Радиоизотопный термоэлектрический генератор

прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов / Хабр

Так получилось, что в серии «Мирный космический атом» мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг — рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда «Кассини», а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.

Физика процесса

Производство тепла

В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта ⁵⁹Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к ⁵⁹Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится ⁶⁰Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин «период полураспада» означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех «обычных» элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:

3D карта изотопов, спасибо ЖЖ пользователю crustgroup за картинку.

Подбирая подходящий изотоп, можно получить РИТЭГ с требуемым сроком службы и другими параметрами:

Изотоп	Способ получения	Удельная мощность, Вт/г	Объёмная мощность, Вт/см³	Период полураспада	Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г	Рабочая форма изотопа
⁶⁰Со (кобальт-60)	Облучение в реакторе	2,9	~26	5,271 года	193,2	Металл, сплав
²³⁸Pu (плутоний-238)	атомный реактор	0,568	6,9	86 лет	608,7	Карбид плутония
⁹⁰Sr (стронций-90)	осколки деления	0,93	0,7	28 лет	162,721	SrO, SrTiO₃
¹⁴⁴Ce (церий-144)	осколки деления	2,6	12,5	285 дней	57,439	CeO₂
²⁴²Cm (кюрий-242)	атомный реактор	121	1169	162 дня	677,8	Cm₂O₃
¹⁴⁷Pm (прометий-147)	осколки деления	0,37	1,1	2,64 года	12,34	Pm₂O₃
¹³⁷Cs (цезий-137)	осколки деления	0,27	1,27	33 года	230,24	CsCl
²¹⁰Po (полоний-210)	облучение висмута	142	1320	138 дней	677,59	сплавы со свинцом, иттрием, золотом
²⁴⁴Cm (кюрий-244)	атомный реактор	2,8	33,25	18,1 года	640,6	Cm₂O₃
²³²U (уран-232)	облучение тория	8,097	~88,67	68,9 лет	4887,103	диоксид, карбид, нитрид урана
¹⁰⁶Ru (рутений-106)	осколки деления	29,8	369,818	~371,63 сут	9,854	металл, сплав

То, что распад изотопов происходит самостоятельно, означает, что РИТЭГом нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться и производить электричество годами, постепенно деградируя. Уменьшение количества делящегося изотопа означает, что будет меньше ядерных распадов, меньше тепла и электричества. Плюс, падение электрической мощности усугубит деградация электрического генератора.
Существует упрощённая версия РИТЭГа, в котором распад изотопа используется только для обогрева, без получения электричества. Такой модуль называется блоком обогрева или RHG (Radioisotope Heat Generator).

Превращение тепла в электричество

Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать:

Термоэлектрический преобразователь. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
Термоэмиссионный преобразователь. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток.
Термофотоэлектрический преобразователь. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
Двигатель Стирлинга — тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.

История

Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.

США

В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на ¹⁴⁴Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.

SNAP-3.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.

Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп — стронций-90.

SNAP-7.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность — десятки ватт. Например, SNAP-7D — 30 Вт при массе 2 т.

SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.

SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность — 25 Вт. Не использовались.

SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий — метеорологические спутники Nimbus, зонды «Пионер» -10 и -11, марсианские посадочные станции «Викинг». Изотоп — плутоний-238, энергетическая мощность ~40 Вт.

SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.

SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы «Аполлон». 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности.

MHW-RTG
Название расшифровывается как «многосотваттный РИТЭГ». 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством «Вояджеры». На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.

GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и летит к Плутону на «Новых горизонтах».

MMRTG
РИТЭГ для «Кьюриосити». 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.

Тёплый ~~ламповый~~ кубик плутония.

РИТЭГи США с привязкой по времени.

Сводная таблица:

Название	Носители (количество на аппарате)	Максимальная мощность		Изотоп	Вес топлива, кг	Полная масса, кг
Название	Носители (количество на аппарате)	Электрическая, Вт	Тепловая, Вт	Изотоп	Вес топлива, кг	Полная масса, кг
MMRTG	MSL/Curiosity rover	~110	~2000	²³⁸Pu	~4	<45
GPHS-RTG	Cassini (3), New Horizons (1), Galileo (2), Ulysses (1)	300	4400	²³⁸Pu	7.8	55.9–57.8
MHW-RTG	LES-8/9, Voyager 1 (3), Voyager 2 (3)	160	2400	²³⁸Pu	~4.5	37.7
SNAP-3B	Transit-4A (1)	2.7	52.5	²³⁸Pu	?	2.1
SNAP-9A	Transit 5BN1/2 (1)	25	525	²³⁸Pu	~1	12.3
SNAP-19	Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4)	40.3	525	²³⁸Pu	~1	13.6
модификация SNAP-19	Viking 1 (2), Viking 2 (2)	42.7	525	²³⁸Pu	~1	15.2
SNAP-27	Apollo 12–17 ALSEP (1)	73	1,480	²³⁸Pu	3.8	20

