Применение кремний-германиевых термоэлектриков в освоении космоса

Кремний-германиевые (SiGe) термоэлектрики используются для преобразования тепла в электрическую энергию на космических кораблях, в дальний космос, предназначенных для миссий НАСА с 1976 года. Этот материал используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ), которые питают «Вояджер-1 » , «Вояджер-2» , «Галилео» , Космические корабли «Улисс» , «Кассини» и «Новые горизонты» . Термоэлектрический материал SiGe преобразует достаточное количество излучаемого тепла в электрическую энергию , чтобы полностью удовлетворить потребности в мощности каждого космического корабля. Свойства материала и остальных компонентов РИТЭГ способствуют эффективности термоэлектрического преобразования.

Характеристики

Сильно легированные полупроводники , такие как кремний-германий ( SiGe термоэлектрические пары ) (также называемые термопарами или монопарами), используются в освоении космоса. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

SiGe Сплавы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами. Их эффективность в производстве термоэлектрической энергии характеризуется высокими безразмерными показателями эффективности (ZT) при высоких температурах , которые, как было показано, близки к 2 в некоторых наноструктурированных моделях -SiGe. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Устройства из сплава SiGe механически прочны и могут выдерживать сильные удары и вибрацию благодаря высокой прочности на разрыв (т. е. >7000 фунтов на квадратный дюйм) и низкой плотности дислокаций . ^{[ 3 ]}^{[ 6 ]} Материал SiGe поддается обработке на стандартном металлургическом оборудовании и легко склеивается при изготовлении компонентов. ^{[ 3 ]} Устройства из сплава SiGe могут работать при высоких температурах (т.е. >1300 ˚C) без ухудшения качества благодаря своей электронной стабильности, низкому коэффициенту теплового расширения и высокой стойкости к окислению . ^{[ 3 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Вблизи Солнца характеристики солнечных элементов ухудшаются из-за высокого потока падающих частиц и высоких температур из- за теплового потока . ^{[ 8 ]} Однако системы термоэлектрического преобразования энергии, в которых используются термоэлектрические материалы (например, сплавы SiGe) в качестве дополнительного источника энергии для миссий вблизи Солнца, могут работать без защиты в вакууме и воздушной среде при высоких температурах из-за их низкой чувствительности к радиационному повреждению . ^{[ 8 ]} Такие свойства сделали термоэлектрики SiGe удобными для производства электроэнергии в космосе . Многолистовая холодная сборка, состоящая из материалов из молибдена , вольфрама , нержавеющей стали , меди и оксида алюминия, обеспечивает изоляцию между электрическими и тепловыми токами системы. n-образная ножка SiGe, легированная бором , и p-ветвь SiGe, легированная фосфором, действуют как промежуточное звено между источником тепла и электрической сборкой.

Производство электроэнергии

SiGe термопары в РИТЭГах преобразуют тепло непосредственно в электричество . Для производства термоэлектрической энергии требуется постоянно поддерживаемая разница температур между соединениями двух разнородных металлов (т.е. Si и Ge) для производства маломощного в замкнутой цепи электрического тока без дополнительных схем или внешних источников питания. ^{[ 3 ]}^{[ 9 ]}

Большой набор термопар/единопар SiGe образует термобатарею , которая была включена в конструкцию радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ), используемых в миссиях «Вояджер» , «Галилео» , «Улисс» , «Кассини» и «Новые горизонты» . ^{[ 10 ]} На этих космических кораблях Pu-238 диоксид подвергается естественному распаду . Термопары/единопары SiGe преобразуют это тепло в в сотни ватт . электрическую мощность ^{[ 9 ]}

Сборка термопары/монопары

Термопары /единопары, прикрепленные к внешней оболочке, состоят из n-образной ножки из сплава SiGe, легированной SiGe, бором, и p-ветви легированной фосфором для обеспечения термоэлектрической полярности пары. ^{[ 6 ]}^{[ 11 ]} Электрические и тепловые токи системы разделяются путем присоединения термопары из сплава SiGe к многолистовой сборке холодной трубы из молибдена , вольфрама , нержавеющей стали , меди и оксида алюминия. ^{[ 11 ]} Несколько слоев Astroquartz пряжи из кварцевого волокна электрически изолируют ножки термопар SiGe. Между внутренней изоляционной системой и внешней оболочкой медные разъемы образуют электрическую цепь используется двухрядная последовательно-параллельная схема проводки . , в которой для соединения разъединителей ^{[ нужна ссылка ]} Схема контура минимизирует суммарное поле генератора магнитное . ^{[ 11 ]}

История заявок

SiGe используется в качестве материала в РИТЭГах с 1976 года. Каждая миссия, в которой использовалась технология РИТЭГ, предполагает исследование отдаленных регионов Солнечной системы. Самая последняя миссия, «Новые горизонты» (2005 г.), изначально была рассчитана на трехлетние исследования, но была продлена до 17 лет.

