III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ОСВОЕНИЯ ПЛАНЕТ И ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Фардзинов С.Т.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


 

 

1. Введение

Вопросы энергообеспечения космических аппаратов, орбитальных станций, внеземных баз и т.п. – сложная и не тривиальная техническая задача. В целом, актуальность и практическая значимость подобных разработок состоит в том, что человечеству в скором времени понадобятся ресурсы других планет.

Целью данной работы стало включение в научно-исследовательскую деятельность, связанную в первую очередь с разработками проектов, предназначенных для освоения планет Солнечной системы, и в частности с вопросами, связанными с энергообеспечением различных инженерных объектов. Задача работы – создание собственных проектов энергетических установок, использующих и учитывающих предлагаемые физические условия космического объекта.

Гипотеза – возможность создания термоэлектрических установок для решения вопросов, связанных с освоением других планет и космоса. Объект исследования в данной работе – энергетические установки, использующие предлагаемые физические условия космических объектов. Предмет исследования – перспективность авторских предложений по заявленной теме (обоснование предлагаемых инноваций). Методы исследования – теоретическое обоснование выбора источников электрической энергии в соответствии с физическими условиями на планете (указание источников тепла и холода для работы термоэлементов); проведение экспериментов с термоэлементами (для изучения их потенциальных возможностей).

Источники информации по выбранной теме в настоящее время представляют собой очень широкий круг – от монографий по астрономии, до достаточно свежих сведений из Интернета.

Новизной в этой работе являются оригинальные решения, касающиеся использования термоэлектричества во внеземных условиях. Предложены краткие описания и ряд характеристик термоэлектрических установок для конкретных физических условий Луны и Меркурия, рассмотрены и проанализированы возможности различных источников тока для условий Венеры, Марса, спутников планет и астероидов. Изучены варианты применения обычных термоэлементов, работающих за счёт градиента температур в окружающей среде, и радиоизотопных термогенераторов (РИТЭГ), которые стали самыми востребованными в условиях низких температур окружающей среды и отсутствия достаточного количества света или тепла по мере удаления объекта от Солнца.

2.Термоэлектрические явления.

2. 1. Термогенераторы

В 1821 г. немецким учёным Зеебеком было открыто термоэлектрическое явление [1]. А именно, если в цепи, составленной из последовательно соединённых разных материалов, места контактов имеют различную температуру, то возникает термоэлектродвижущая сила. Её величина:

ε Т = α1,2 (t– t0),

где ε Т – величина термоэдс в мкВ; α1,2 = α2 –α1 коэффициент термоэдс, зависящий от свойств материалов термоэлемента и от интервала температур в мкВ/ °С; t – температура горячего спая в °С; t0 – холодного [2].

Явление Зеебека обусловлено следующими тремя причинами:

а) преимущественной диффузией носителей заряда от нагретого конца к холодному (объёмная составляющая термоэдс). В металле электроны на горячем конце приобретают более высокие значения скоростей и энергии, а в полупроводниках, кроме того, растёт их концентрация. В результате поток носителей заряда увеличивается. Так в дырочных полупроводника, на холодном конце скапливаются дырки, а на горячем остаётся нескомпенсированный отрицательный заряд [2];

б) зависимостью контактной разности потенциалов от температуры: химический потенциал зависит от температуры (контактная составляющая);

в) увлечение электронов фононами (волна колебательных движений атомов), которые преимущественно перемещаются от горячего конца проводника к холодному и, взаимодействуя с электронами, вызывают их преимущественное перемещение в том же направлении (фононная составляющая); при низких температурах эта составляющая термоэдс может играть определённую роль [3].

В металлах концентрация электронов проводимости очень велика и не зависит от температуры, а их распределение по энергиям и скоростям теплового движения мало изменяется при нагревании. Значения удельной термоэдс металлов малы (мкВ/0С). Поэтому явление Зеебека в металлах используют в основном для измерения температуры [4]. Сравнительно большие термоэдс в некоторых сплавах.

В полупроводниках концентрация электронов проводимости и дырок значительно меньше, чем в металлах. С повышением температуры количество носителей заряда резко повышается и, что особенно существенно, возрастает скорость их теплового движения. В результате, удельная термоэдс значительно больше, чем у металлов (порядка 102 – 103 мкВ/0С). Коэффициенты α у электронных и дырочных полупроводников противоположны по знаку. Следовательно, наибольшие значения удельной дифференциальной термоэдс α1,2 получаются для пар, составленных из электронного и дырочного полупроводников [4].

