Изотопные генераторы на Аполлонах, Луноходах и не только

Хе! Так даже это еще халява, сэр :)
Три эффекта, но по отдельности, а по отдельности они фигня :) Ну, или почти фигня :)
И ТЭГ как таковой там - не описывается.
В реальном ТЭГ Зеебек, Пельтье и Томсон работают втроем, с примкнувшим к ним Фурье, и получается такая каша, в которой без поллитры не разберешься...

Fakir> Хе! Так даже это еще халява, сэр
Fakir> Три эффекта, но по отдельности, а по отдельности они фигня Ну, или почти фигня
Fakir> И ТЭГ как таковой там - не описывается.
Fakir> В реальном ТЭГ Зеебек, Пельтье и Томсон работают втроем, с примкнувшим к ним Фурье, и получается такая каша, в которой без поллитры не разберешься...
Ы? Но там и описываются все эффекты, причем, кратко и в комплексе. Нужно лишь добавить пару абзацев про энергии Ферми, дописать про собссно ТЭГ, что, мол, так и так - ежели взять термопару и поместить ее в правильные условия, то все вышеописаное в куче - даст ток, хотя и не очень много. И всем будет совершенно ясно, что предмет - темный , хотя общее представление о нем имеется.

Что такое "Фурье" в контексте?

Фурье в контексте - закон теплопроводности, самой обычно, с градиентом температуры
А самое интересно в ТЭГ начинается, когда все эти ученые, и примкнувшие к ним часовщики, начинают действовать в сговоре Зеебек создаёт ЭДС, как следствие - ток, под принуждением которого Пельтье с Томсоном начинают носить тепло, Фурье активно путается у них под ногами со своей теплопроводностью (да и Томсон, говоря по правде, только мешает), ну и Ом с джоулевыми потерями и теплом - куда ж без него. Просто удивительно, что в конечном итоге еще остаётся какая-то полезная мощность!
Я, кстати, пока так и не просёк до конца - в точности ли равна вырабатываемая эл. мощность разнице теплот Пельтье на спаях, или же Томсон всё-таки влияет. Пишут весьма туманно - типа, дескать "при определённых температурных параметрах можно считать, что суммарный эффект Пельтье и Томсона приблизительно равен одному эффекту Пельтье с постоянным усредненным коэффициентом Зеебека" - мило и понятно, правда?

Fakir> Фурье в контексте - закон теплопроводности, самой обычно, с градиентом температуры
Не ассоциируется у меня. Градиент помню, что набла-квадрат - это Пуассон - помню, Фурье - не помню.

Fakir> Я, кстати, пока так и не просёк до конца - в точности ли равна вырабатываемая эл. мощность разнице теплот Пельтье на спаях, или же Томсон всё-таки влияет. Пишут весьма туманно - типа, дескать "при определённых температурных параметрах можно считать, что суммарный эффект Пельтье и Томсона приблизительно равен одному эффекту Пельтье с постоянным усредненным коэффициентом Зеебека" - мило и понятно, правда?
Ну так, по логике, ЭДС Томсона (как и ЭДС увлечения фононами) сонаправлена градиенту температуры. То есть, поскольку в ТЭГ ток идет то туда, то обратно, эти ЭДС должны компенсировать друг друга с точностью до разницы констант электрон-фононного взаимодействия в проводниках. Именно это тебе и написали.

Если в паре металлы с существенно отличной проводимостью (тут можно прям-таки по-школьному, высокая проводимость - фиговое взаимодействие с решеткой ), то разница может быть заметна. Чисто интуитивно - при разумных температурах для разумно выбраных материалов с большой разностью потенциалов - эффект во многие порядки меньше, можно забить. Но потенциалы с характеристиками решетки связаны неоднозначно, поэтому в общем случае - ХЗ.