Приложения мощностью в несколько сотен ватт (MHW)

«Вояджер-1» и «Вояджер-2» Космическим кораблям , запущенным в августе и сентябре 1977 года, требовался ритэг мощностью в несколько сотен ватт ( МВТ ), содержащий топливные сферы из оксида плутония, для срока эксплуатации, подходящего для исследования Юпитера , Сатурна , Урана и Нептуна . ^{[ 9 ]} Преобразование теплоты распада плутония в электроэнергию осуществлялось с помощью 312 термоэлектрических пар кремний-германий (SiGe). Температура горячего спая 1273 К (1832 °F ) и температура холодного спая 573 К (572 °F) составляют градиент температуры в термоэлектрической паре в РИТЭГ. ^{[ 9 ]} Этот механизм обеспечивал полную электроэнергию для работы приборов космического корабля, связи и других энергетических потребностей. РИТЭГ на «Вояджере» будет производить достаточную электроэнергию для работы космического корабля примерно до 2020 года. ^{[ 9 ]} Подобные модели MHW-RTG также используются на двух экспериментальных спутниках связи Lincoln 8 и 9 ВВС США ( LES-8/9 ). ^{[ 10 ]}

Применение источников тепла общего назначения (GPHS)

Космический корабль «Галилео» , запущенный 18 октября 1989 г., « Улисс» 6 октября 1990 г., «Кассини» 15 октября 1997 г. и « Новые горизонты» 19 января 2006 г. Все эти космические корабли содержат источник тепла общего назначения (GPHS) RTG. по заказу Министерства энергетики США . ^{[ нужна ссылка ]} В GPHS-RTG используется идентичная технология преобразования тепла в электрическую, используемая в MHW-RTG миссий «Вояджер» , с использованием термопар/единиц SiGe и GPHS, питаемого Pu-238. ^{[ 9 ]} Аппарат «Новые горизонты» совершил исторический пролет мимо Плутона и его спутников 14 июля 2015 года ( см. веб-сайт JHU Applied Physics ). Следующим пунктом назначения космического корабля станет небольшой объект пояса Койпера (KBO), известный как 486958 Аррокот , который вращается на орбите почти в миллиарде миль от Плутона . ^{[ 12 ]} Основываясь на характеристиках, данных и моделировании ритэгов из сплава SiGe, GPHS-RTG на кораблях «Улисс» , «Кассини» и «Новые горизонты» будут соответствовать или превосходить оставшиеся требования к мощности для своих миссий в дальний космос. ожидается, что ^{[ 3 ]}