СССР/Россия

В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ «Лимон-1» на полонии-210, созданный в 1962 году:

Первыми космическими РИТЭГами стали «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии «Стрела-1» — «Космос-84» и «Космос-90». Блоки обогрева стояли на «Луноходах» -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии «Марс-96»:

В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании — серии «БЭТА», «РИТЭГ-ИЭУ» и многие другие.

Конструкция

Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию:

Перспективы

Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД — как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG — РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

Очень простая конструкция.
Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
Не требует управления и присмотра.

Недостатки:

Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
Низкий КПД.
Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.

Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.

Источники

Кроме Википедии использовались:

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) – Журнал "Все о Космосе"

РИТЭГ

РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — радиоизотопный источник электроэнергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГи значительно компактнее и проще конструктивно. Выходная мощность РИТЭГ весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при небольшом КПД. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.

Применение

РИТЭГ космического аппарата «New Horizons»

РИТЭГи, как правило, являются наиболее приемлемым источником энергии для автономных систем, нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгим для топливных элементов или аккумуляторов.

В космосе

Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс

РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах, имеющих продолжительную миссию и сильно удаляющихся от Солнца (например Вояджер-2 или Кассини-Гюйгенс), где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно.

Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда New Horizons к Плутону нашёл свое применение в качестве источника питания для аппаратуры космического аппарата. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида ²³⁸Pu, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и, по расчётам, 200 Вт к концу).

Зонды Галилео и Кассини были также оборудованы источниками энергии, в качестве топлива для которых служил плутоний. Марсоход Curiosity получает энергию благодаря плутонию-238. Марсоход использует последнее поколение РИТЭГов, называемое Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Это устройство производит 125 Вт электрической мощности, а по истечении 14 лет — 100 Вт.

РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в миссии Аполлон-14 (в центре).

Несколько килограммов ²³⁸PuO₂ использовались на некоторых миссиях Аполлонов для электропитания приборов ALSEP. Генератор электроэнергии SNAP-27 ( Systems for Nuclear Auxiliary Power), тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238.

На Земле

РИТЭГ применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, в СССР их использовали в качестве источников питания навигационного оборудования, установленного на побережье Северного Ледовитого океана вдоль трассы Северного морского пути. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

В США РИТЭГ использовались не только для наземных источников питания, но и для морских буев и подводных установок. Например, в 1988 году СССР обнаружил два американских РИТЭГа рядом с советскими кабелями связи в Охотском море. Точное количество установленных США РИТЭГ неизвестно, оценки независимых организаций указывали 100—150 установок на 1992 год.

Плутоний-236 и плутоний-238 применялся для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимулятор). По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор. До запрета на производство плутония-238 в США, ожидалось, что его применение может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов.

Топливо

Радиоактивные материалы, используемые в РИТЭГах, должны соответствовать следующим характеристикам:

Достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. Минимальный объём ограничен тепловой и радиационной стойкостью материалов, слабоактивные изотопы ухудшают энергомассовое совершенство установки. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно мал для высокой интенсивности распадов и распад должен давать достаточно много легкоутилизируемой энергии.
Достаточно длительный период поддержания мощности для выполнения задачи. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно велик для заданной скорости падения энерговыделения. Типичные времена полураспада изотопов, используемых в РИТЭГах, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с коротким периодом полураспада могут быть использованы для специализированных применений.
Удобный для утилизации энергии вид ионизирующего излучения. Гамма-излучение легко вылетает из конструкции, унося с собой энергию распада. Относительно легко могут улетать также нейтроны. Образующиеся при β-распаде высокоэнергетичные электроны неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. При α-распаде образуются массивные α-частицы, эффективно отдающие свою энергию практически в точке образования.
Безопасный для экологии и аппаратуры вид ионизирующего излучения. Значительные гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных конструктивных мер по защите персонала и близкорасположенной аппаратуры.
Относительная дешевизна изотопа и простота его получения в рамках имеющихся ядерных технологий.

Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Другие изотопы, такие как полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144,рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия были также изучены. Например, полоний-210 имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 140 Вт на грамм. Америций-241 с периодом полураспада 433 года и тепловыделением 0,1 Вт/грамм.

