Stele verzi – Sisteme pasive

Istorie și termocuple

Inițial, doream să continui seria de articole despre reactoarele din programul american SNAP, și să discut despre SNAP-10. Dar, mi-am dat seama că diferențele dintre filozofia SNAP-2 și SNAP-10 sunt insuficient clarificate, așadar mi-am propus să le explic mai bine, si, în același timp, să profit de ocazie și să fac o introducere în categoria sistemelor de generare electrică pasive. Ele constituie un capitol important (poate cel mai important din tot capitolul puterii nucleare în spațiu) pentru că, până în clipa de față, ele reprezintă cel mai des utilizat și lansat tip de sistem astronuclear electric. De la SNAP-10, la Romashka, TOPAZ și până la RTG-urile folosite în zilele noastre, pilele termoelectrice sunt baza explorării nucleare spațiale si, cel puțin până când vedem un Kilopower pe orbita, vor continua să fie așa.

 

Sisteme pasive vs sisteme dinamice

Sistemele dinamice sunt sisteme bazate pe generatoare electrice rotative. Adică, folosim reactorul ca și sursă de căldură pentru a antrena un motor termic (poate fi cu ciclu Brayton, Stirling, Rankine, sau ce dorește mușchii noștri) care, la rândul său, mișcă un generator electric. Practic, vorbim despre ce se folosește și la generatoare terestre.

Doar ca, în spațiu, situația se complică. Multe dintre aceste reactoare trebuiau să funcționeze luni sau ani de zile pe orbita, singure, fără întreținere. Printre factorii de risc și degradare pe care ii putem enumera, găsim:

• Impact cu micrometeoriți și deșeuri orbitale;
• Cicli de variație termică foarte abruptă, cu trecere de la lumina solară extrem de aspră, nefiltrată, la umbra, cu variație de temperatură de ordinul a 100-200 de grade Celsius. Asta, la fiecare 90 de minute cat durează o orbita joasa, sau mai puțin, daca și satelitul însuși se învârte;
• Lipsa de lubrifiere, fiindcă mulți lubrifianți folosiți pe Pământ își pierd proprietățile în condiții de gravitație zero și presiune nula (majoritatea uleiurilor de motor practic și-ar pierde faza lichida, și a trece direct din solid în gazos);
• Pentru toate de mai sus, lipsa de întreținere. Astronauții, cosmonauții și taikonauții sunt scumpi, si, de regulă, nu rezista bine lângă un reactor nuclear.

Aceste probleme pe care le au sistemele dinamice erau cunoscute și inginerilor din programele spațiale ale anilor 50-60. Si, cum multe alternative nu aveau, trebuiau să găsească soluții. Si, pe lângă încercări de a perfecționa sisteme dinamice, și de a le face mai rezistente la condiții spațiale (SNAP-2), au demarat și cercetări cu sisteme pasive.

Ce înțelegem prin sistem pasiv? Păi, vorbim practic despre un generator electric solid state, fără componente în mișcare, care produce o tensiune electromotoare prin simpla imersiune intr-un gradient termic. Adică, pe scurt, e mai cald într-o parte a pilei, mai rece în alta parte, și, din diferență, rezultă un curent electric, și tot ce trebuie să facem e să punem borne și să conectăm circuitul.

Fără componente în mișcare, putem uita de probleme legate de expansiune termică sau lubrifiere inadecvata sau uzura mecanică. Iar fiindcă majoritatea sistemelor termoelectrice sunt practic plăci de metal asamblate într-o maniera șmecheră, tind să fie relativ robuste și rezistente la vibrații, șocuri și micrometeoriți sau alte chestii care ar strica ziua unui rulment. De asemenea, ele tind să fie și mai simple de testat și mai ușoare ca masă (comparativ cu generatoare care folosesc turbo-mașini).

Dar ele prezintă și dezavantaje, principalul fiind eficiența extrem de redusă. Astfel, dacă o mașină termică cu ciclu Brayton poate atinge și eficiențe de ordinul a 40% (depinzând și de cât de mare e diferența de temperatură intre intrare și ieșire) la un generator termoelectric ne putem aștepta la o eficiență de ordinul a 5-8% (poate 10 la suta folosind tehnologii mai noi). Așadar, pentru aceeași putere termică dată, un reactor cu generator termoelectric va produce de 3-4 ori mai puțină energie electrică.

Si mai e o problema care nu e ușor de observat, dar pasionații de inginerie termică o vor depista imediat: căldura. Deoarece numai o zecime din energie termică care tranzitează un gradient se transforma în energie electrică, restul trebuie radiat în spațiu. Asta înseamnă că un generator electric cu mașină termică trebuie să radieze cam 60-70% din energie în spațiu, dar unul cu generator termoelectric trebuie să radieze peste 90%. E și ineficient, dar și cu probleme de masă, pentru că radiatorul trebuie să fie mai mare, și ce economisești din masa generatorului s-ar putea să adaugi la masa radiatorului.