Альтернатива РИТЭГ

В миссиях после 2010 года, требующих ритэгов, вместо этого будет использоваться многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), содержащий термопары из теллурида свинца (PbTe) и диоксид Pu-238 для энергетических применений космических кораблей. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Тивари, Пратибха; Гупта, Нишу; Гупта, К.М. (апрель 2013 г.). «Передовые термоэлектрические материалы в электротехнике и электронике». Передовые исследования материалов . 685 : 161–165. Бибкод : 2012AdMaR.443.1587Z . doi : 10.4028/www.scientific.net/AMR.685.161 . S2CID 111227236 .
^ Беттнер, Х. (август 2002 г.). «Термоэлектрические микроустройства: современное состояние, последние разработки и будущие аспекты технологического прогресса и приложений». Двадцать первая международная конференция по термоэлектрике, 2002 г. Материалы ICT '02 . стр. 511–518. дои : 10.1109/ICT.2002.1190368 . ISBN 978-0-7803-7683-0 . S2CID 195862812 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Дингуолл, Ф. (май 1963 г.). «Оптимизация кремний-германиевых термоэлектрических модулей для проектирования бесшумных лодок транспортных средств» (PDF) . Радиокорпорация Америки . Технический отчет TRECOM 63-17. Инвентарный номер: AD0412341. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г.
^ Ли, Ын Гён; Инь, Лян; Ли, Ёнджин; Ли, Чон Ун; Ли, Сан Джин; Ли, Чуно; Ча, Сын Нам; Ван, Донмок; Хван, Кён С.; Хиппалгаонкар, Кедар; Маджумдар, Арун; Ю, Чунгхо; Чхве, Бён Лён; Ким, Чон Мин; Ким, Кинам (13 июня 2012 г.). «Большая термоэлектрическая эффективность SiGe нанопроволок путем одновременного измерения свойств электрического и теплового переноса». Нано-буквы . 12 (6): 2918–2923. Бибкод : 2012NanoL..12.2918L . дои : 10.1021/nl300587u . ПМИД 22548377 . S2CID 20551131 .
^ Джоши, Гири; Ли, Хохён; Лан, Юйчэн; Ван, Сяовэй; Чжу, Гаохуа; Ванга, Дэжи; Гулд, Райан В.; Кафф, Диана С.; Тан, Мин Ю.; Дрессельхаус, Милдред С .; Чен, Ган ; Жэнь, Чжифэн (10 декабря 2008 г.). «Повышенная термоэлектрическая добротность в наноструктурированных кремний-германиевых объемных сплавах p-типа». Нано-буквы . 8 (12): 4670–4674. Бибкод : 2008NanoL...8.4670J . дои : 10.1021/nl8026795 . ПМИД 19367858 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Се, Мин; Грюн, Дитер М. (18 ноября 2010 г.). «Потенциальное влияние термоэлектрических материалов ZT = 4 на технологии преобразования солнечной тепловой энергии». Журнал физической химии Б. 114 (45): 14339–14342. дои : 10.1021/jp9117387 . ПМИД 20196558 .
^ Юргенсмейер, Остин Ли (лето 2011 г.). «Высокоэффективные термоэлектрические устройства, изготовленные с использованием методов ограничения квантовых ям» (PDF) . Библиотеки Университета штата Колорадо . Проверено 9 марта 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б Рааг, В.; Берлин, RE (декабрь 1968 г.). «Кремниево-германиевый солнечный термоэлектрический генератор». Преобразование энергии . 8 (4): 161–168. дои : 10.1016/0013-7480(68)90033-8 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Ферлонг, Ричард Р.; Уолквист, Эрл Дж. (апрель 1999 г.). «Космические миссии США с использованием радиоизотопных энергетических систем» (PDF) . Ядерные новости. Американское ядерное общество. Архивировано из оригинала (PDF) 16 октября 2018 г. Проверено 17 марта 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Флериаль, Жан-Пьер; Кайя, Тьерри; Несмит, Билл Дж.; Юэлл, Ричард С.; Вернер, Дэвид Ф.; Карр, Грегори К.; Джонс, Лорен Э. «Термоэлектрика: от космических энергетических систем до наземных систем рекуперации отработанного тепла» (PDF) . Министерство энергетики США . Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт (2011).
^ Jump up to: ^а ^б ^с Беннетт, GL; Ломбардо, Джеймс; Хемлер, Ричард; Сильверман, Гил; Уитмор К.; Амос, Уэйн; Джонсон, Э.; Шок, Альфред; Зохер, Рой; Кинан, Томас; Хаган, Джеймс; и Ричард Энглхарт. Смелая миссия: радиоизотопный термоэлектрический генератор общего назначения с источником тепла , AIAA 2006-4096, 4-я Международная конференция и выставка по вопросам преобразования энергии (IECEC), 26–29 июня 2006 г., Сан-Диего, Калифорния (по состоянию на 10 февраля 2015 г.)
^ «Команда НАСА по исследованию новых горизонтов выбирает потенциальную цель для облета пояса Койпера» . 28 августа 2015 г.

[1] Тивари, Пратибха; Гупта, Нишу; Гупта, К.М. (апрель 2013 г.). «Передовые термоэлектрические материалы в электротехнике и электронике». Передовые исследования материалов . 685 : 161–165. Бибкод : 2012AdMaR.443.1587Z . doi : 10.4028/www.scientific.net/AMR.685.161 . S2CID 111227236 .

[2] Беттнер, Х. (август 2002 г.). «Термоэлектрические микроустройства: современное состояние, последние разработки и будущие аспекты технологического прогресса и приложений». Двадцать первая международная конференция по термоэлектрике, 2002 г. Материалы ICT '02 . стр. 511–518. дои : 10.1109/ICT.2002.1190368 . ISBN 978-0-7803-7683-0 . S2CID 195862812 .