Плутоний-238 чаще всего применяется в космических аппаратах. α-распад с энергией 5,5 МЭв (один грамм дает ~0,54 Вт). Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год) с образованием высокостабильного изотопа ²³⁴U. Плутоний-238 является почти чистым альфа-излучателем, что делает его одним из самых безопасных радиоактивных изотопов с минимальными требованиями к биологической защите. Однако получение относительно чистого 238-го изотопа требует эксплуатации специальных реакторов, что делает его дорогим.

Стронций-90 широко применялся в наземных РИТЭГ советского и американского производства. Цепочка из двух β-распадов дает суммарную энергию 2.8 МЭв (один грамм дает ~0,46 Вт). Период полураспада 29 лет с образованием стабильного ⁹⁰Zr. Стронций-90 получают из отработавшего топлива ядерных реакторов в больших количествах. Дешевизна и обилие этого изотопа определяет его широкое использование в наземном оборудовании. В отличие от плутония, стронций имеет значительный уровень ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите.

Существует концепция подкритических РИТЭГ. Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества. Нейтроны источника захватываются атомами делящегося вещества и вызывают их деление. Основное преимущество такого генератора в том что энергия распада реакции с захватом нейтрона может быть гораздо выше энергии самопроизвольного деления. Например, для плутония это 200 МЭв против 6 МЭв спонтанного деления. Соответственно, потребное количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчете на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

По материалам Wikipedia

Почему ядерные батарейки так и не стали популярны? История почти забытой технологии

В прошлом футуристы видели транспорт будущего движимым за счет энергии от атомных источников питания. Маленькая батарейка (обычно светящаяся — так передавали образ художники) заменила бы тысячи литров бензина или дизельного топлива. Почти бесконечную энергию могли бы использовать не только машины, но и корабли, отправленные бороздить бескрайние просторы Вселенной.

Новость «Ученые разработали атомную батарейку для космических кораблей» вызвала бы определенный интерес. «Ну наконец-то», «Теперь заживем!» и «Сириус, держись!» — последовала бы примерно такая реакция. Но на деле «атомные батарейки» используются давно — аж с шестидесятых годов прошлого века. Каждая из них заслуживает отдельной истории.

Речь идет о так называемых радиоизотопных термоэлектрических генераторах — РИТЭГ (RTG). В качестве «движущей» силы они используют нагрев, то есть тепловую энергию. Это одно из основных отличий от атомных реакторов, в которых происходит цепная ядерная реакция. Реакторы используются давно, однако они имеют большие габариты и вес, а ведь мы говорим о «космических батарейках».

РИТЭГи планировалось использовать для космических аппаратов, но позже сферу применения расширили (в том числе на медицинскую технику, например электрокардиостимуляторы). Первыми новую технологию, по крайней мере официально, внедрили американские военные в спутниках Transit 4A и 4B. Батарею для них разработали в рамках программы SNAP-3.

Ей предшествовало появление SNAP-1 — тестовой платформы, в которой применяли цикл Ренкина (цикл преобразования тепла в работу) с использованием изотопа церия и ртути в качестве теплоносителя. Инженеры продолжили работу над проектом, пытаясь решить вопрос с защитой будущих астронавтов и груза от радиации, удержав вес системы в определенных рамках: иначе ракета не взлетит.

В итоге «щитом» в SNAP-2 стал усеченный конус, заполненный гидридом лития. Реактор разместили вверху, капсулу с условной командой и грузом — за нижней частью. Последовавшие испытания показали, что идея хороша, да только не работает: в определенных условиях, вероятность появления которых высока, смертельная доза радиации пройдет сквозь защиту. Кроме того, конструкция оказалась весьма взрывоопасной.

Ее изменяли, искали компромисс, нашли его — и вскоре появился SNAP-3, который стал первым РИТЭГом, примененным в космической программе. Атомные батарейки на плутонии-238, которого потратили 96 граммов, установили в навигационные спутники военных Transit 4A и 4B. Они выдавали 2,5 Вт электрической энергии (тепловая была намного больше). Это был 1961 год.

Спустя еще примерно год Transit 4B и некоторые другие спутники были повреждены из-за проведенных США ядерных испытаний в рамках программы Starfish Prime. Тогда на высоте 400 километров взорвали 1,44-мегатонный заряд, устроив небесный фейерверк, а заодно повредив собственную технику. Ведь ядерную энергию воспринимали как-то не всерьез.

Ну а первым советским спутником с РИТЭГом стал «Космос-84» (его движение можно отследить и сейчас), получивший систему «Орион-1» в 1965-м.