ЗЫ ...кстати, подумалось: если использовать ТЭГ для перепада температур от 100К и ниже (например, на Уране - от 100К до 50К), там, где работают сверхпроводники, то можно получить от ТЭГ офигительный КПД: ибо при нулевом сопротивлении можно получить любое наперед заданное термосопротивление ТЭГ (теплопроводность-то - конечна), откуда следует огромная термоэлектрическая добротность.

ЗЫ ...интересная презентация:

Схема лунохода-

Татарин> Не ассоциируется у меня. Градиент помню, что набла-квадрат - это Пуассон - помню, Фурье - не помню.

Честно говоря, я сам помнил только Фика, так что специально посмотрел

Татарин> Ну так, по логике, ЭДС Томсона (как и ЭДС увлечения фононами) сонаправлена градиенту температуры.

Э, прости, какая-такая ЭДС Томсона? Эфф. Томсона (оффтоп: хорошо смотрится фраза - "Кельвин вывел соотношения Томсона") - он же не про ЭДС, а про доп. перенос тепла при наличии тока.

>То есть, поскольку в ТЭГ ток идет то туда, то обратно, эти ЭДС должны компенсировать друг друга с точностью до разницы констант электрон-фононного взаимодействия в проводниках. Именно это тебе и написали.

Там речь про тепловой баланс. И, насколько я понимаю, тут никакой полной компенсации за счёт "тока туда - тока сюда", получиться не может.

Татарин> ЗЫ ...кстати, подумалось: если использовать ТЭГ для перепада температур от 100К и ниже (например, на Уране - от 100К до 50К), там, где работают сверхпроводники, то можно получить от ТЭГ офигительный КПД: ибо при нулевом сопротивлении можно получить любое наперед заданное термосопротивление ТЭГ (теплопроводность-то - конечна), откуда следует огромная термоэлектрическая добротность.

Томсон-то некуда не денется даже при сверхпроводимости.
Ну и при таких температурных перепадах, и очень холодном горячем спае, особо больших КПД ожидать по-любому не приходится - чисто с точки зрения мсьё Карно.


Татарин> ЗЫ ...интересная презентация:

Аха, эт я уже видел Действительно, интересно, особенно всякие фишки в самом конце, типа материала "фононное стекло - электронный кристалл". Жаль только, что битым словом не говорится, для какого температурного диапазона они пригодны - у меня сложилось такое впечатление, что годятся больше для холодильников, чем для генераторов с высокой температурой горячего спая.

P.S. Как считаешь, насколько необходимо при описании принципа поминать всуе уровень Ферми и иже с ним? Не лучше обойти стороной, на уровне позапрошлого века? Сугубо феноменологически?

Можно ещё скачать научн-популярный фильм о Луноходе:
http://www.spacevideo.ru/films/5/f5.htm

"Секретной" информации нет, однако можно посмотреть систему терморегудирования в разных ракурсах, про неё говорится довольно много.
Только там тоже говорял про Полоний-210, а не про полонид иттрия. Что же там обогревало-то?

Серокой> Можно ещё скачать научн-популярный фильм о Луноходе:
Серокой> http://www.spacevideo.ru/films/5/f5.htm
Серокой> "Секретной" информации нет, однако можно посмотреть систему терморегудирования в разных ракурсах, про неё говорится довольно много.
Серокой> Только там тоже говорял про Полоний-210, а не про полонид иттрия. Что же там обогревало-то?
Полоний-210 в составе полонида иттрия. Сиречь химическое соединение полония-210 с иттрием.

S.I.>Сиречь химическое соединение полония-210 с иттрием.

Это я догадался, просто по той ссылке, что я кинул в посте #2, есть грелки, где и чистый полоний используется.

Никак не могу понять - как соотносятся количественно в термоэлементе контактная и объёмные ЭДС?

Кстати, любопытно, что американцы в изотопниках типа SNAP-11 предназначенных для работы на Луне, решили использовать кюрий (в природе не встречающийся) - для того, чтобы не нарушить баланс тяжёлых элементов на лунной поверхности и не портить научную картину.

