Перспективы создания термоэлектрических источников для электрореактивных двигателей космических аппаратов

Перед современными разработчиками термоэлектрических бортовых источников электропитания космических аппаратов стоят две основные задачи - радикально увеличить ресурс до 10 - 20 лет и КПД до 20 % при существенном увеличении удельной мощности термоэлектрических преобразователей.

Термоэлектрические преобразователи тепловой энергии в электрическую используются для решения задач освоения космоса около 50 лет, и благодаря своей высокой надежности и большому сроку службы, являются для космических аппаратов, в первую очередь для тех, которые выполняют исследования дальнего космоса, незаменимыми бортовыми источниками электропитания.

Исследования в области космических бортовых термоэлектрических источников питания ведутся по двум основным направлениям: радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) и космические ядерные термоэлектрические установки (КЯТЭУ).

Первые в СССР космические РИТЭГ типа «Орион» на Ро 210 успешно отработали гарантийный срок в составе двух малых спутников связи «Стрела-1» (1965 г.).

Межпланетные станции «Пионер-10» и «Пионер-11» (США) с РИТЭГ типа SNAP-19 электрической мощностью 40 Вт были запущены в 1972 и 1973 гг. и продемонстрировали удивительную надежность термоэлектрических преобразовате-лей. Одна из станций продолжает поддерживать радиосвязь с Землей до сих пор и передает важную информацию, находясь на периферии Солнечной системы.

Созданные в СССР КЯТЭУ имели гораздо большую мощность (2,8 кВт) по сравнению с радиоизотопными, и за время их эксплуатации в космосе в течение 18 лет не было зафиксировано ни одного отказа или сбоя в работе. Основные характеристики КЯТЭУ, использовавшихся в составе космических аппаратов в США и СССР приведены в таблице 1 [1].

Таблица 1

термоэлектрический космический бортовой преобразователь

В термоэлектрической установке «Бук» использовались двухкаскадные термобатареи (ТЭБ), включенные последовательно по тепловому потоку и параллельно по электрическому току. В качестве «горячего» каскада были применены термобатареи из кремний-германиевого сплава (Si-Ge), термобатареи «холодного» каскада имели n-ветви из сплава PbTe и p-ветвь из сплава GeTe. Паразитный перепад температуры на теплоконтактном электроизоляционном переходе составлял 90 - 100 С, поэтому КПД энергоустановки составлял около 5 % [2].

С учетом высокой надежности термоэлектрических преобразователей тепловой энергии в электрическую и накопленного опыта их практического использования в космосе представляется целесообразным рассмотреть их в качестве перспективных источников питания для электрореактивных двигателей космических аппаратов различного типа и мощности.

Первый электрореактивный двигатель испытывался на советской автоматической станции «Зонд-2» в 1964 г. Кроме того, в СССР проводились широкомасштабные работы по созданию и испытаниям ионных электрореактивных двигателей по программе «Янтарь» в 1966 - 1970 гг. [3].

В НПП «Квант» достигнут значительный прогресс в создании термобатарей с мультикаскадными ветвями n и p-типа проводимости, температурой эксплуатации до 650 С и максимальным КПД до 12 %. Современные термоэлектрические материалы имеют максимальные значения добротности (Z) в сравнительно узком интервале температуры. Известно, что кпд термобатареи () в значительной степени зависит от добротности:

,

где Т - перепад температур на термобатарее (термоэлементе ? ТЭ), создаваемый тепловым потоком; М - отношение сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению термобатареи (ТЭ), которое для решения получения максимального КПД определяется следующим образом:

,

где Тг и Тх соответственно, - температура горячего и холодного спая термобатареи (ТЭ).

Максимальная величина КПД, соответствующая этому значению Мо будет определяться формулой Иоффе:

Согласно теории Иоффе, максимум добротности достигается при оптимальной концентрации носителей тока, которая является функцией температуры, поэтому термоэлемент, работающий в широком интервале температур должен иметь переменную концентрацию носителей тока вдоль вектора теплового потока. На практике это достигается за счет составной ветви термоэлемента, т.е. состоящей из двух и более каскадов (мультикаскадной). Чтобы обеспечить длительное существование такого термоэлемента необходимо введение между каскадами антидиффузионных барьеров, препятствующих диффузии ингредиентов сплавов полупроводниковых материалов и легирующих добавок из одного каскада в другой. Решение этих материаловедческих и конструкторских задач позволило «Кванту» соз-дать термоэлектрические батареи с КПД 12 % в температурном интервале 930 - 300 К, т.е. выше, чем в термоэлектрической установке БЭС-5 «Бук», при этом удельная мощность составила 180 Вт/кг.

Максимальная удельная электрическая мощность (Wуд.) термогенератора, т.е. мощность, отнесенная к поверхности холодильника излучателя, равна [4]:

,

где Fизл. - поверхность излучения, Kp - коэффициент увеличения теплового потока за счет оребрения, ? - постоянная Стефана - Больцмана, E' коэффициент черноты излучателя, Tизл. - температура излучателя.

Наибольшего успеха удалось достичь в повышении срока службы. Тестирование термобатарей после 15-летнего испытания в составе термогенератора с газовым нагревом, показало, что они сохранили свои энергетические характеристики [5]. В 2009 г. эти термобатареи после измерений были вновь поставлены на работающий генератор, и до настоящего времени (это уже 17-летний срок службы) электрическая мощность генерируемая в нагрузку, остается постоянной.