Ошибок случалось немало, в том числе после того, как в гонку «радиоактивных» спутников включился СССР, который вначале использовал полоний-210, а затем перешел на уран-235. Иногда атомные батарейки падали в океан (упоминается несколько случаев), другие горели в атмосфере или были уничтожены при запуске. Были вопросы и к конструкции советских космических аппаратов: ситуацию можно сравнить с водителем, выбрасывающим весь мусор (которого тонны) из машины в окно — чего только не оказалось на мусорной орбите вокруг Земли!

Собственный опыт и опыт «коллег» подтолкнул американских инженеров к тому, чтобы разработать системы, которые активируются лишь после удаления от Земли.

Это было важно, так как мощность батареек планировали нарастить. Однако особенно преуспели в этом Советы, которые быстро перешли на киловаттные установки, но уже в 1970-е. Американцы также запустили экспериментальный вариант на 500 Вт (и 30—40 кВт тепловой энергии) в 1975 году. Это была миссия SNAPSHOT и аппарат SNAP-10A с компактным ядерным реактором: он был менее 40 сантиметров в длину и чуть более 22 сантиметров в диаметре, при этом его вес составлял 290 килограммов.

Здесь стоит упомянуть, что в 1970-х годах и ранее NASA, как и СССР, изучало возможность создания действительно мощной ядерной установки для космических аппаратов, которую можно было бы устанавливать именно на корабли, а не использовать лишь в относительно небольших спутниках.

В рамках проекта NERVA, например, были испытаны ЯРДы (ядерные ракетные двигатели, относятся к радиоизотопным источникам энергии, как и РИТЭГ), способные произвести до 4500 мегаватт тепловой энергии и 1,1 млн ньютонов реактивной тяги (половина тяги маршевого двигателя шаттла), работая до 90 минут. Плюс таких двигателей — в значительном сокращении времени полета. Но это другая история, которая пока не закончилась.

За пределы околоземной «кольцевой дороги» американские РИТЭГи отправились в 1969 году. Модификация одного из них обогревала измерительный инструмент, который взяли с собой участники миссии «Аполлон-11». Другой установили в комплект научных инструментов ALSEP в «Аполлоне-12» для изучения Луны, а также последующих миссиях.

Советы сыграли в «догонялки», и в 1970-м появился «Луноход-1» с радиоизотопным нагревателем (RHU) — и США, и СССР использовали технологию не только для выработки энергии, но и для обогрева электроники.

Часто высказывается идея, что высокоэффективного источника энергии из РИТЭГа не получится. И пока это так. Однако подобные системы практически незаменимы при отправке зондов на сверхдальние расстояния — туда, где солнечные батареи бесполезны. Первопроходцем в этом деле стала межпланетная станция «Пионер-10», отправленная в космос 3 марта 1972 года.

На нее установили четыре РИТЭГа SNAP-19s (для питания и обогрева). Перед запуском они выдавали 155 Вт электроэнергии, но при подлете к Юпитеру показатель снизился до 140 Вт. Этого было более чем достаточно для работы систем, потреблявших 100 Вт, но к 2001 году энергии уже едва хватало на поддержание функционирования лишь некоторых модулей.

Очередной вехой в развитии технологии стала разработка MHW-RTG для «Вояджеров», отправленных в дальнее путешествие в 1977 году. До этого новые системы прошли обкатку в спутниках на околоземной орбите. Каждый из космических аппаратов получил по три РИТЭГа общей электрической мощностью 470 Вт на момент запуска с перспективой снижения электрической мощности в два раза примерно через 88 лет. Источниками энергии стали 24 спрессованные сферы из оксида плутония. Плюс на борту имелось по девять нагревателей RHU (их может быть и больше, они устанавливаются точечно в рассчитанных местах).

Спустя пару лет после запуска «Вояджеров» США временно вышли из гонки, а СССР, напротив, наращивал количество запущенных спутников — это были аппараты серии УС-А. Но на них устанавливали ядерные энергетические установки БЭС-5 «Бук», работавшие на уране. Их электрическая мощность составляла 3 кВт при тепловой мощности 100 кВт, что заметно превосходило показатели американских систем, работавших по несколько иному принципу.

Срок работы спутников с «Буками» был заметно меньше: он составлял около полугода (потом аппарат становился мусором, который летает вокруг Земли до сих пор), и это при более высоком весе ядерного топлива. Поэтому требовались регулярные запуски, с которыми то и дело не ладилось. На смену БЭС-5 пришли ядерные установки «Топаз», которые были мощнее предшественников более чем в два раза. Однако новые системы получили лишь два спутника, и один из них был уничтожен.

В дальнейшем страны вновь поменялись местами (одна попросту перестала существовать), и успеха добивались лишь США, осваивая очередную технологию — GPHS-RTG (это модернизированные РИТЭГи). Однако какого-то значительного шага вперед с точки зрения эффективности сделано не было.