Старый>>>> На первых трёх всё было аналогично.
haleev> Серокой>> Трёх?
Старый>> Да, первый погиб в аварии РН 19 февраля 1969 года.
haleev> Он не погиб
haleev> Авария была, да. Но его потом солдаты нашли - казарму отапливали.

Ну уж казарму им хрен отопишь Там тепловая мощность - пара сот ватт от силы. Куда уж казарму отапливать Скорее руки погреть или портянки посушить - вот это правдоподобнее

Ну уж казарму им хрен отопишь Там тепловая мощность - пара сот ватт от силы.

 

Наверное все же больше. Если тепловая 200 Вт. То сколько электрическая? 40?
Ну, и казармы разные бывают.

На луноходе электрической от изотопника вообще не было.
А так летали РИТЭГи и по 1,5 Вт в электричестве.

Чуть-чуть о термоэлектрическом преобразовании.

Термоэлектрическое преобразование.

В основе действия термоэлемента лежат два эффекта – Зеебека и Пельтье.
Первый, открытый в 1821 г. немецким физиком Т. И. Зеебеком, состоит в том, что если соединить последовательно несколько разнородных проводников, и поддерживать места спаев при разных температурах, в цепи возникнет напряжение.
Второй открыт в 1834 г. французским часовщиком Ж.Пельтье – при прохождении тока через спай двух различных проводников в нём (в зависимости от направления тока) выделяется или поглощается тепло.
В металлах термоэлектрические эффекты проявляются довольно слабо, поэтому ранние термоэлементы имели ничтожный КПД, и не получили широкого распространения до того, как в них стали применяться полупроводники. Первые в мире полупроводниковые ТЭГ были созданы в Ленинградском Физико-Техническом Институте в 1940-41 гг.
Эффект Зеебека объясняется тем, что средняя энергия электронов проводимости зависит от природы проводника и по-разному растет с температурой. Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не остановит поток электронов.
Причина возникновения явления Пельтье заключается в том, что средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока в разных проводниках различна. При переходе из одного проводника в другой электроны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счёт (в зависимости от направления тока). В первом случае вблизи контакта выделяется, а во втором — поглощается теплота Пельтье.
Электрическая цепь состоит из p- и n- ветвей термоэлемента и коммутационных пластин горячего и холодного спаев. Когда к термоэлементу подводится тепло, вследствие эффекта Зеебека возникает разность потенциалов, и в цепи начинает течь ток. Направление возникшего тока таково, что на горячем спае за счёт эффекта Пельтье тепло поглощается, а на холодном – выделяется. Таким образом, тепло переносится сквозь ТЭГ, и разность между теплотами Пельтье горячего и холодного спаев и есть полезная электрическая мощность. Но тепло переносится от горячего спая к холодному также за счёт теплопроводности материала, и это – потери в чистом виде. Дополнительные потери возникают в результате омического нагрева. Как видим, в ТЭГ много источников потерь, поэтому их КПД существенно меньше КПД цикла Карно – такими потерями приходится платить за ресурс и надёжность. Чтобы свести потери к минимуму, желательно, чтобы термоэлектрический материал был хорошим проводником электричества, и плохим – тепла. Последнее необходимо также для того, чтобы получить значительный перепад температуры между холодным и горячим спаями – это важно для повышения КПД, который составляет приблизительно 1% на 100 градусов перепада температур (в РИТЭГ обычно температура нагревателя порядка 1000 С, холодильника – 500 С). Этим требованиям лучше всего удовлетворяют сильно легированные полупроводниковые материалы. Наиболее широко используются кремний-германиевые сплавы (твёрдые растворы). Поскольку для работы в термоэлектрическом генераторе не требуется высокая чистота применяемых материалов, то генераторы получаются относительно дешевыми и успешно работают в условиях проникающей радиации.

