微型核發電機可為深空立方體衛星提供動力
美國宇航局已經為羅切斯特理工學院的一個項目開了綠燈,以開發一種核動力源,其大小是目前用於行星任務的核動力源的十分之一。今天,大多數服役的衛星都由太陽能電池板提供動力,通過吸收光子在電池板的材料中產生電位不平衡來產生電流,從而將太陽光轉化為電能。
這些電池板的工作做得非常好,但在火星軌道以外的深空或惡劣條件下,如火星塵暴或月球上的長夜,太陽光根本無法產生所需的能量。
作為一個替代方案,許多深空飛行器攜帶多任務放射性同位素熱發電機(MMRTG),利用溫度梯度來發電。換句話說,放射性同位素產生熱量,熱電偶將熱量直接轉化為電能。這是一個工程師們熟悉的原理,在地球上被廣泛用於諸如煤油動力收音機和營地爐子,也可以為移動設備充電。
MMRTG的問題是它們相對笨重。例如,美國宇航局的毅力號火星車上使用的一對火星車,每個直徑25英寸(64厘米),長26英寸(66厘米),重量為99磅(45公斤)。它們每個都含有10.6磅(4.8公斤)的二氧化钚作為燃料,在放射性元素衰變時為固態熱電偶提供熱量。
因此,這些MMRTG是為非常大的航天器保留的,”毅力”號就像一輛SUV一樣大。這是因為所使用的系統只有這麼大的質量比功率,這是衡量一台機器每單位能產生多少瓦特的功率的標準。一輛家用汽車的質量比功率為50至100瓦/公斤,而一架戰鬥機的質量比功率約為10000瓦/公斤。相比之下,一個MMRTG的比率約為30W/kg。
通過研究可能的RTG的尺寸、重量和功率(SWaP)的熱力學,NASA項目希望將這一比率降低一個數量級,使其僅為3W/kg,同時體積的減少也同樣巨大。
它通過使用一種新的原理來做到這一點,這種原理基本上是太陽能電池板的反向工作方式。當太陽能電池板吸收光線時,部分光線被轉化為電能,大部分光線被轉化為熱能。新的放射性同位素電源的工作原理是熱輻射電池,其中紅外光的形式的熱量照射到由銦、砷、銻和磷等元素組成的不同組合的面板。這產生了一個與太陽能電池中的極性相反的電位差。
長話短說,熱輻射電池從熱量中產生電力,並以紅外光子的形式傾倒廢舊能量。這不僅與太陽能電池板的工作方式相反,而且效率更高。其結果是一種新的熱輻射發生器(TRG)。
如果這項新技術能夠實用化,這將意味著未來前往木星及更遠地方的任務,或前往月球極地的永久陰影坑的任務,可以使用立方體衛星大小的航天器,由小型發電機提供它們所需的所有電力。這意味著,例如,天王星旗艦任務的概念可以伴隨著一個小型的立方體衛星艦隊,通過提供更多的視角或作為與大氣層探測器的通信中繼來幫助探索。