Использование термоэлектрических устройств в тепловом регулировании космических аппаратов

Применение в тепловом регулировании космических аппаратов

Термоэлектрические устройства не являются универсальным решением, но их уникальные характеристики делают их технологией выбора для нескольких критических задач управления температурой.

Прецизионное охлаждение научных приборов

Многие научные полезные нагрузки работают при криогенных или околокриогенных температурах для снижения теплового шума и улучшения чувствительности. Например, среднеинфракрасные спектрометры на спутниках наблюдения Земли требуют детекторов, охлаждаемых ниже 80 К. В то время как механические криоохладители (например, Стирлинг или охладители импульсных труб) могут достигать очень низких температур, они вводят вибрацию, которая ухудшает качество изображения. Термоэлектрические охладители не имеют вибрации и могут быть интегрированы непосредственно в пакет детектора, обеспечивая охлаждение первой стадии до примерно 200 К. Для более глубокого охлаждения TEC часто используются в качестве верхней стадии гибридной системы, предварительно охлаждая тепловую нагрузку до того, как механический криоохладитель. Миссия Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) и инструмент NICMOS космического телескопа Хаббла полагаются на термоэлектрическое охлаждение для определенных подсистем.

Энергогенерация в глубоком космосе (RTG)

RTGs были источником энергии рабочей лошадки для исследования глубокого космоса с 1960-х годов. Типичный RTG содержит ядро гранул из диоксида плутония-238, которые производят тепло через альфа-распад. Это тепло проводится в банк термоэлектрических модулей (обычно из кремния-германия или теллурида висмута), которые генерируют постоянный ток. Ни движущиеся части, ни жидкости, ни горение. Эффективность RTGs улучшилась с примерно 4% в ранних конструкциях до более 7% в современных многоцелевых RTG (MMRTG), используемых в Марсианской научной лаборатории и вездеходах Perseverance. Хотя эта эффективность кажется низкой, плотность энергии плутония-238 настолько высока, что RTGs может производить сотни ватт энергии непрерывно в течение десятилетий. NASA активно разрабатывает передовые RTG с использованием скуттерудитных термоэлектрических материалов, которые могут повысить эффективность выше 10% и обеспечить еще большую мощность для требовательных миссий, таких как Europa Clipper.

Активный терморегулятор для батарей и электроники

Аккумуляторы космических аппаратов особенно чувствительны к температуре. Литий-ионные элементы, используемые в современных спутниках, лучше всего работают между 15°C и 35°C. Если батарея становится слишком холодной, ее внутреннее сопротивление повышается, емкость падает, и она может не доставлять необходимую мощность. Если она становится слишком горячей, тепловой бег становится риском. Термоэлектрические охладители и нагреватели (TEC могут быть отменены для обеспечения нагрева путем переключения текущего направления) встроены в аккумуляторные батареи для поддержания оптимального температурного диапазона. Аналогично, мощная электроника, такая как блоки обработки данных и передатчики, генерирует тепло, которое должно быть отклонено в космос. TEC могут активно перекачивать тепло от этих компонентов к радиатору, даже когда компонент холоднее, чем радиатор (что было бы невозможно в пассивной системе). Эта возможность жизненно важна для космических аппаратов на орбитах с большими тепловыми вариациями, такими как геостационарные спутники, которые испытывают сезонные затмения.

Тепловое управление компонентами контроля отношения

Реакционные колеса, гироскопы и звездные трекеры должны работать в пределах плотных термических допусков для поддержания точности указания. Изменение температуры всего на несколько градусов может вызвать механическое расширение или сокращение, которое ухудшает производительность. Малые термоэлектрические контроллеры часто прикрепляются к этим компонентам для стабилизации их температуры. Например, космический телескоп Hubble использует TEC на своих датчиках тонкого наведения, чтобы предотвратить тепловой дрейф, который иначе размыл бы изображения. Аналогично, космический телескоп Джеймса Уэбба, несмотря на массивный солнечный щит и пассивное охлаждение, использует TEC для тонкой настройки температуры определенных критических оптик и механизмов.

Преимущества и ограничения термоэлектрических устройств

Ключевые преимущества

• Никакие движущиеся части: Устраняет трение, износ и необходимость смазки, которые являются основными точками отказа в других системах термоконтроля. Это напрямую переводится на высокую надежность и длительный срок службы.
• Компактный и легкий: Типичный модуль TEC имеет толщину всего несколько миллиметров и весит несколько граммов.Множественные блоки могут быть расположены в массивах без добавления значительной массы к космическому кораблю.
• Безмолвная работа: Отсутствие акустического шума или вибрации, защита чувствительных приборов и избегание помех экспериментам с микрогравитацией.
• Би-направленная способность: Одно и то же устройство может нагревать или охлаждать, просто обращая ток, упрощая электронику управления температурой и позволяя работать в различных тепловых средах.
• Никаких расходных материалов:] В отличие от криогенных жидкостей или химических нагревателей, термоэлектрические устройства не требуют пополнения, что необходимо для миссий, длящихся годами или десятилетиями.
• Радиационная толерантность: Полупроводниковые термоэлектрические материалы по своей природе устойчивы к ионизирующей радиации, обнаруженной в космосе, поскольку они не полагаются на хранение заряда или уязвимые оксиды затвора, такие как некоторые электронные устройства.

