج طاقة كهربائية من وقود البلوتونيوم تفوق بأربعة أضعاف تقريبًا ما ينتجه مولد النظائر المشعة الكهروحراري (RTG).

أجرت وكالة ناسا اختبارات مكثفة على مولدات ستيرلينغ على الأرض ، لكن تطويرها توقف عام 2013 قبل أن تُستخدم في مهمات فضائية فعلية. ويستخدم مشروع مماثل لوكالة ناسا، لا يزال قيد التطوير، يُسمى كيلوباور ، محركات ستيرلينغ أيضاً، لكنه يعتمد على مفاعل انشطار يورانيوم صغير كمصدر للحرارة.

بدأ تطوير تقنيات دورة ستيرلينغ وبرايتون في مركز أبحاث غلين التابع لناسا (مركز لويس سابقًا) منذ أوائل سبعينيات القرن الماضي. وكان محرك العرض الفضائي التجريبي (SPDE) أول محرك بقدرة 12.5 كيلوواط لكل أسطوانة تم تصميمه وبناؤه واختباره. واستخدم محرك لاحق من نفس الحجم، وهو محول الطاقة لاختبار المكونات (CTPC)، رأس تسخين ذي أنابيب حرارية على شكل "نجمة البحر"، بدلاً من نظام الضخ الحلقي المستخدم في محرك العرض الفضائي التجريبي. وفي الفترة بين عامي 1992 و1993، توقف هذا العمل بسبب إنهاء العمل على نظام الطاقة النووية SP-100 ذي الصلة ، وتركيز ناسا الجديد على أنظمة ومهام "أفضل وأسرع وأقل تكلفة".

في عام 2020، وصل محول طاقة ستيرلينغ ذو المكبس الحر إلى 15 عامًا من التشغيل التراكمي دون صيانة أو تدهور في مختبر أبحاث ستيرلينغ في مركز غلين التابع لناسا. ^{[ 1 ] [ 2 ]} تُعادل هذه المدة العمر التشغيلي التصميمي لمولد الطاقة الكهروحرارية متعدد المهام (MMRTG)، وهي نموذجية لمفاهيم المهمات النموذجية المصممة لاستكشاف الكواكب الخارجية أو حتى أجرام حزام كايبر البعيدة . تُعد هذه الوحدة، المسماة محول العرض التكنولوجي (TDC) رقم 13، أقدم محول من بين عدة محولات لم تُظهر أي علامات تدهور. منذ عام 2017، واصل برنامج أنظمة الطاقة بالنظائر المشعة التابع لناسا في مركز غلين تطوير العديد من التقنيات المرشحة لأول نظام طاقة نظائر مشعة ديناميكي يُطلق في الفضاء، بما في ذلك تصاميم تستند إلى محول العرض التكنولوجي رقم 13 الذي حطم الأرقام القياسية، ومحول ستيرلينغ القائم على محامل الغاز الذي استُخدم في مولد الطاقة الكهروحرارية المتطور (ASRG). كما يجري تطوير نظام توربيني صغير من نوع برايتون. أسفرت جهود تطوير تقنية التحويل الديناميكي المستمرة عن ظهور عدة تصاميم فعّالة للمولدات الكهربائية بقدرة تتراوح بين 100 و500 واط. وعلى المدى القريب، قد تُشكّل مهمة تجريبية قمرية تستخدم نظام طاقة ديناميكيًا (RPS) ضمن برنامج أرتميس التابع لناسا ، أول فرصة لاستخدام هذا النظام في رحلات الفضاء. وسيُمكّن استخدام نظام الطاقة الديناميكي في حمولة تهبط على سطح القمر من بقائها وتشغيلها بكفاءة خلال ليالي القمر شديدة البرودة التي تمتد لأسبوعين، أو في الفوهات المظللة بشكل دائم بالقرب من قطبي القمر.

في أوائل القرن الحادي والعشرين، تم تنفيذ مشروع ضخم باستخدام هذا المفهوم: مولد ستيرلينغ المتقدم للنظائر المشعة (ASRG)، وهو مصدر طاقة يعتمد على محول كهربائي بقدرة 55 واط. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} كان مصدر الطاقة الحرارية لهذا النظام هو مصدر الحرارة للأغراض العامة (GPHS). احتوى كل مصدر حرارة للأغراض العامة على أربع كريات وقود من البلوتونيوم-238 مغلفة بالإيريديوم ، بارتفاع 5 سم وطول 10 سم، ووزن 1.44 كجم. وصلت درجة حرارة الطرف الساخن لمحول ستيرلينغ إلى 650 درجة مئوية، وقام الهيليوم المسخن بتحريك مكبس حرّ ذهابًا وإيابًا في مولد تيار متردد خطي ، حيث تم طرد الحرارة من الطرف البارد للمحرك. ثم تم تحويل التيار المتردد الناتج عن المولد إلى تيار مستمر بقدرة 55 واط . تستخدم كل وحدة من وحدات ASRG وحدتي تحويل ستيرلينغ، حيث يتم توفير حوالي 500 واط من الطاقة الحرارية بواسطة وحدتي GPHS، وتُنتج ما بين 100 و120 واط من الطاقة الكهربائية. خضعت وحدة ASRG لاختبارات التأهيل في مركز غلين التابع لناسا كمصدر طاقة لمهمة مستقبلية تابعة لناسا.    

تم تصميم مجموعة أبحاث الفضاء المتقدمة (ASRG) في العديد من مقترحات المهمات في تلك الحقبة، ^{[ 6 ]} ولكن تم إلغاؤها في عام 2013، ^{[ 7 ]} بسبب قيود ميزانية ناسا. ^{[ 8 ]}

• مولد ستيرلينغ المتقدم للنظائر المشعة
• وحدة تسخين النظائر المشعة
• مولد كهروحراري يعمل بالنظائر المشعة

• أخبار برنامج أنظمة الطاقة بالنظائر المشعة التابع لناسا
• أنظمة الطاقة بالنظائر المشعة للحدود الجديدة
• لماذا تطوير مولد ستيرلينغ للنظائر المشعة؟
• محول ستيرلينغ ذو المكبس الحر يسجل رقماً قياسياً في مركز أبحاث ناسا غلين
• وولفرتون، مارك (مارس 2008). "ستيرلينغ في أعماق الفضاء" . مجلة ساينتفك أمريكان . 298 (3): 14. رمز Bibcode : 2008SciAm.298c..22W . doi : 10.1038/scientificamerican0308-22 . PMID 18357812. تاريخ الاسترجاع: 9 مايو 2023 . 
• محطة طاقة نووية تعمل بمحرك ستيرلينغ تابعة لناسا للاستخدام على سطح القمر ( على يوتيوب)