Миниатюрные ядерные генераторы могут питать космические спутники CubeSat

Чтобы получить новое поколение спутников CubeSat для дальнего космоса, НАСА дало зеленый свет проекту Рочестерского технологического института по разработке ядерного источника энергии, который в десять раз меньше тех, которые в настоящее время используются для планетарных миссий.

Большинство спутников, используемых сегодня, питаются от солнечных панелей, которые превращают солнечный свет в электричество, поглощая фотоны, чтобы создать потенциальный дисбаланс в материалах ячеек панели для генерации электрического тока.

Эти панели очень хорошо справляются со своей задачей, но в дальнем космосе за пределами орбиты Марса или в суровых условиях, таких как марсианские пылевые бури или долгие ночи на Луне, солнечный свет просто не может производить необходимую энергию.

В качестве альтернативы многие космические аппараты несут многоцелевые радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), которые используют температурный градиент для выработки электроэнергии.

Другими словами, радиоизотоп производит тепло, а термопары преобразуют тепло непосредственно в электричество. Этот принцип знаком инженерам и широко используется на Земле.

Проблема с РИТЭГ заключается в том, что они относительно громоздки. Например, генератор, используемый на марсоходе Perseverance, имеет диаметр 64 см, длину 66 см и весит 45 кг. Каждый из элементов содержит 4,8 кг заглушек из диоксида плутония в качестве топлива для подачи тепла к твердотельным термопарам по мере распада радиоактивных элементов.

В результате такие РИТЭГ зарезервированы для очень больших космических аппаратов и роверов, а Perseverance размером с внедорожник. Это связано с тем, что используемая система имеет только определенную удельную мощность по массе, которая является мерой того, сколько ватт мощности может быть произведено на единицу машины. Семейный автомобиль имеет удельную мощность от 50 до 100 Вт/кг, а истребитель — около 10 000 Вт/кг.

Напротив, РИТЭГ имеет соотношение около 30 Вт/кг.

Глядя на термодинамику размера, веса и мощности (SWaP) возможного РИТЭГа, проект НАСА надеется уменьшить это отношение на порядок до 3 Вт/кг при столь же значительном уменьшении объема.

Это можно сделать, используя новый принцип, который по сути представляет собой солнечную панель, работающую в обратном направлении. Когда солнечная панель поглощает свет, часть его превращается в электричество, а большая часть — в тепло.

Новый радиоизотопный источник питания основан на идее термоизлучающей ячейки, в которой тепло в виде инфракрасного света попадает на панель с элементами из индия, мышьяка, сурьмы и фосфора в различных сочетаниях. Это создает разность потенциалов с обратной полярностью, в отличие от солнечных батарей.

В итоге, терморадиационная ячейка вырабатывает электричество из тепла и сбрасывает ненужную энергию в виде инфракрасных фотонов. Это не только работает в обратном направлении, но и с гораздо большей эффективностью. В результате появился новый терморадиационный генератор (ТРГ).

Если новую технологию можно будет воплотить в жизнь, это будет означать, что в будущих миссиях к Юпитеру и за его пределы или к постоянно затененным кратерам лунных полярных регионов можно будет использовать космические аппараты размером с CubeSat с небольшими генераторами, дающими им всю необходимую мощность.

Это означает, что концептуальная миссия Flagship Uranus, например, может сопровождаться небольшим флотом CubeSat, которые могли бы помочь в исследовании, предоставляя больше точек зрения или выступая в качестве ретрансляторов связи с атмосферными зондами.