Ограничения и вызовы

• Умеренная эффективность: Коэффициент производительности (COP) ТЭЦ обычно колеблется от 0,5 до 1,5 для охлаждения, что намного ниже, чем у паро-сжатых холодильников. TEG преобразуют только 5-10% теплового входа в электричество. Эта эффективность принципиально ограничена показателем материала по заслуге zT, который задается (α2σ/k)T, где α — коэффициент Зеебека, σ — электропроводность, k — теплопроводность, а T — абсолютная температура.
• Требование отвода тепла: ТЭЦ должны отбрасывать накачиваемое тепло плюс нагрев Джоуля от тока в радиатор. В пространстве этот теплоотвод обычно является радиатором, который добавляет массу и площадь поверхности. Если радиатор не может быть достаточно холодным, производительность ТЭЦ ухудшается.
• Материальная деградация с течением времени: При высоких температурах (выше 500 °C) диффузия и сублимация могут деградировать термоэлектрические ножки и соединительные материалы. Для длительных высокотемпературных РТГ необходимы передовые технологии покрытия и инкапсуляции.
• Стоимость и дефицит высокопроизводительных материалов:] Многие из лучших термоэлектрических материалов (например, теллурид висмута, теллурид свинца и скуттерудиты) дорого синтезируют или содержат редкие элементы. Это ограничивает их использование для высокоценных миссий, таких как научные космические аппараты и зонды глубокого космоса.
• Ограниченный температурный подъем для одноступенчатых TEC: Один модуль TEC обычно может производить максимальную разницу температур около 70 ° C. Для приложений глубокого охлаждения необходимы многоступенчатые модули, которые резко уменьшают общую КС и увеличивают сложность.

Текущие исследования и перспективы на будущее

Несмотря на эти ограничения, термоэлектрическая технология быстро развивается, что обусловлено как космическими, так и наземными приложениями, такими как восстановление тепла в автомобилях и промышленных процессах.Исследователи проводят несколько стратегий для повышения производительности.

Продвинутые материалы с более высоким zT

Безразмерная цифра заслуга zT была основной целью для ученых-материалистов. В течение десятилетий zT ~ 1 считался практическим пределом, но недавние прорывы подтолкнули значения выше 2,5 в лабораторных образцах. Скуттерудиты (компоненты на основе кобальта: 1,8] (композиции на основе кобальта-арсенида) предлагают значения zT 1,5-1,8 при высоких температурах и уже квалифицируются для RTG следующего поколения. Сплавы полу-Хойслера и тин селенид также являются перспективными. Наноструктурирование — создание материалов с зернами или особенностями в нанометровом масштабе — снижает теплопроводность решетки без значительного влияния на электропроводность, усиливая zT. Лаборатория реактивного движения Министерства энергетики США и другие центры НАСА активно тестируют эти материалы в космических условиях.

Сегментированные и каскадные модули

Поскольку различные термоэлектрические материалы лучше всего работают в разных диапазонах температур, инженеры разрабатывают сегментированные модули, в которых несколько типов материалов расположены последовательно от горячей стороны к холодной стороне. Например, высокотемпературный сегмент из скуттерудита может быть связан с среднетемпературным сегментом теллурида свинца, который, в свою очередь, соединяется с низкотемпературным сегментом теллурида висмута. Такие каскадные конструкции могут более эффективно преобразовывать тепло в широком диапазоне температур, потенциально повышая эффективность TEG до 15% или более.

Термоэлектрические активные системы охлаждения

Вместо использования только TEC, некоторые будущие архитектуры предлагают комбинировать термоэлектрические модули с небольшими тепловыми трубами или петлевыми тепловыми трубами для более эффективного распределения тепла. Термоэлектрический тепловой насос может быть использован для «поднятия» тепла от холодного компонента к промежуточному радиатору, из которого происходит более эффективное пассивное излучение. Проект NASA Система управления тепловой энергией (TEMS) продемонстрировал лабораторные прототипы, которые уменьшают колебания температуры батареи более чем на 80% в смоделированных условиях низкой околоземной орбиты.

Интеграция с аддитивным производством

В настоящее время изучаются методы 3D-печати для изготовления термоэлектрических модулей со сложной геометрией и индивидуальными градиентами материала. Это может позволить прямую интеграцию TEC в структурные панели космических аппаратов или даже в стенки электронных корпусов, экономя массу и улучшая тепловой контакт. Аддитивное производство также позволяет создавать новые архитектуры, такие как тонкопленочные термоэлектрические охладители, которые могут быть нанесены непосредственно на чувствительные чипы детектора.

Заключение

Термоэлектрические устройства зарекомендовали себя как незаменимые инструменты для теплового регулирования космических аппаратов и выработки электроэнергии. Их твердотельный характер, надежность и двунаправленная способность делают их уникальными для суровой, не требующей обслуживания среды космоса. От охлаждения чувствительных детекторов на Космическом телескопе Хаббла до питания зондов Voyager в течение полувека, эти скромные полупроводниковые модули тихо позволяют некоторые из величайших научных достижений человечества. В то время как эффективность остается проблемой, текущие исследования материалов, наноструктурирование и инновационные конструкции систем обещают еще больше расширить границы производительности. По мере того, как космические исследования углубляются в Солнечную систему и за ее пределами, термоэлектрическая технология будет продолжать развиваться, гарантируя, что будущие космические аппараты могут выжить и процветать в самых экстремальных тепловых средах, которые можно себе представить.

Для дальнейшего чтения изучите обзор энергетических систем NASA Вояджера , подробное объяснение программы RTG DOE и последние исследования высокопроизводительных термоэлектрических материалов в природе . Инженеры, разрабатывающие новые миссии, должны проконсультироваться с Программой электронных деталей и упаковки NASA для получения квалификационного руководства по термоэлектрическим модулям космического класса.