Чтобы увидеть новое поколение спутников CubeSat для дальнего космоса, НАСА дало зеленый свет проекту Рочестерского технологического института по разработке ядерного источника энергии, который в десять раз меньше тех, которые в настоящее время используются для планетарных миссий.
Большинство спутников, используемых сегодня, питаются от солнечных панелей, которые превращают солнечный свет в электричество, поглощая фотоны, чтобы создать потенциальный дисбаланс в материалах ячеек панели для генерации электрического тока. Эти панели очень хорошо справляются со своей задачей, но в дальнем космосе за пределами орбиты Марса или в суровых условиях, таких как марсианские пыльные бури или долгие ночи на Луне, солнечный свет просто не может производить необходимую энергию.
В качестве альтернативы, многие космические корабли для дальнего космоса несут многоцелевые радиоизотопные термоэлектрические генераторы (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, MMRTG), которые используют температурный градиент для выработки электроэнергии. Другими словами, радиоизотоп производит тепло, а термопары преобразуют тепло непосредственно в электричество. Этот принцип знаком инженерам и широко используется на Земле для таких вещей, как керосиновые радиоприемники и походные печи, которые также могут заряжать мобильные устройства.
Проблема с MMRTG заключается в том, что они относительно громоздки. Например, в паре, используемой на марсоходе НАСА Perseverance, каждый имеет диаметр 64 см, длину 66 см и весит 45 кг. Каждый из них содержит 4,8 кг заглушек из диоксида плутония в качестве топлива для подачи тепла к твердотельным термопарам по мере распада радиоактивных элементов.
В результате, эти MMRTG зарезервированы для очень больших космических кораблей, а Perseverance имеет размер с внедорожник. Это связано с тем, что используемая система имеет только определенную удельную мощность по массе, которая является мерой того, сколько ватт мощности может быть произведено на единицу машины. Семейный автомобиль имеет удельную мощность по массе от 50 до 100 Вт/кг, а истребитель — около 10 000 Вт/кг.
Напротив, MMRTG имеет соотношение около 30 Вт/кг.
Глядя на термодинамику размера, веса и мощности (Size, Weight, and Power - SWaP) возможного РИТЭГа (Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG), проект НАСА надеется уменьшить это отношение на порядок до 3 Вт/кг при столь же значительном уменьшении объема.
Это делается с использованием нового принципа, который по сути представляет собой солнечную панель, работающую в обратном направлении. Когда солнечная панель поглощает свет, часть его превращается в электричество, а большая часть — в тепло. Новый радиоизотопный источник питания основан на идее терморадиационной ячейки, в которой тепло в виде инфракрасного света попадает на панель с элементами из индия, мышьяка, сурьмы и фосфора в различных сочетаниях. Это создает разность потенциалов с обратной полярностью, чем в солнечных элементах.
Короче говоря, терморадиационная ячейка вырабатывает электричество из тепла и сбрасывает энергию потерь в виде инфракрасных фотонов. Это не только работает в обратном направлении по сравнению с солнечной панелью, но и с гораздо большей эффективностью. В результате появился новый терморадиационный генератор (ThermoRadiative Generator, TRG).
Если эту новую технологию можно будет воплотить в жизнь, это будет означать, что в будущих миссиях к Юпитеру и за его пределы, или к постоянно затененным кратерам лунных полярных регионов можно будет использовать космические аппараты размером с CubeSat с небольшими генераторами, дающими им всю необходимую мощность. Это означает, что концептуальная миссия Flagship Uranus, например, может сопровождаться небольшим флотом CubeSat, которые могли бы помочь в исследовании, предоставляя больше точек зрения или выступая в качестве ретрансляторов связи с атмосферными зондами.
Источник: NASA.