Generador de energía de células termorradiativas de radioisótopos

Generador de energía de células termorradiativas de radioisótopos
Generador de energía de células termorradiativas de radioisótopos
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Esteban Polly
Instituto de Tecnología de Rochester

En este proyecto continuaremos nuestros esfuerzos de la Fase I para desarrollar y demostrar la viabilidad de una fuente de energía revolucionaria para misiones a los planetas exteriores utilizando un nuevo paradigma en la conversión de energía térmica, la celda termorradiativa (TRC). Operando como una célula solar a la inversa, el TRC convierte el calor de una fuente de radioisótopos en luz infrarroja que se envía al frío universo. En este proceso se genera electricidad. En nuestro estudio de Fase I, demostramos que es posible obtener 8 W de energía eléctrica a partir del pellet Pu-238 de 62,5 W de una fuente de calor de uso general utilizando un TRC de banda prohibida de 0,28 eV que funciona a 600 K. La matriz necesaria incluye 1125 cm² de emisores TRC. o poco más del 50% de la superficie de un cubesat de 6U. Con una masa (fuente de calor + TRC) de 622 g, es posible una potencia específica de masa de 12,7 W/kg, lo que supone una mejora de 4,5 veces superior al tradicional generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG). Basándonos en nuestros resultados de la Fase I, creemos que hay mucho más potencial que desbloquear aquí.

El uso de materiales III-V de baja banda prohibida como InAsSb en matrices nanoestructuradas para limitar los posibles mecanismos de pérdida, una mejora de 25 veces en la potencia específica de masa y una disminución de cuatro órdenes de magnitud en el volumen de un MMRTG es una estimación inicial, con un mayor rendimiento posible dependiendo de condiciones de operación. La tecnología TRC permitirá la proliferación de pequeñas naves espaciales versátiles con requisitos de energía que no satisfacen los conjuntos fotovoltaicos o los voluminosos e ineficientes sistemas MMRTG. Esto permitirá directamente misiones de satélites pequeños a planetas exteriores, así como operaciones en sombras permanentes, como los cráteres lunares polares.

Este estudio investigará la termodinámica y la viabilidad del desarrollo de una fuente de energía termorradiativa habilitada con radioisótopos centrándose en el tamaño, el peso y la potencia del sistema (SWaP) mientras continúa integrando los efectos de los mecanismos potenciales de pérdida de energía y eficiencia desarrollados en la Fase I. Experimentalmente, los materiales y se desarrollarán dispositivos TRC que incluyen superredes tipo II basadas en InAsSb mediante epitaxia metalorgánica en fase de vapor (MOVPE) para apuntar a materiales de banda prohibida baja con recombinación Auger suprimida. Se investigarán los contactos metal-semiconductores capaces de resistir las elevadas temperaturas requeridas. Se probará el rendimiento de los dispositivos TRC a temperaturas elevadas frente a un ambiente frío bajo vacío en un aparato de prueba de criostato modificado desarrollado en la Fase I.

Analizaremos un convertidor termorradiativo de radioisótopos para alimentar una misión cubesat que opera en Urano. Esto incluirá un estudio de diseño de ingeniería de nuestra misión de referencia con el equipo de ingeniería Compass del Centro de Investigación Glenn de la NASA con experiencia en el impacto de las nuevas tecnologías en el diseño de naves espaciales en el contexto de una misión general, incorporando todas las disciplinas de ingeniería y combinándolas en un sistema. nivel. Finalmente, desarrollaremos una hoja de ruta tecnológica para los componentes necesarios de la CVR para impulsar una misión futura.

Selección Fase I 2024

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