Это явление нашло применение в термоэлектрогенераторах (ТЭГ) – энергетических устройствах, в которых тепловая энергия нагрева спая непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

2..2. Плюсы термоэлектричества

1). В отличие от фотоэлементов микрометеориты, повреждая внешнюю поверхность, воздействуют на радиаторы, для которых это безопасно.

2). Элемент Зеебека нагревается от любых видов излучения, начиная с инфракрасного (λ≈800 нм), а фотоэлемент, работающий за счёт явления внутреннего фотоэффекта менее, чем с 300 нм (Ge, Se). Кроме того, слишком короткие длины волн негативно воздействуют на полупроводники (допустим, λ=0,01 нм – γ- излучение). А на Луне, например, все излучения и все частицы достигают поверхности.

3). В условиях наличия абразивного материала (пыли) в устройстве нет движущихся частей.

2.3. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы как оптимальные источники тока в условиях неэффективности применения фотоэлементов и обычных ТЭГ

В процессе освоения космического пространства и, соответственно, различных космических тел (планет, их спутников, астероидов и т. п.) вопрос о применяемых источниках энергии является очень актуальным. Довольно часто приходится слышать об использовании солнечных батарей, качество которых постепенно всё больше улучшается. Но фотоэлементы можно применить на космическом аппарате, пока он не ушёл на значительное расстояние от Солнца. Именно поэтому на КА «Пионер - 10», «Пионер - 11», «Вояджер - 1» и «Вояджер - 2», ушедших к планетам-гигантам и за пределы Солнечной системы, инженеры были вынуждены использовать совершенно другой тип источников тока, обеспечивающих работу аппаратуры, а именно, радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), рис.1, 2.

Радиоизотопный темоэлектрический генератор – источник электрической энергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов. Здесь используется не управляемая цепная реакция как в атомном реакторе, а естественный распад радиоактивных изотопов.

Требования к радиоактивным препаратам:

1. Давать высокоэнергетическое излучение.

2. Изотопы не должны производить много нейтронов и жёсткого гамма-излучения – проникающей радиации. Критическая масса должна быть большой для данных изотопов (против взрыва). Излучение должно легко конвертироваться в тепло. Поэтому предпочтительнее альфа-излучение.

3. Нужен большой период полураспада (обычно несколько десятилетий), чтобы обеспечить необходимый срок службы установки.

4. Нужно радиоактивное топливо с большим удельным энерговыделением.

Очень важное место при выборе рабочего изотопа играет образование дочернего изотопа, способного к значительному тепловыделению, так как цепь ядерного преобразования при распаде удлиняется и соответственно возрастает общая энергия, которую можно использовать. Изотоп с длинной цепью распада и с энерговыделением на порядок большим, чем у большинства других изотопов – уран-232. Но процесс его получения в настоящее время является дорогим и опасным. Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами [3, 4].

На «Вояджерах» источником электричества стали три РИТЭГа. Топливом в них служит плутоний-238. Их мощность в момент старта КА составляла примерно 470 ватт при 30 вольтах постоянного тока.

Период полураспада Pu-238 примерно 87,74 года, и генераторы теряют 0,78 % своей мощности в год. Снижение мощности даёт также биметаллическая термопара, которая конвертирует тепло в электричество (она тоже теряет эффективность). С падением мощности приходится сокращать энергопотребление КА, что ограничивает его функциональность.

3. Ядерные (атомные) батареи

Энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде преобразуется в электрическую: эмиттер даёт излучение, заряженные частицы собирает коллектор. Источник: естественные изотопы (90Sr), либо изотопы, активируемые нейтронным облучением. Мощность до сотен ватт, напряжение – до 20 кВ. Срок службы около 25 лет. Предназначается для небольших потребителей [5].

