מדוע נדרש Spacecraft Advanced Thermal Regulation

חלל פועל בסביבה התרמית הקיצונית ביותר שניתן להעלות על הדעת.בסיבוב כדור הארץ נמוך, לוויין יכול לעמוד בפני טמפרטורות מעל 120 מעלות צלזיוס בצד השמש שלה, ובמקביל להשתוות ל-140 מעלות צלזיוס בצד האפל שלה. בחלל עמוק, רחוק מהשמש, טמפרטורות מתפתלות מרחפות רק כמה מעלות מעל אפס מוחלט.זה ללא רחמים תרמיים, בשילוב עם הריק של החלל, הופך את המיזוג המסורתי מבוסס או בלתי אפשרי על תפקודים על גבי לוח זמנים קבוע - כל כך חזק, מול גלאי קבוע, כל כך, אל תוך טמפרטורות קבוע, אל תוך טמפרטורה, כל כך מתוחכמות, כל כך מתוחכמות, ומשתנה, מטמפרטורה קבועה, וגרם לטמפרטורה קבועה, עד כדי לחץ, כל כך מתוחה, וגרם, על מנת למנוע, כל כך, על ידי כל כך, או מטווח קבוע, על ידי כל כך קשה, על ידי כל כך, על ידי גירוי, על ידי גירוי קבוע, על ידי כל כך, על ידי גירוי קבוע, על ידי כל כך, על ידי כל כך, על ידי גירוי קבוע, על ידי כל כך, על ידי כל כך, על ידי גירוי, על ידי מתכת, על ידי מתכת, על ידי מתכת, על ידי כל כך, על ידי כל כך, על ידי מתכת,

מכשירים אטומיים הופיעו כ-FLT:0 קומפקטי, קומפקטי ו- מוצק-stateureFLT 1 פתרון עבור רבים מהאתגרים האלה.בניגוד משאבות חום קונבנציונליות או גנרטורים אשר מסתמכים על נוזל נעים או מכונות רוטט, מכשירים תרמואלקטריים לנצל את המרה הישירה בין חום וחשמל באמצעות חומרים מוליכים למחצה. מאמר זה חוקר את הפיזיקה שמאחורי מכשירים אלה, היישומים הספציפיים שלהם בחלליות, , מנגנוני , ומגבלותיהם והבטחותיהם, ואפילו לקיצוץ יותר, כדי לקדם את המגבלותיהם, כדי לקדם אותם כדי לקדם אותם.

הבנת ההשפעות הירומאלקטריות

מכשירים אטומיים בנויים על שלוש תופעות פיזיות בסיסיות שנגלו במאות ה-19 והבתחילת המאה ה-20: ה-Seebeck, Peltier ואפקטי תומסון. בעוד שלעתים קרובות מתוארים בנפרד, השפעות אלה קשורות באופן אינטימי על ידי התרמודינמיקה של נושאי מטען ב מוצקות.

אפקט ה-Seebeck

בשנת 1821, תומאס יוהאן Seebeck הבחין כי מעגל שנוצר משני מתכות שונות הפיק מתח כאשר שני הצומתים נערכו בטמפרטורות שונות.מתח זה - כוח אלקטרו-קטר תרמואלקטרי - הוא פרופורציה להבדלים הטמפרטורה ואת חומר של Seebeck coefficient (α) בפרקטיקה המודרנית, doped Semiconductors (בדרך כלל bismuthal אלקטרוeride, אומר להוביל, או סיליקון-Fer) הם ראשי תיבות של כוח סיליקון יעיל יותר מאשר סגסוגת צהוב (R) אשר משמש את עוצמת חום (Rate) הוא חזק יותר מאשר סגסוגת צהובהאפקטים (Rate).

אפקט השכבה

התגלה על ידי ז'אן צ'ארלס אאנלי פילייר 12 שנים לאחר עבודתו של Seebeck, אפקט זה הוא בעצם הפוך: כאשר זרם חשמלי זורם דרך צומת של שני מוליכים שונים, חום נספג או שוחרר בצומת זה, בהתאם לכיוון של זרם נוכחי. A thermoelectric קריר (TEC) מנצל את אפקט Peltier כדי שואב חום מהצד הקר ועד חם, מתנהג כמו חום מוצק של משאבה עם שני חומרים מקר.

אפקט תומסון

לורד קלווין (ויליאם תומסון) מאוחר יותר מאוחד תצפיות אלה על ידי מניעת היחסים בין ה-Seebeck, פליאטי ותומסן coefficients.אפקט תומסון מתאר את החימום הבלתי הפיך או קירור המתרחש כאשר זרם זרמים לאורך מנצח שכבר יש לו טמפרטורות ⁇ , בעוד פחות בשימוש ישיר בעיצוב, זה קריטי עבור מודלים מדויקים של מכשירים תרמואלקטריים תחת טמפרטורות גדולות - למעשה את התנאים שנמצאו בחלל רבים.