Как и в случае фотоэлементов, КПД термоэлектрических преобразователей можно повысить, используя каскадные элементы.
Количество электрической энергии, генерируемое модулем, пропорционально квадрату разности температур на спаях модуля.
Для высокой надёжности работы преобразователя в целом отдельные термоэлементы соединяются последовательно-параллельно, чтобы выход из строя одного или нескольких термоэлементов не привёл к отказу всего генератора.


Две главных компоненты РИТЭГ – изотопный источник тепла и термоэлектрический преобразователь. Изотопный источник заключён в многослойную высокопрочную оболочку, которая должна выдерживать нагрев до высоких температур в течение длительного времени, а также удар при возможной аварии РН при выведении. По мере распада топлива в ампуле накапливается гелий (альфа-частицы), и его давление может достигать сотен атмосфер. Желательно, чтобы всё тепло, генерируемое источником, «выпускалось» наружу только сквозь термоэлементы, поэтому источник окружается теплоизоляцией с «окнами», в которых расположены термоэлементы. Их холодные спаи соединяются с радиаторными пластинами. КПД существующих РИТЭГ не превосходит 5-7%, в основном по той причине, что простейшие пластины-излучатели не могут обеспечить температуру холодного спая ниже 300 С, а температуру горячего нельзя поднять существенно выше 1000 С.

А ещё термопара работала в старой советской газовой колонке ВПГ-18, её ток питал соленоид удерживающий газовый клапан в открытом состоянии. У меня дома такая стояла...
Даже измерил её напряжение в горячем состоянии, порядка 0,01В.

S.I.> её ток питал соленоид удерживающий газовый клапан в открытом состоянии.
Красивое решение!

Радиохимическое производство по наработке полония-210 из облучённого висмута вступило в строй на заводе "Авангард" в 1952 году. Работы по проектированию и изготовлению РИТов ведутся на заводе с 1961 года. В них принимали постоянное участие ВНИИНМ, Радиевый институт АН СССР, ВНИИТФА, ПО "Маяк", институты биологического профиля и другие организации.
Рабочая температура РИТов достигает 1000 градусов Цельсия, а при аварийных ситуациях -1800 градусов, поэтому для изготовления источников используются специальные сплавы на основе тугоплавких и благородных металлов. Надёжность и экологическая безопасность источников подтверждается испытаниями, имитирующими как нормальный, так и аварийный режимы работы. Критерий надёжности - герметичность установки. За всё время существования производства на "Авангарде" не было ни одного случая разгерметизации изделия.
Первое время РИТы производились прежде всего для космических исследований. В 1962-1963 годах была достигнута возможность применения определённых радионуклидов для изготовления радионуклидных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов). В 1965 году состоялся запуск искусственных спутников Земли, оснащённых РИТЭГами типа "Орион". Работа этих объектов на орбитах подтвердила правильность выбранных решений. Появились новые конструкции, которые использовались, в частности, в луноходах. Целая серия РИТов для РИТЭГов и тепловых блоков космических аппаратов - таких, как "Высота-2" с тепловой мощностью 1000 Вт, "Возможность" (100 Вт), "Торос" и "Веер" (80 Вт) и "Пантера" (8,5 Вт) - продолжили космическую эпопею. РИТ "Пантера" использовался на пенетраторе научно-исследовательского комплекса "Марс-96", а также в составе РИТЭГов для снабжения электрической и тепловой энергией научных приборов и аппаратуры малой станции этого комплекса.
В 1999-2002 годах завод "Авангард" совместно с ВНИИЭФ создал РИТЭГ с РИТ на основе плутония-238. Этот небольшой прибор, который может в течение 50 лет обеспечивать энергией радиомаяк, использовался в качестве автономного энергоисточника в системе дистанционного мониторинга хранилищ ядерных материалов. Большой интерес представляет также источник тепла, созданный для аппарата "искусственное сердце".
При выработке концепции обеспечения радиационной безопасности наши специалисты уже на начальном этапе создания РИТ сочли необходимым обеспечить сохранение герметичности конструкции изделия по отношению к изотопу во всех режимах эксплуатации, включая аварийные и послеаварийные условия нахождения его на воздухе, в грунте и в воде.