4. Анализ возможности применения различных источников

тока в зависимости от физических условий небесного тела

На орбите Нептуна освещенность примерно в 900 раз меньше по сравнению с земной. Поэтому для КА применение РИТЭГ является на сегодняшний день единственно возможным источником энергии, помимо атомных и обещающих перспективы к 2018 году термоядерных источников. Таковы результаты анализа возможностей применения на КА источников энергии, использующих различные физические принципы действия. Но аналогичные проблемы стоят перед инженерами, решающими задачи изучения и освоения планет (рис. 3, 4), их спутников и малых тел Солнечной системы. И радиоизотопные источники опять имеют преимущества. Так в настоящее время РИТЭГ были поставлены в условиях Марса на марсоходе «Curiosity». Что касается применения РИТЭГ в условиях планет с мощной атмосферной деятельностью и наличием абразивного материала, который легко увлекается мощными атмосферными потоками, то преимущества таких источников по сравнению с фотоэлементами неоспоримы. Правда, для термоэлектрических генераторов (ТЭГ) необходим значительный градиент температур, что проблематично на поверхности Венеры (но не в верхних слоях атмосферы). С другой стороны обычные ТЭГ могут быть с успехом применены в условиях отсутствия атмосферы на Луне и Меркурии, где фотоэлементы могут быть повреждены микрометеоритами, тогда как ТЭГ будут стабильно работать за счёт разности температур, создаваемой нагреванием солнечным излучением и низкими температурами в грунте или в области тени.

При выборе изотопов для РИТЭГ необходимо учитывать время, в течение которого предусматривается работа технических изделий, получающих питание от данного источника. То есть период полураспада радиоактивного изотопа должен обеспечивать стабильную работу устройства на весь предусмотренный срок и ещё дополнительно 30 % на непредвиденные обстоятельства продления эксплуатации, так как данные работы ведутся в условиях первопроходцев.

На астероидах целесообразно применить РИТЭГ или атомные источники. С учётом того, перед человечеством стоит вопрос об организации противоастероидной защиты, путём первоначального отслеживания траекторий опасных объектов с помощью радиомаяков, то, видимо, приоритет будет за РИТЭГ, хотя они не позволяют регулировать энерговыделение, что, в общем, в других условиях является их существенным недостатком.

Итак, для освоения космического пространства большой интерес представляют ТЭГ и их очень перспективный вариант – РИТЭГ, который хорошо освоен современным производством. Он являются основными источниками электричества на космических аппаратах, выполняющих продолжительную миссию. Аккумуляторы и топливные элементы будут иметь меньший срок службы. А при определённом удалении от Солнца нельзя применить фотоэлементы. Следовательно, РИТЭГ – наиболее приемлемый источник для автономных роботов мощностью в несколько сот ватт или меньше с длительным сроком работы. При использовании РИТЭГ защита от радиации осуществляется на КА за счёт выноса РИТЭГ на штангах, а в условиях планет можно применить бетон [4, 5].

5.Проекты внеземных термоэлектрических установок.

5.1. Проект для Луны

Продолжительность солнечных суток на Луне равна 29,53 земных. В течение дня поверхность Луны нагревается до +130 °С (400 К), а в течение ночи остывает до – 170 °С (100 К). Из-за отсутствия атмосферы лунная поверхность подвержена непосредственному воздействию всех видов излучения, а также постоянной метеоритной и микрометеоритной «бомбардировке» [6]. В результате вся Луна покрыта слоем реголита (мелкораздробленного вещества), имеющего теплопроводность в 10 раз меньше, чем у окружающего нас воздуха – рис. 5. Термоэлектрическая установка для Луны – рис. 6. Элемент Зеебека с радиатором черного цвета (для лучшего поглощения солнечной энергии днём и охлаждения ночью) находится на толстостенном термоаккумуляторе (из материала большой теплопроводности и малой теплоёмкости), который заглублён в «вечную мерзлоту» лунного грунта. Ночью при понижении температуры верхних контактов элемента Зеебека, нижние начнут получать энергию из теплоаккумулятора. В результате появится электрический ток обратного направления. Сечение бака должно быть в виде треугольника, чтобы при замерзании жидкости лёд поднимался вверх (но не утыкался в нижние радиаторы). В качестве материала для радиатора можно предложить вещества с малой удельной теплоёмкостью и большой теплопроводностью: например, медь. Подобную установку (или её вариант – см. о Меркурии) можно применять и на других небесных объектах.