סוגים של מכשירים נורמטיביים בחלל

עבור יישומים חלליים, שני סוגים עיקריים של מכשירים תרמואלקטריים הם:0 (TCs) תואמים: 2 סוגים עיקריים של גנרטורים תרמואלקטריים (TEGs) 3LT 3 (TECs) שניהם מורכבים מכמה p-type ו- n-type רגלים מחוברים חשמלית בסדרה ומדליקת תרמי בכריך, בין לוחיות קרמיקה, או חום (TE) הוא נצרך לחשמל (T) או חום (T) לחום (D).

Coolers (TECs)

TECs משמשים בכל מקום (FLT:0) precise, קירור מקומי קירור קירור: 1 נדרש ללא רעש, רטט, או לולאות נוזל של קירור קונבנציונלי. בחלל, הם חיישנים אינפרא אדום, מכשירים מופקדים מטען (CCDs), גלאי רנטגן, ואלקטרוניקה קוונטית טובה TEC יכול להשיג טמפרטורה שונה של 60-70 מעלות צלזיוס, אפילו לא יכול להיות מנקה יותר, כי הם לא יכול להיות מסוגל לייצר מחסנים שטח טיפוסית גבוהה יותר, כי הם לא יכול להיות מסוגל להגיע לטווח ארוך יותר מחסנים גדול יותר, כי הם לא יכול להיות מחסנים גדול יותר מחסנים, כי הם מחסנים מחסנים מחסנים מחסנים מחסנים גדול יותר מחסנים, אפילו מחסנים גדול יותר אלקטרוניקה.

גנרטורים (TEGs)

TEGs להמיר אנרגיה תרמית ישירות לחשמל. בחלל, מקור החום הנפוץ ביותר עבור TEGs הוא דעיכה רדיואקטיבית של פלוטוניום-238, במכשירים הנקראים FLT:0Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs)FLT:1 ; RTGs יש חללית מופעלת כולל 1 ו -2 (עדיין פועל יותר מ 45 שנים לאחר ההשקה), המסלול קאסיני שפותחו על ידי מערכות חשמל וניקוי, כמו גם מ-RIRSTR.

יישום ב-Spacecraft Thermal Regulation

מכשירים נורמטיביים אינם פתרון בגודל אחד, אך המאפיינים הייחודיים שלהם הופכים אותם לטכנולוגיה של בחירה עבור מספר משימות ניהול תרמיות קריטיות.

עקבו אחרי Scientific Instruments

עומסי תשלום מדעיים רבים פועלים בטמפרטורות מבוכות או ליד קריגניות כדי להפחית רעש תרמי ולשפר את הרגישות.לדוגמה, ספקטרום בינוני על לווייני ציות של כדור הארץ, דורשים גלאים קרירים מתחת 80 K. בעוד שכווצים מכניים (למשל, סטרלינג או דופק תבלינים) יכולים להשיג טמפרטורות נמוכות מאוד, הם מציגים כי דימות degrad de הדמיה מגובה עמוק לתוך מערכת קירור CDC.

Power Generation in Deep Space (RTGs)

RTGs היו מקור הכוח של העבודה למחקר עמוק בחלל מאז שנות ה -60. A RTG טיפוסי מכיל הליבה של פלוטוניום-238 אגן דו-חמצני המייצר חום באמצעות דעיכה אלפא.חום זה מתבצע לבנק של מודולים תרמואלקטריים (בדרך כלל עשוי דחיסות סיליקון-גרניום או דו-פרייט סלורגייד), אשר מייצר זרם ישיר, ללא נוזלים, ולאבוסים של יותר מ-מ"מ"מ"ר של תרופות מתקדמות (R) על פני כמות גבוהה של תרופות מתקדמות של תרופות (R) של תרופות מתקדמות של RTGV) אשר דורשות רדיו-M) אשר דורשות רדיו-M) על פני יותר מ-R7GVD (R.

בקרת גלקסיות Active Thermal Control for Batteries and Electronics

סוללות חלליות רגישות במיוחד לטמפרטורה.תאים ליתיום-יון המשמשים לווינים מודרניים פועלים בצורה הטובה ביותר בין 15 מעלות צלזיוס ל-35 מעלות צלזיוס.אם סוללה עולה קר מדי, ההתנגדות הפנימית שלה עולה, טיפות קיבולת, וזה עלול להיכשל כדי לספק כוח נדרש.אם זה מקבל חם מדי, ריצות תרמיות הופכת סיכון פעיל.