Металлографические исследования мультикаскадных ветвей термоэлементов показали хорошую физико-химическую совместимость полупроводниковых и коммутационных материалов, антидиффузионных барьеров, токовых шин.

При этом ресурс ТЭБ может составить 30 - 40 лет, а в космических условиях, где отсутствуют основные источники мягкой деградации их энергетических характеристик, например, реверсы термических напряжений в термоэлементах и силы трения при их перемещениях относительно горячего теплопровода, срок службы может увеличиться в 1,5 - 2 раза.

Следующим шагом в развитии термоэлектрических преобразователей явились работы по созданию высокотемпературных и сверхвысокотемпературных элементов с температурой эксплуатации до 1500 С на основе сульфидов редкоземельных элемен-тов, например, сульфида самария и сульфида европия и иттербия [6].

Соединения на основе сульфида самария относятся к группе полупроводни-ковых материалов с высокой температурой плавления (1940 С) и широкой запрещен-ной зоной.

Результаты предварительных исследований свидетельствуют, что на основе сульфидов редкоземельных материалов может быть создан достаточно эффективный сверхвысокотемпературный полупроводниковый материал [7]. Исследования проведены на прессованных образцах, изготавливаемых на основе сульфидов самария, европия, иттербия и сплавов на их основе. Из представленных на рис. 1 данных видно, что соединения характеризуются высокими значениями коэффициента термо-э.д.с. (), и увеличение в сплавах содержания самария ведет к снижению и увеличению удельной электропроводности (). Последнее свидетельствует об уменьшении количества вакансий в подрешетке металла. Энергия активации электронов составляет 0,2 эВ и она несколько уменьшается при увеличении металлической компоненты в сплаве. Сплавы сульфида иттербия и сульфида европия в отличие от SmS характеризуются р-типом проводимости и имеют энергию активации проводимости равную 1,7 и 2,0 эВ. Практический интерес представляет исследование системы SmS-YbS, результаты которого представлены на рис. 1.

Таким образом, на основе рассматриваемых соединений могут быть изготовлены полупроводниковые материалы с ZT, существенно превышающим единицу.

На рис. 2 представлены термоэлементы с 3 - 4 - 5 каскадными ветвями.

Следует отметить, что 3-х каскадный термоэлемент уже реализован на практике, а для изготовления 4 - 5 каскадных термоэлементов еще предстоит работа по созданию антидиффузионных барьеров и технологии компактирования ветвей.

В тоже время в результате этой работы возможно получение КПД 25 - 26 %, что вплотную приблизит термоэлектрический метод получения электричества к машинному и позволит приступить к созданию на его основе более эффективных термоэлектрических источников питания для электрореактивных двигателей космических аппаратов.

Вышеизложенное направление работ по повышению КПД термоэлектрических бортовых источников электропитания космических аппаратов было рассмотрено на совместном заседании двух Научных советов РАН: «Методы прямого преобразования видов энергии» и «Теплофизика и энергетика» (24 июня 2010 г.) и получило поддержку и одобрение чл. корр. РАН В.М. Батенина и академика РАН О.Н. Фаворского.

В последнее время появились сообщения об использовании электрореактивных ионных двигателей для космического аппарата с беспрецедентно низкой высотой рабочей орбиты (порядка 255 км). [8] Компенсация сопротивления атмосферы осуществляется за счет постоянно работающего ионного двигателя с регулируемой тягой.

Это позволяет говорить о значительном расширении области применения электрореактивных двигателей космических аппаратов, т.е. об их использовании даже в ближнем космосе, что открывает дополнительные перспективы перед термоэлектрическими бортовыми источниками электропитания.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Литература

1. Ярыгин В.И. Термоэлектричество и термоэмиссия в космических ядерных энергетических установках прямого преобразования. Современное состояние и перспективы. ГНЦ РФ-ФЭИ, Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе - 2005», Сб. докладов, М. 2005.

2. Варламов С.А., Иванов А.С., Прилепа Ю.П., Синявский В.В. О возможности повышения эффективности термоэлектрического генератора космической двухрежимной ядерно-энергетической установки. Известия РАН, Энергетика, ISSN 002 - 3310, № 1, 2009.

3. Головачев В. Двигатель для межпланетного корабля, Российский космос, № 1 (37), 2009, с. 52 - 55.

4. Охотин А.С. и др. Термоэлектрические генераторы. М., Атомиздат, 1971, с.181.

5. Тереков А.Я. К оптимизации р-ветви среднетемпературного термоэлектрического модуля. Сб. докладов, ХI Межгосударственный семинар, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ноябрь 2008, с. 356 - 362.

6. Ерофеев Р.С., Коломоец Н.В., Овечкина В.И. Получение и исследование свойств сплавов на основе SmS. Неорганические материалы, т. 13, № 6, 1977, с. 978-981.

7. Тереков А.Я., Плеханов С.И. Доклад на совместном заседании Научного совета РАН по комплексной проблеме «Методы прямого преобразования видов энергии» и Научного совета РАН «Теплофизика и энергетика», 24 июня 2010 г., г. Москва.

8. Левченко Е., Соболев И. GOCE: долгожданный геоид получен, Новости космонавтики, № 5, 2011, с. 58 - 59.

Размещено на Allbest.ru