5. 2. Проект для Меркурия

На Меркурии аналогичная установка может выглядеть следующим образом (рис.7): горячие спаи под зачернёнными радиаторами нагреваются от Солнца, а холодные спаи и их радиаторы находятся в области вечной тени (под навесом). Низкие температуры в данном случае будут обеспечиваться отсутствием атмосферы у планеты. То есть из трёх видов теплопередачи останется лишь излучение. Таким образом, против нагревания нижних радиаторов от самой опоры установки за счёт теплопроводности необходима теплоизоляция термоэлемента от опоры. И хотя прогревание нижней поверхности установки может идти за счёт излучения от нагретой поверхности планеты, но разность температур будет достаточна для работы термоэлемента, т. к. температура на внешней стороне до 420 0С. Обычные полупроводниковые материалы выдерживают температуру до 200 0С, поэтому термопары нужны металлические. Хотя перспективен карбид кремния (до 500-550 0С).

5. 3. Марсианская модель (с термоэлектричеством)

Краткая характеристика планеты [6,7] для анализа пригодности различных видов источников электрической энергии – рис.8:

Сходство с земными параметрами

Марсианские сутки составляют 24 часа 39 минут, что очень близко к земным. Наклон оси Марса к плоскости эклиптики составляет 25,19°, а земной — 23,44°. В результате этого на Марсе тоже есть смена времён года. Но она дольше, так как марсианский год в 1,88 раза длиннее земного.

У Марса есть атмосфера. Хотя её плотность равна 0,007 земной, она даёт некоторую защиту от солнечной и космической радиации. Исследования показали наличие воды на Марсе. На Земле есть места, схожие с марсианским ландшафтом.

Различие с земными параметрами

Сила тяжести на Марсе примерно в 2,63 раза меньше, чем на Земле. Максимальная температура составляет +30 °C (в полдень на экваторе), минимальная — −123 °C (зимой на полюсах). При этом температура приповерхностного слоя атмосферы — всегда ниже нуля. В силу того, что Марс находится дальше от Солнца, количество достигающей его поверхности солнечной энергии примерно вдвое меньше, чем на Земле. Орбита Марса имеет больший эксцентриситет, что увеличивает годовые колебания температуры и количества солнечной энергии. Атмосфера состоит в основном из углекислого газа (95 %). Магнитное поле Марса слабее земного примерно в 800 раз. Вместе с разрежённой атмосферой это увеличивает количество достигающего его поверхности ионизирующего излучения. Радиационный фон на Марсе приближается к пределам безопасности для космонавтов.

Пыль и пыльные бури

На планете представляют опасность песчаные бури, Из-за очень малого размера частиц от неё очень трудно изолироваться. Для электроники опасность заключается в электростатических свойствах марсианской пыли.

6. Экспериментальный блок работы

6. 1. Термоэлементы и их использование в авторских моделях

Термопара (Fe и константан) – рис. 9.Термоэлемент школьный – рис. 10. U=20 мВ. Результаты в таблицах 1, 2.

Температуру измеряли: 1). датчиком температуры, подсоединённым к компьютерному измерительному блоку – рис.11; 2) пирометром (рис.12).

Элемент Зеебека. Термоэлемент можно даже нагревать с одной стороны рукой. Второй спай находится на радиаторе. Показания мультиметра U= 66 мВ, I= 0,1 A. Результаты серии экспериментов с элементом Зеебека:

1). Площадь элемента S=30см2 .

2). До нагревания электрическое сопротивление R= 51 Ом.

3). При разности температур 120 0С (97 0С – горячая вода в ёмкости 0,5 л и лёд при температуре -200С), были получены значения: ЭДС = 9,5 В, ток короткого замыкания I= 0,49 А. При нагрузке: I=100мА, U= 7-7,5 В.

6. 2. Экспериментальные термогенераторы с элементами Зеебека

Установки, изготовленные на базе элементов Зеебека – рис. 13. Последняя из них питает передатчик радиосигналов. Это модель передатчика, устанавливаемого, например, на астероиде с целью слежения за его траекторией движения. Приёмник данной модели питается от гальванических элементов, так как он представляет собой аналог приёмника, который будет располагаться, по всей видимости, на поверхности Земли, хотя не исключена возможность установки его на каком-либо космическом аппарате.

Рис. 14. – одна из экспериментальных установок с элементом Зеебека подключена через компьютерный измерительный блок и приставку «Осциллограф» к компьютеру. Измеряемая термоэдс равна 3 В.

Элемент находится между двумя радиаторами. К нему подключён светодиод и вентилятор. Значения ЭДС в таблицах 3, 4. При нагревании нижнего радиатора (температура около 6000С) через 15 с светодиод начинает светиться. После прекращения нагревания через 40 с он гаснет. Напряжение 3-4 В. Использование вентилятора для охлаждения холодных спаев и потребляющего часть энергии, производимой элементом Зеебека, не только не снижает его КПД, а напротив, поддерживает стабильную работу установки.

