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Nave espacial 'Baterías nucleares' podría conseguir un impulso de nuevos materiales


Samad Firdosy, un ingeniero de materiales en el JPL, posee un módulo termoeléctrico de cuatro termopares, que son dispositivos que ayudan a convertir calor en electricidad. Termopares se utilizan en aplicaciones de calefacción doméstica, así como sistemas de energía para naves espaciales. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Ninguna extensión es suficiente para llegar a otro planeta y no hay ninguna nave espacial estación en el camino de carga. Es por ello que los investigadores están trabajando duro en maneras de hacer sistemas de la nave espacial de energía más eficiente, resistente y duradero.

"La NASA necesita sistemas confiables de energía a largo plazo para avanzar en la exploración del sistema solar," dijo Jean-Pierre Fleurial, supervisor del grupo energía térmica conversión investigación y adelanto de la NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California. "Esto es particularmente importante para los planetas exterior, donde la intensidad de la luz solar es tan fuerte como lo es en la órbita de la Tierra sólo en un pequeño porcentaje".

Un desarrollo de vanguardia en sistemas de energía de la nave espacial es una clase de materiales con un nombre desconocido: skutterudites (skut-ta-RU-dites). Los investigadores están estudiando el uso de estos materiales avanzados en un sistema de propuesta generación de energía, llamado un eMMRTG, que significa mejorado multi-Mission radioisótopo generador termoeléctrico.

¿Qué es de un RTG?

Sustancias radiactivas naturalmente generan calor como se transforman espontáneamente en otros elementos. Energía de sistemas de radioisótopo hacen uso de este calor como combustible para producir electricidad útil para su uso en una nave espacial. Los sistemas de energía del radioisótopo en la NASA hoy aprovechan el calor del decaimiento radiactivo natural de óxido de plutonio-238.

Estados Unidos lanzó un generador termoeléctrico del radioisótopo (RTG) en el espacio en un satélite en 1961. RTGs han alimentado a gemelas de la NASA que Voyager puntas de prueba desde su lanzamiento en 1977; más de 10.000 millones de millas (16.000 millones de kilómetros) de distancia, los viajeros son la nave espacial más distante de la Tierra y continúa. RTGs han permitido a muchas otras misiones que han enviado detrás una gran cantidad de resultados de la ciencia, incluyendo el explorador Curiosity de la NASA en Marte y la misión de Nuevos Horizontes, que voló por Plutón en 2015.

El nuevo eMMRTG daría 25 por ciento más de energía que el generador de Curiosidad en el comienzo de una misión, según los análisis actuales. Además, puesto que la skutterudites naturalmente degradan más lentamente los materiales actuales en el MMRTG, una nave espacial equipada con un eMMRTG tendría al menos el 50 por ciento más energía al final de una vida de diseño de 17 años que se hace hoy en día.
"Tener una más eficiente significa sistema termoeléctrico tendríamos que utilizar menos plutonio. Podríamos ir más lejos, más y más,"dijo Bux

¿Qué es skutterudites?:

Los nuevos ingredientes definitorios en la propuesta eMMRTG son materiales llamados skutterudites, que tienen propiedades únicas que los hacen especialmente útiles para sistemas de energía. Estos materiales de conducir la electricidad como el metal, pero el calor para arriba como el vidrio y pueden generar considerables voltajes eléctricos.

Materiales con todas estas características son difíciles de conseguir. Una olla de cobre, por ejemplo, es un excelente conductor de electricidad, pero se calienta muy rápidamente. Vidrio, por el contrario, protege contra el calor bien, pero no puede conducir la electricidad. Ninguna de estas propiedades son apropiada en un material termoeléctrico que convierte calor en electricidad.

"Necesitábamos diseñar compuestos de alta temperatura con la mejor mezcla de eléctrico y propiedades de transferencia de calor," dijo Sabah Bux, un tecnólogo en el JPL que trabaja sobre materiales termoeléctricos. "Skutterudites, con sus estructuras complejas compuestas de átomos pesados como antimonio, nos permiten hacer eso."

RTGs en espacio:

Un equipo de JPL está trabajando en convertir skutterudites en termopares. Un termopar es un dispositivo que genera una tensión eléctrica de la diferencia de temperatura en sus componentes. En comparación con otros materiales, termopares de skutterudites necesitan una menor diferencia de temperatura para producir la misma cantidad de energía útil, haciéndolos más eficientes.

TERMOPARES
¿Qué es un material termoeléctrico?

Materiales termoeléctricos son materiales que pueden convertir una diferencia de temperatura en electricidad, o viceversa.

¿Qué es un termopar?