ניהול תרמי עבור Attitude Control Components

(הופנה מהדף גירוסקופים, ועוקבים כוכבים חייבים לפעול בתוך סובלנות תרמית הדוקה כדי לשמור על דיוק מצביעה.שינוי טמפרטורה של רק כמה מעלות יכול לגרום להתרחבות מכנית או התכווצות אשר מדגימות ביצועים. בועות חום קטנות לעתים קרובות מחוברים לרכיבים אלה כדי לייצב את הטמפרטורה שלהם.

יתרונות ומגבלות של מכשירים

יתרונות מפתח

  • (ב) אין חלקים נעים: 0 (לא נעים חלקים: 1) מבטלים חיכוך, ללבוש, ואת הצורך בלחיצת, שהם נקודות כשלון גדולות במערכות בקרה תרמיות אחרות.זה מתורגם ישירות לאמינות גבוהה ולחיים ארוכים.
  • (FLT:0)Compact and Weight:FLT:1 Aמודול טיפוסי TEC הוא רק כמה מ"מ עבה ומשקלו כמה גרם.
  • (ב) [15] אין רעש אקוסטי או רטט, הגנה על מכשירים רגישים ולהימנע מהתערבות בניסויים מיקרו-גרפיים.
  • (FLT:0) יכולת עקיפה: FLT:1) אותו מכשיר יכול לחמם או מגניב על ידי פשוט ניתוק הנוכחי, פשט אלקטרוניקה בקרה תרמית ומאפשר הפעלה בסביבה תרמית משתנה.
  • (ב) לא ניתן ליישב: 1 (ב) בניגוד לנוזלים מבוכים או תנורי חום כימיים, מכשירים תרמואלקטריים אינם דורשים שום חידוש, אשר חיוני למשימות לאורך שנים או עשורים.
  • (FLT:0)Radiationסובלנות: 1FLT:1 חומרים תרמואלקטריים למחצה עמידים מטבעם לקרינת ההיגוי שנמצאת בחלל, שכן הם אינם מסתמכים על אחסון מטען או תחמוצות שער פגיעות כמו כמה אלקטרוניקה.

גבולות ואתגרים

  • (FLT:0)Moderate יעילות: FLT:1 The coefficient of Performance (COP) של TECs בדרך כלל נע בין 0.5 ל-1.5 עבור קירור, הרבה יותר נמוך מאשר מקררים מדכאים של vapor. TEGs להמיר רק 5 עד 10% של הקלט החום לתוך חשמל.יעילות זו מוגבלת באופן בסיסי על ידי הערך של zT, אשר ניתן על ידי α / ⁇ t, כאשר הוא ⁇ t, הוא ⁇ t, הוא פועל ⁇ t, הוא ⁇ , הוא ⁇ , הוא ⁇ , הוא ⁇ , הוא ⁇ , הוא ⁇ , הוא ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) דרישת דחיית הדחייה: 1FLT:1 TECs חייב לדחות את החום המושע בתוספת חימום Joule מן הזרם לתוך כיור חום. בחלל, כיור חום זה הוא בדרך כלל קורנטור, אשר מוסיף מסה משטח.אם הרדיור לא יכול להישאר מגניב מספיק, הביצועים של TEC מתפתל.
  • (FLT:0) הידרדרות אווירית לאורך זמן:FLT:1 בטמפרטורות גבוהות (מעל 500 מעלות צלזיוס), דיפוזיה ונשגמות יכולות להפיג את הרגליים התרמואלקטריות וחומרים הקשורים.
  • (FLT:0) Cost ומחסור בחומרים בעלי ביצועים גבוהים: ⁇ FLT ( 1:1 רבים מהחומרים התרמואלקטריים הטובים ביותר (למשל, דוסמוט מספרד, מספרד מוביל, ו skutterudites) יקרים לסנתז או להכיל אלמנטים נדירים.זה מגביל את השימוש שלהם למשימות בעלות ערך גבוה כגון חלליות מדעיות וחיפושים עמוקים.
  • (FLT:0) הרמת טמפרטורה עבור שלבים יחיד TECs: FLT:1 מודול יחיד TEC יכול בדרך כלל לייצר הבדל טמפרטורה מקסימלי של כ 70 מעלות צלזיוס. עבור יישומים קירור עמוק, מודולים רב-שלבים נדרשים, אשר באופן דרמטי להפחית את ה-COP הכולל ולהגדיל את המורכבות.

מחקר ופיתוח עתיד

למרות המגבלות הללו, הטכנולוגיה התרמואלקטרית מתקדמת במהירות, מונעת הן מיישומים מרחביים והן ארציים כגון התאוששות מחממת במכוניות ובתהליכים תעשייתיים.