7. Заключение

Содержанием проведённого исследования является вопрос об энергетическом обеспечении как научно-производственных баз, так и автоматических станций различного назначения применительно к условиям того или иного космического объекта. И в данном случае надо признать большую перспективность термоэлектрических генераторов, включая радиоизотопные. В настоящее время РИТЭГ были поставлены на марсоходе «Curiosity». При этом следует отметить, что радиоизотопная энергетика в США выделилась в самостоятельную область энергетики. Выбранная тема очень интересна, перспективна и требует дальнейших инженерных разработок, помимо тех, что уже представлены в работе.

Прикладная ценность полученных результатов – анализ физических условий на различных космических объектах позволил выявить те источники электрической энергии, которые будут приемлемы в каждом конкретном случае (планеты, спутники планет, астероиды, космические аппараты).

К работе прилагаются прототипы (действующие авторские модели) термогенераторов, предназначенных для снабжения электрической энергией передатчиков радиосигналов или других установок небольшой мощности.

8. Литература

1. Калашников С. Г. Электричество. − М.: Наука, 2003. – 623 с.

2. Прохоров А. М. Физический энциклопедический словарь. − М.: Советская энциклопедия, 1984. – 944 с.

3. http://ru/wikipedia.org/

4. lighthouse21v.narod.ru/s20.html

5. Ишлинский А. Ю. Политехнический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1989. – 656 с.

6. Левитан Е. П. Астрономия. – М.: Просвещение, 1994. – 207 с.

7. Воронцов-Вельяминов Б. А. Астрономия. – М.: Дрофа, 2001. – 224 с.

8. tiu.ru/p81108304-element-zeebeka-1848.html

12. ПРИЛОЖЕНИЯ

Рис.1- Mars Science Laboratory. Рис. 2- «Вояджер» иРИТЭГна 125 Вт

Рис. 3 - Перспективы источников тока на планетах - гигантах

Рис. 4 - Возможность использования электромагнитной индукции для генерирования электрической энергии в мощных магнитных полях

Рис. 5 - Перспективы источников тока на Луне

Рис.6 - Лунный термогенератор

1. Верхний зачернённый игольчатый радиатор из материала малой теплоёмкости и большой теплопроводности;

2. Элемент Зеебека;

3. Толстостенный термоаккумулятор из материала большой теплопроводности;

4-5. Теплоаккумулирующее вещество в разных фазах.

Рис. 7 - Термогенератор для Меркурия: нагревание верхних радиаторов от Солнца, охлаждение нижних радиаторов в тени.

Рис. 8 - Перспективы источников тока на Марсе

Рис.9 -Термоэлемент из 2 металлов Рис.10 -Полупроводниковые ТЭ

Таблица 1. Зависимость термоэдс от времени нагревания (металлы)

Время,с

1

2

3

5

8

10

15

20

Термоэдс ε т, мВ

1,1

1,0

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

ЭДС уменьшается с течением времени, т. к. надо охлаждать 2-ой спай.

Таблица 2. Зависимость термоэдс от времени нагревания. С электронной проводимостью − сплав Bi, Te и Se, с дырочной – сплав Bi, Te и Sb.

Время,с

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

ε т, мВ

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается: разрываются ковалентные связи. При 600С R= 3 кОм, при 23 0С R= 5 кОм.

Рис.11 - Зависимость темоэдс от температуры Рис.12 - Пирометр

Рис. 13 - Установки с элементами Зеебека

Рис. 14 - Измерение ЭДС (измеряет компьютерный измерительный блок с приставкой «Осциллограф»)

Таблица 3. ЭДС элемента Зеебека без принудительного охлаждения (уменьшение ЭДС при прогреве холодных концов спаев через ТЭ)

Время, с

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

140

150

ε Т, В

0

2,5

4

4

4

4

4

3,8

3,8

3,8

3,8

3,6

3,5

3,5

Таблица 4. ЭДС элемента Зеебека с принудительным охлаждением

Время, с

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

150

ε Т, В

0

2,5

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

Вывод: хотя вентилятор, потребляет часть вырабатываемой энергии, он

повышает КПД установки, противодействуя нагреванию холодных спаев.