[dingwall3-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Дингуолл, Ф. (май 1963 г.). «Оптимизация кремний-германиевых термоэлектрических модулей для проектирования бесшумных лодок транспортных средств» (PDF) . Радиокорпорация Америки . Технический отчет TRECOM 63-17. Инвентарный номер: AD0412341. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г.

[4] Ли, Ын Гён; Инь, Лян; Ли, Ёнджин; Ли, Чон Ун; Ли, Сан Джин; Ли, Чуно; Ча, Сын Нам; Ван, Донмок; Хван, Кён С.; Хиппалгаонкар, Кедар; Маджумдар, Арун; Ю, Чунгхо; Чхве, Бён Лён; Ким, Чон Мин; Ким, Кинам (13 июня 2012 г.). «Большая термоэлектрическая эффективность SiGe нанопроволок путем одновременного измерения свойств электрического и теплового переноса». Нано-буквы . 12 (6): 2918–2923. Бибкод : 2012NanoL..12.2918L . дои : 10.1021/nl300587u . ПМИД 22548377 . S2CID 20551131 .

[5] Джоши, Гири; Ли, Хохён; Лан, Юйчэн; Ван, Сяовэй; Чжу, Гаохуа; Ванга, Дэжи; Гулд, Райан В.; Кафф, Диана С.; Тан, Мин Ю.; Дрессельхаус, Милдред С .; Чен, Ган ; Жэнь, Чжифэн (10 декабря 2008 г.). «Повышенная термоэлектрическая добротность в наноструктурированных кремний-германиевых объемных сплавах p-типа». Нано-буквы . 8 (12): 4670–4674. Бибкод : 2008NanoL...8.4670J . дои : 10.1021/nl8026795 . ПМИД 19367858 .

[xie6-6] Jump up to: ^а ^б ^с Се, Мин; Грюн, Дитер М. (18 ноября 2010 г.). «Потенциальное влияние термоэлектрических материалов ZT = 4 на технологии преобразования солнечной тепловой энергии». Журнал физической химии Б. 114 (45): 14339–14342. дои : 10.1021/jp9117387 . ПМИД 20196558 .

[7] Юргенсмейер, Остин Ли (лето 2011 г.). «Высокоэффективные термоэлектрические устройства, изготовленные с использованием методов ограничения квантовых ям» (PDF) . Библиотеки Университета штата Колорадо . Проверено 9 марта 2023 г.

[berlin9-8] Jump up to: ^а ^б Рааг, В.; Берлин, RE (декабрь 1968 г.). «Кремниево-германиевый солнечный термоэлектрический генератор». Преобразование энергии . 8 (4): 161–168. дои : 10.1016/0013-7480(68)90033-8 .

[furlong12-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Ферлонг, Ричард Р.; Уолквист, Эрл Дж. (апрель 1999 г.). «Космические миссии США с использованием радиоизотопных энергетических систем» (PDF) . Ядерные новости. Американское ядерное общество. Архивировано из оригинала (PDF) 16 октября 2018 г. Проверено 17 марта 2015 г.

[fleurial10-10] Jump up to: ^а ^б Флериаль, Жан-Пьер; Кайя, Тьерри; Несмит, Билл Дж.; Юэлл, Ричард С.; Вернер, Дэвид Ф.; Карр, Грегори К.; Джонс, Лорен Э. «Термоэлектрика: от космических энергетических систем до наземных систем рекуперации отработанного тепла» (PDF) . Министерство энергетики США . Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт (2011).

[IECEC-11] Jump up to: ^а ^б ^с Беннетт, GL; Ломбардо, Джеймс; Хемлер, Ричард; Сильверман, Гил; Уитмор К.; Амос, Уэйн; Джонсон, Э.; Шок, Альфред; Зохер, Рой; Кинан, Томас; Хаган, Джеймс; и Ричард Энглхарт. Смелая миссия: радиоизотопный термоэлектрический генератор общего назначения с источником тепла , AIAA 2006-4096, 4-я Международная конференция и выставка по вопросам преобразования энергии (IECEC), 26–29 июня 2006 г., Сан-Диего, Калифорния (по состоянию на 10 февраля 2015 г.)

[12] «Команда НАСА по исследованию новых горизонтов выбирает потенциальную цель для облета пояса Койпера» . 28 августа 2015 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]