Лучшим подтверждением высокого качества и надежности радиоизотопного источника тепла на основе полония-210, являются:
1. Сохранение герметичности при аварии ракетно-космического комплекса в декабре 1969 года на космодроме "Байконур", когда ракета взорвалась на высоте в несколько километров и тепловой блок, содержащий РИТ, упав на полигоне, был обнаружен в герметичном состоянии.
2. "Луноход-1" функционировал 322 суток (с 17 ноября 1970 года по 4 октября 1971 года), а "Луноход-2" 220 суток, что существенно превышало требования технического задания (105 суток).

Подборка новостей от июня 2005:

США спустя 20 лет возобновляют производство плутония

Впервые после окончания "холодной войны" Соединенные Штаты намерены возобновить производство плутония-238. В рамках программы, которая рассчитана на 30 лет, в Национальной лаборатории Айдахо планируется произвести 330 фунтов (150 кг) этого радиоактивного материала, сообщает сегодня газета New York Times со ссылкой на правительственные источники. Стоимость проекта, предположительно, составит 1,5 млрд долл. По словам представителя Министерства энергетики США Тимоти Фрейзера, возобновление обогащения плутония-238 обусловлено интересами национальной безопасности. Он также подчеркнул, что программа не связана ни с ядерным оружием, ни с военными космическими разработками. Однако некоторые эксперты, не связанные с проектом, ставят под сомнение его мирную направленность. По их мнению, плутоний-238 может использоваться в качестве топлива для компактных спутников-шпионов, которые не смогут быть выслежены и будут неуловимы для противника.

...

Администрация президента Буша планирует возобновить производство изотопа плутония 238. Как заявляют официальные лица, он будет использоваться в "секретных миссиях" . В настоящее время США импортируют этот изотоп из России и, как полагают эксперты, Вашингтон хотел бы избавиться от российской "радиоактивной зависимости". "Мы начинаем производство плутония в интересах национальной безопасности",?- цитирует газета "Нью-Йорк таймс" главу отдела по изотоповым источникам питания департамента энергетики Тимоти Фрейзера. Однако Фрейзер опроверг предположения, что полученные радиоактивные материалы будут использоваться для производства ядерного оружия или окажутся на искусственных спутниках в космосе.

...

Этот изотоп использовался и для обеспечения энергоснабжения различных шпионских устройств, и в медицине. Как полагают эксперты, плутоний 238 будет использоваться в аппаратах, используемых при ведении технической разведки на суше и под водой.
...

В соответствии с двусторонним соглашением с Россией американцам запрещено применять российский плутоний-238 в военных целях. Желание избежать подобного запрета и заставляет США возобновить его производство. "Главная причина — интересы нашей национальной безопасности", — приводит газета "Нью-Йорк таймс" слова Тимоти Фрезьера, руководителя отдела систем радиоизотопной энергии министерства энергетики США.

 

А между прочим, предположение об использовании изотопников на секретных разведспутниках - очень здравое! Особенно на фоне Мисти. Избавиться от солнечных панелей - значит, сущестенно понизить заметность и в радиодиапазоне, и в оптике. Далее - возможны варианты. 1) Такую фигню если и заметят, то не смогут правильно классифицировать. 2) Можно оснастить аппарат конусом, как и Мисти, но конус будет меньше и проще.

А как дела с разработкой/выделением 232 урана для тех же целей? Есть какая-нибудь информация?

150кг за 30 лет — не фонтан, мягко говоря.. За столько денег уж лучше реактор делать, тем более у них есть Топаз — совсем не с нуля уже.

Пусть 16х500 на 30 лет — это на два поколения спутников по 15 лет, т.е. 8х500 на всё. 4кВт — даже серьёзный маневровый движок не запитать. Эта "программа" больше похожа на беленькую ширму для серого импорта.
yuu2 уже похоронил амтеки — они долго не живут, стирлинг ещё не готов, на 15 лет точно не готов.