Ученые разработали миниатюрные ядерные генераторы, способные питать крошечные космические корабли

NASA одобрило проект Рочестерского технологического института по разработке ядерного источника энергии, размеры которого будут в десятки раз меньше тех, что используются в настоящее время для планетарных экспедиций.Художественная концепция будущего корабля CubeSats с ядерным источником энергии. Stephen Polly/National Aeronautics and Space Administration (NASA), Journal New Atlas. Большинство современных спутников питаются за счет энергии солнечных фотоэлектрических элементов, которые превращают солнечный свет в электричество путем поглощения фотонов. Это происходит за счет создания разности потенциалов материалов элементов конструкции и выработки электрического тока. 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 может быть использование многоразовых радиоизотопных тепловых генераторов (MMRTG), устройствах которые используют градиент температуры для выработки электроэнергии. Другими словами, радиоизотоп выделяет тепло, а термопары преобразуют это тепло непосредственно в электрическую энергию. Этот принцип хорошо знаком инженерам и широко используется на Земле для работы таких вещей, как радиоприемники, работающие на керосине (это не шутка!), и походных печках способных заряжать мобильные устройства. Проблема MMRTG в том, что они относительно громоздки. Например, пара устройств, используемых на марсоходе Perseverance НАСА, имеют диаметр 25 дюймов (64 см), длину 26 дюймов (66 см) и вес 99 фунтов (45 кг). Каждый такой аппарат содержит 10,6 фунтов (4,8 кг) капсул из диоксида плутония, которые по мере распада радиоактивных элементов снабжают теплом твердотельные термопары. В результате подобные MMRTG могут быть использованы только на очень больших космических аппаратах, а Perseverance по размерам не уступает обычному внедорожнику. Это объясняется тем, что используемая система может работать только с очень большой удельной мощностью, которая является показателем того, сколько ватт (или киловатт) энергии может быть произведено на единицу объема аппарата. Так, например, у семейного автомобиля удельная массовая мощность составляет от 50 до 100 Вт/кг, а у истребителя - около 10 000 Вт/кг. Для сравнения, у MMRTG этот показатель составляет около 30 Вт/кг.Исследуя термодинамические параметры размера, веса и мощности (SWaP) потенциального RTG, проект NASA надеется уменьшить это соотношение на порядок и довести до 3 Вт/кг при таком же снижении объема. Для этого используется новый принцип, который, по сути, представляет собой солнечную батарею, работающую в реверсивном режиме. Когда солнечная батарея поглощает свет, часть его превращается в электричество, а другая часть - в тепло. Новый радиоизотопный источник энергии работает на основе концепции терморадиационного элемента. При этом тепло в виде инфракрасного света попадает на панель, сконструированную из таких элементов, как индий, мышьяк и фосфор. Это создает разность потенциалов с полярностью, обратной той, что наблюдается в классических солнечных элементах. Короче говоря, терморадиационный элемент вырабатывает электричество из тепла и выбрасывает отработанную энергию в виде инфракрасных фотонов. Такая технология способна работать не только в обратном направлении (по сравнению с обычной солнечной батареей), но и делает это с гораздо большей эффективностью. В результате был создан новый терморадиационный генератор (TRG).Если подобную технологию удастся реализовать на практике, то в будущих экспедициях к Луне, Марсу или Юпитеру можно будет использовать космические аппараты размером с CubeSats. Такие спутники будут оснащены небольшими генераторами, обеспечивающими их всей необходимой энергией. Таким образом, концепция миссии Flagship Uranus, возможно, будет сопровождаться небольшим флотом CubeSats, которые будут помогать в исследованиях, предоставляя больше точек обзора или выступая в качестве ретрансляторов связи с атмосферными зондами. Источники и ссылки: National Aeronautics and Space Administration (NASA), Journal New Atlas, Rochester Institute of Technology .1. (https://newatlas.com/space/miniature-nuclear-generators-could-power-deep-space-cubsats/)2. (https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2023/Radioisotope_Thermoradiative_Cell_Power_Generator/)3. (https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/NIAC_funded_studies.html)4. (https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2023/)