Радиоизотопный терморадиационный генератор энергии
Задачи группы исследователей в рамках Фазы 2 программы NIAC
01.05.2024, Лора Холл (NASA), Стивен Полли (Stephen Polly, Рочестерский технологический институт)
В этом проекте мы продолжим работу, начатую в Фазе I по разработке и демонстрации осуществимости революционного источника энергии для миссий на внешние планеты, использующего новый тип преобразования тепловой энергии - терморадиационную ячейку (TRC). Работая как солнечная батарея в реверсивном режиме, TRC преобразует тепло от радиоизотопного источника в инфракрасное излучение, которое направляется в холодную Вселенную. В ходе этого процесса вырабатывается электричество.
В нашем исследовании в рамках Фазы I мы показали, что из гранул Pu-238 мощностью 62,5 Вт можно получить 8 Вт электроэнергии с помощью TRC с полосой пропускания 0,28 эВ, работающего при температуре 600 К. Необходимый массив излучателей TRC включает в себя 1 125 см², что составляет чуть более 50% площади поверхности 6U кубсата. При массе (источник тепла + TRC) 622 г возможна массовая удельная мощность 12,7 Вт/кг, что более чем в 4,5 раза лучше, чем у традиционного многоцелевого радиоизотопного термоэлектрического генератора (MMRTG). Опираясь на результаты этапа I, мы считаем, что здесь имеется гораздо больший потенциал, который можно раскрыть.
Использование материалов с низкой полосой пропускания III-V, таких как InAsSb (индий, мышьяк, сурьма), в наноструктурных массивах для ограничения потенциальных механизмов потерь, 25-кратное улучшение удельной массовой мощности и уменьшение объема на четыре порядка по сравнению с MMRTG является предварительной оценкой, при этом возможна более высокая производительность в зависимости от условий эксплуатации. Технология TRC позволит увеличить распространение небольших универсальных космических аппаратов, требования к мощности которых не удовлетворяются фотоэлектрическими батареями или громоздкими и неэффективными системами MMRTG. Это позволит напрямую отправлять небольшие спутники на внешние планеты, а также проводить операции в постоянной тени, например, в полярных лунных кратерах.
В этом исследовании будут изучены термодинамика и осуществимость разработки терморадиационного источника энергии с использованием радиоизотопов с упором на размер, вес и мощность системы (SWaP), при этом продолжено интегрирование эффектов от потенциальных механизмов потери мощности и эффективности, разработанных на этапе I. Экспериментально материалы и устройства TRC будут выращиваться, включая сверхрешетки типа II на основе InAsSb, методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOVPE) для получения материалов с низкой полосой пропускания и подавлением Оже-рекомбинации.
Будут исследованы контакты металл-полупроводник, способные выдерживать необходимые повышенные температуры. Устройства TRC будут проверены на работоспособность при повышенной температуре в условиях холодной окружающей среды под вакуумом в разработанном на этапе I модифицированном испытательном устройстве с криостатом.
Мы проанализируем радиоизотопный терморадиационный преобразователь для питания миссии Cubesat, работающей у Урана. Это будет включать в себя инженерное проектирование нашей эталонной миссии с командой инженеров Compass в Исследовательском центре Гленна NASA, обладающей знаниями о влиянии новых технологий на конструкцию космических кораблей в контексте общей миссии, включая все инженерные дисциплины и объединяя их на системном уровне. Наконец, мы разработаем технологическую дорожную карту для необходимых компонентов TRC для реализации будущей миссии.
Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: Radioisotope Thermoradiative Cell Power Generator
Дополнительная информация:
Радиоизотопный терморадиационный генератор энергии 2023 Фаза I
Analysis of Thermoradiative Thermal Energy Conversion
Nuclear Power Cell for Space Satellites that are Cup Size Instead of Dishwasher Size
Научная статья:
Radioisotope Thermoradiative Cell Power Generator
Необходимые пояснения
Стивен Полли: «Это устройство, приводимое в действие радиоизотопным источником тепла, позволит на порядок увеличить удельную мощность по массе (~30 против ~ 3 Вт/кг) и на три порядка уменьшить объем (~ 0,2 против ~ 212 л) по сравнению с обычным MMRTG».
Большинство современных космических аппаратов снабжаются энергией от солнечных фотоэлектрических элементов, которые превращают солнечный свет в электричество путем поглощения фотонов. Такие панели отлично справляются со своей задачей, но в глубоком космосе за пределами орбиты Марса или в суровых условиях, например, во время марсианских пылевых бурь или долгих лунных ночей, солнечный свет просто не может произвести необходимую энергию.
Поэтому альтернативным решением является использование радиоизотопных тепловых электрогенераторов (MMRTG или РИТЭГ). Это устройства, которые используют градиент температуры для выработки электроэнергии. Другими словами, радиоизотоп выделяет тепло, а термопары преобразуют это тепло непосредственно в электрическую энергию. Проблема MMRTG в том, что они относительно громоздки. Например, пара устройств, используемых на марсоходе Perseverance NASA, имеют диаметр 64 см, длину 66 см и вес 45 кг. Каждый такой аппарат содержит 4,8 кг капсул из диоксида плутония, которые снабжают теплом твердотельные термопары.
В результате подобные MMRTG могут быть использованы только на очень больших космических аппаратах.
Ячейка TRC, по сути, представляет собой солнечную батарею, работающую в реверсивном режиме. Терморадиационная ячейка представляет из себя тонкую пленку, сделанную по технологии послойного осаждения паров различных соединений (MOWPE). Когда солнечная батарея поглощает свет, часть его превращается в электричество, а большая часть - в тепло. В новом радиоизотопном источнике энергии тепло в виде инфракрасного света попадает на панель с элементами, сделанными из индия, мышьяка и фосфора (или сурьмы) – в различных комбинациях. В результате вырабатывается электричество. Ненужная энергия сбрасывается в виде инфракрасного излучения. Такая технология способна работать с гораздо большей эффективностью, чем MMRTG.