Un termopar convencional se realiza de dos diferentes materiales termoeléctricos que se unieron en un "zapato", o al final, donde se mide su temperatura. Cuando usted calienta un termopar, la diferencia en la conductividad de los materiales resulta en un metal cada vez más caliente que el otro y provoca que la temperatura de la final se unió a cambiar. Esta diferencia de temperatura crea una tensión (la fuerza con que flujo de electrones a través del material) y convierte una parte del calor transferido en electricidad.

¿Cómo funcionan los termopares?

Los termopares están en cada casa: miden la temperatura en el horno y controlar su calentador de agua. La mayoría los termopares son ineficientes: producen un voltaje tan pequeño, que no produce casi ninguna corriente eléctrica. Por el contrario son mucho más eficientes skutterudites: requieren una menor diferencia de temperatura para producir electricidad útil.

La NASA está estudiando termopares de skutterudites que tienen una parte superior plana y dos "piernas", algo como los emblemáticos monumentos de piedra de Stonehenge. Las transferencias de calor a través del termopar de una fuente de calor de alta temperatura para un calor 'fregadero' (como el agua fría). Una corriente eléctrica se produce entre el extremo caliente (la parte superior plana) y el extremo frío (las piernas) del termopar.

"Es como si hay mucha gente en una sala donde un lado es caliente y un lado es frío," dijo Sabah Bux de JPL. "Las personas, que representan las cargas eléctricas, se moverán desde el lado caliente al lado frío. Que movimiento es electricidad".

Los termopares son end-to-end se unieron en un largo circuito - la corriente va hacia arriba, sobre y abajo de cada termopar, de producir potencia útil. Dispositivos equipados de esta manera podrán disfrutar de una variedad de fuentes de calor, que varían en temperatura de 392 a 1832 grados Fahrenheit (200 a más de 1000 grados Celsius).

El sistema del Curiosidad de energía eléctrica, el Multi misión RTG (MMRTG), 768 termopares rodean una estructura central de poder-como, todos la misma dirección hacia la fuente de calor, en el centro del generador. El MMRTG mejorada (eMMRTG) tendría el mismo número de termopares, pero todo haría de Skutterudita material en vez de las aleaciones de telluride utilizados actualmente.
"Sólo cambios mínimos al diseño MMRTG existente son necesarios para conseguir estos resultados," dijo Fleurial. Un grupo de alrededor de dos docenas de personas en el JPL se dedica a trabajar sobre estos materiales avanzados y pruebas de los prototipos resultantes del termopar.

Los termopares basados en Skutterudita nuevo pasan su primer examen NASA en 2015 finales. Si pasan más comentarios en 2017 y 2018, el eMMRTG primer uso podría volar a bordo la próxima misión de fronteras-clase nueva de la NASA.

Aplicaciones basadas en tierra de Skutterudita

Hay muchas aplicaciones potenciales para estos materiales termoeléctricos avanzados aquí en la Tierra.
"En situaciones donde se emite el calor residual, Skutterudita materiales podrían utilizarse para mejorar la eficiencia y convertir ese calor en electricidad útil,", dijo Thierry Caillat, líder de proyecto para el proyecto de maduración de la tecnología en el JPL.

Por ejemplo, el calor del escape de un coche podría convertido en electricidad y retroalimentarse en el vehículo, que podría utilizarse para cargar baterías y reducir el consumo de combustible. Procesos industriales que requieren altas temperaturas, tales como cerámica y procesamiento de vidrio, también pueden usar materiales de Skutterudita para hacer uso del calor residual. En el año 2015, JPL licencia las patentes de estos materiales termoeléctricos de alta temperatura a una empresa llamada evidente Technologies, Troy, Nueva York.

"En los últimos 20 años, el campo de termoeléctricos ha surgido y floreció, especialmente en el JPL," dijo Fleurial. "Hay una gran ciencia en esta área. Estamos encantados de explorar la idea de llevar estos materiales al espacio y beneficiando a la industria estadounidense a lo largo de la manera."

Trabajo de JPL para desarrollar mayor eficiencia materiales termoeléctricos se lleva a cabo en colaboración con el Departamento de energía de Estados Unidos (DOE), Teledyne Energy Systems y Aerojet Rocketdyne y está financiado por el programa de sistema de energía del radioisótopo de la NASA, que es administrado por el centro de investigación Glenn de la NASA en Cleveland. El hardware de vuelo espacial se produce por Teledyne Energy Systems y Aerojet Rocketdyne bajo un contrato celebrado por el DOE, que combustibles, completa el montaje final y posee el producto final. Caltech dirige el JPL para la NASA.

Elizabeth Landau
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.
818-354-6425
elizabeth.landau@jpl.nasa.gov

Traducción: El Quelonio Volador

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