חומרים מתקדמים עם גבוה יותר ZT

[הנתון הממד של ה-ZT הוא המטרה העיקרית של מדענים חומריים.במשך עשרות שנים, zT של -1 נחשב למגבלה מעשית, אך פריצות דרך האחרונות דחפו ערכים מעל 2.5 בדגימות מעבדה.FLT:0Skutteruditess Active ZLT 1 (חומרי סגסוגת) מונעים באופן משמעותי של חומרים אחרים ללא סגסוגת של אנרגיה על ידי ננו-מטר (R) מציעים גם תכונות של 1.5-1.8 בטמפרטורות גבוהות של 1.5-DNVer:

מודולים מקיפים ו- Cascaded

מכיוון חומרים תרמואלקטריים שונים מבצעים את הטוב ביותר במגוון רחב של טמפרטורה, מהנדסים מעצבים מודולים מקטעים מרובים מסודרים בסדרה מן הצד החם לצד הקר.לדוגמה, מגזר עתירי גבוה עשוי של skutterudite ניתן להתחבר לקטע ביניים של ספירת גיל המעבר של ספירת מוביל, אשר בתורו מתחבר למגזר נמוך של טמפרטורות של bimuthuride יכול להיות מחובר לרמה גבוהה יותר של 15%, או יותר של טמפרטורה יעילה יותר, 000, 000, 000, 000, 000, יכול להיות מסוגל להגדיל את זה יכול להיות יותר.

מערכות קירור Active Cooling Systems

במקום להשתמש ב- TECs בלבד, כמה ארכיטקטורות עתידיות מציעות שילוב של מודולים תרמואלקטריים עם צינורות חום קטנים או צינורות חום לולאה להפיץ חום יעיל יותר. משאבת חום תרמואלקטרית ניתן להשתמש כדי "לרומם" חום מרכיב קר לרדיודיאטור ביניים, שממנו מתרחשת יותר קרינה פסיבית יעילה יותר.

שילוב עם ייצור תוספתי

טכניקות הדפסה תלת מימדיות נחקרות כדי לייצר מודולים תרמואלקטריים מורכבים עם גיאמטריה מורכבת ו ⁇ חומרים מותאמים.זה יכול לאפשר שילוב ישיר של TECs לתוך לוחות מבניים או אפילו לתוך קירות של מתחמי אלקטרוניים, לחסוך המונים ולשפר מגע תרמי.

מסקנה

המכשירים ההדרואלקטריים הוכיחו עצמם ככלי הכרחי עבור רגולציה תרמית ודור כוח.טבע המדינה המוצק, האמינות, ויכולת דו-כי-כי-פיית להפוך אותם מתאימים ייחודי לסביבה הקשה, ללא תחזוקה של החלל.מקירר הגלאים הרגישים על טלסקופ החלל האבל כדי לשרוד את ה-Weraksras במשך חצי מאה שנים, אלה מוליכים למחצה בלתי פוסקים בשקט מאפשרים כמה מהגדולים המדעיים ביותר, בעוד שעדיין ממשיכים לאתגרים של מערכת מתקדמת יותר, ולקדם חומרים מתקדמים יותר, כמו גם את הביצועים הסולאריים, ולקדם, ולקדם, כמו גם את הביצועים, כמו גם את הביצועים העמוקים יותר, בעוד שעדיין, כמו גם את התהליכים של מערכת השמש, ולקדם, כמו גם את הביצועים, ועוד יותר, ולקדם את הביצועים העמוקים יותר, ועוד יותר, ולקדם את הביצועים של מערכת השמש, כמו גם את הביצועים, ועוד יותר, ועוד, ועוד, ועוד, ועוד, ועוד, ועוד, כמו גם את הביצועים של מערכות מתקדמת יותר, כמו גם את הביצועים העמוקים יותר, כמו גם את הביצועים של מערכות השמש, ועוד יותר, כמו גם את הביצועים, כמו גם את הביצועים, כמו גם את הביצועים של מערכות מתקדמות יותר, כמו גם את הביצועים של מערכות מתקדמות יותר ויותר, כמו גם את הביצועים העמוק

(בקריאה נוספת, חקרו את הסקירה של נאס"א של תוכנית ה- RTG של NASA:0) למערכות הכוח של וודיגר (Voyager) 1 (Voyager) , והמחקר האחרון על חומרים תרמואלקטריים בעלי ביצועים גבוהים בטבעFLT:5 מהנדסים לפתח משימות חדשות צריך להתייעץ עם תוכנית LT6A NASA אלקטרונית ו-PLT להדרכה להכשרה לחללית 7.