Новые «атомные батарейки» устанавливали в автоматическую межпланетную станцию (АМС) «Улисс», изучавшую Солнце и Юпитер; в спускаемый зонд «Галилео» для исследования атмосферы Юпитера; в станцию «Кассини-Гюйгенс», которая исследовала Сатурн, его кольца и спутники; в АМС «Новые горизонты», выполняющую программу исследования объектов Солнечной системы.

Наконец, на базе старого SNAP-19 была разработана система MMRTG, которая помогла роверу Curiosity исследовать Марс (и помогает до сих пор).

Китай также предпринял попытки использовать технологию — в АМС «Чанъэ-3» и вездеходе «Юйту», прибывшем на Луну тем же «рейсом». Точно не известно, были это источники питания или обогреватели, так как данные разнятся. Не исключено, что РИТЭГ был дублирующей системой в дополнение к солнечным батареям.

Что дальше?

NASA и министерство энергетики США ведут экспериментальный проект Kilopower. В рамках него планируется разработать систему, которая позволит активнее путешествовать по Солнечной системе. Правда, это уже не «атомные батарейки», а стационарная система на обогащенном уране. Плюс ее состоит в том, что инженерам, судя по всему, удалось достичь неплохих показателей КПД в 30%. Для сравнения: у РИТЭГа он составляет 3—7% и даже в экспериментах не превышал 10%.

Не исключено, что развитие получит и проект NERVA по разработке ядерного ракетного двигателя для межпланетных полетов. В 2019 году сообщалось о выделении средств — может, в 2024-м появится демонстрационная модель.

Что касается «атомных батареек», то самые эффективные их образцы пока можно найти лишь в научной фантастике. В последнее время плутоний, уран и другие элементы таблицы Менделеева в качестве источников питания практически не рассматриваются.

Судя по всему, очередной MMRTG получит марсоход Perseverance («Настойчивость»), который окажется на Красной планете в начале 2021 года. Там он займется поисками признаков древней жизни, будет изучать грунт и искать лед. А вот дальнейшее применение технологии под вопросом — в том числе из-за недостатка плутония, которого было много благодаря холодной войне. Сейчас производить нужный элемент дорого, так как подходит не все сырье и объемы мизерные — сотни граммов в год.

Однако не только цена и технологические сложности стали преградой для развития этого источника энергии.

Список источников: SpaceNews, New York Times, NASA, Quartz, Space, Popular Science, World Nuclear Association, US Department of Energy, Aerospace America, Wikipedia.

Читайте также:

Библиотека Onliner: лучшие материалы и циклы статей

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. [email protected]

10 лет на плутониевых батарейках / Хабр

10 лет прошло с момента выхода на орбиту аппарата Кассини-Гюйгенс. Интернет пестрит красивыми фотографиями и инфографикой

Пока Elon Musk разбирается с батарейкой для электромобиля в космосе используют 10-ти летние «атомные батарейки».

Из-за большого расстояния Сатурна от Солнца невозможно использовать солнечный свет как источник энергии для аппарата.
Поэтому используют радиоизотопный источник электроэнергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

Таблетка , раскаленная докрасна вследствие значительного энерговыделения в условиях термической изоляции.

На борту Кассини было 32,8 кг высокочистого
(для понимания масштаба: в 2013 году Национальная лаборатория Оук-Ридж начала производство плутония-238, с проектной мощностью в 1,5-2 килограмма изотопа в год)

Стоимость 1 килограмма российского составляет около 1 миллиона долларов

На два гарантированных земных года работы на поверхности Марса аппарату Curiosity понадобилось всего 4,77 кг радиоактивной «еды». Однако, энергии в его РИТЭГе может хватить на 10-15 лет.

Под катом несколько фотографий РИТЭГ перед установкой на Кассини

"
Размеры солнечных батарей в зависимости удаления от солнца (из документов NASA)

1 грамм генерирует пол ватта тепловой энергии

Термоэлектрогенератор предназначен для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов

Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс

Устройство генератора

Устройство нагревателя

Масштаб

(На Кассини 82 шт, на Гюйгенсе — 35 шт. Output 292 Watts electric at beginning of mission)

Видео, содержит тесты РИТЭГа, только для другого аппарата — Галилео

UPD: Виртуальный тур на производство РИТЭГ

ПС
О «разборках» России и Америки по поводу
Пентагону не хватило российского плутония (28 июня 2005)

РИТЭГ: «сердца» космических роботов, или оружие террористов? (27.08.2013)

ППС
итог 10 лет работы Кассини