In ultimul rând, e și o problemă de scară: reactoarele nucleare tind să devină din ce în ce mai eficiente ca masă pe măsura de devin mai mari și produc putere termică mai mare. Un reactor care produce 1MWt de căldura poate fi numai de 10 ori mai mare decât unul care produce 1kWt. Dar asta nu se aplica la partea de generare în același mod, pentru ca gradientul termic mai abrupt al unui reactor mare poate afecta generatorul termoelectric. Pe scurt, daca ai un generator care produce sute de kWt, mai bine folosești o turbina (care, apropos, devine și ea mai eficientă dpdv al masei pe măsura ce crești puterea).

Diagramă reprezentând curba eficiență-temperatură pentru diferite tipuri de sisteme de generare electrică folosite sau propuse pentru spațiu

 

Principii de funcționare pentru sisteme pasive

Bun, acum că am stabilit care e diferența dintre un sistem pasiv și unul activ, și cum sunt ele comparabile, vreau să vorbesc puțin și despre cum funcționează, ca să ne fie mai ușor să le clasificăm în cap. In mare, putem vorbi despre doua tipuri majore de sisteme solid-state:

• Termoelectrice
• Termionice

Sistemele termoelectrice folosesc efectul termoelectric pentru a genera o tensiune la borne. Efectul termoelectric se manifestă atunci când avem un ansamblu de metale (teoretic, pot fi orice material conductiv, iar cele mai avansate sunt mai degrabă ceramice exotice) cu proprietăți diferite.

Efectul termoelectric este unul, dar poartă trei denumiri diferite, pentru trei savanți diferiți care au descris, separat, rezultatele acestui efect:

• Efectul Seebeck, care a descoperit că anumite materiale (in cazul lui, un ansamblul de foi de cupru și fier) generează o tensiune electromotoare când sunt supuse căldurii la un capăt. In același timp, ele tind să încălzească partea rece, scăzând diferența intre partea calda și partea rece, și scăzând astfel și puterea produsă. Așadar, diferența de temperatură trebuie menținută prin răcirea activă a zonei reci.
• Efectul Peltier, care a descris același lucru, dar invers: anumite materiale, când treci un curent electric prin ele, muta căldura dintr-o parte în altă. Astfel, o parte se răcește, o parte se încălzește, prin folosirea curentului electric.
• Efectul Thomson, care e de fapt, o combinație a efectelor Seebeck și Peltier (pentru că ele se petrec simultan într-o pilă).

E același fenomen, practic, dar diferă numele în funcție de utilizarea dispozitivului. Asta deoarece, după cum puteți intui, utilitatea acestui fenomen e foarte ridicată: pile termoelectrice care produc curent electric din căldura reziduală (spre exemplu pentru a alimenta senzori în termocentrale și centrale nucleare, senzori care trebuie să fie independenți de alimentarea generala), senzori care detectează schimbări de temperatura în funcție de căldura emanată, sisteme de răcire fără componente în mișcare pentru microelectronice, etc.

Prefer să nu mă adâncesc în explicații referitoare la „de ce” acest efect există (nici eu nu înțeleg exact, dar acolo vorbim mai degrabă de fizica atomică), dar voi spune ca, de regulă, un generator termoelectric e alcătuit din mai multe pile termoelectrice, care, la rândul lor, sunt alcătuite din termocuple. Termocupla este, astfel, cea mai mica parte funcțională a unui generator.

De asemenea, efectul termoelectric nu e rar: sunt extrem de multe materiale și combinații de materiale unde se manifestă. In unele cazuri vorbim de materiale exotice, în altele de substanțe pe care le întâlnim zilnic. De regulă, însă, tensiunile produse sunt practic imperceptibile, și nu foarte utile.

Pentru a le face utile, inginerii caută nu doar materiale, dar sunt atenți și la ce formă ia acel material:

• Cum sunt structurați atomii? E un material amorf? E cristalin? Cu ce e dopat? Are incluziuni sau spatii goale?
• Cat de bine conduce curent electric? și cum se schimba conductivitatea la temperaturi diferite?
• Cat de ușor e de prelucrat? Cat de rar e materialul? Cat de des se schimba componente?

Deci… considerații multe. Dar daca vorbim doar de sisteme astro-electrice, principalele materiale folosite la termocuple sunt:

• SiGe: un aliaj de siliciu și germaniu, folosit la primele misiuni spațiale (printre altele, în misiunile Apollo). Sunt rezistente la temperaturi înalte, dar nu foarte flexibile. în ziua de azi, aliajele SiGe încep să revină în atenție pentru producția de diode și circuite integrate. Germaniul, însă, e un material scump.
• TAGS-85: o substanța care e, de fapt, un aliaj de plumb, seleniu și telur. E calul de povara al generatoarelor cu radioizotopi folosite de NASA în ultimii 50 de ani.
• BiTe: un aliaj de bismut și telur, destul de des întâlnit în termocuple comerciale (în speța termocuple menite să capteze căldura reziduală de la procese industriale).
• Skutterudite: un nume nasol care identifica, de fapt, o categorie de minerale. Acestea au o compoziție formata dîn cobalt și arsenic, cu incluziuni de fier și nichel. Relativ ieftine și cu eficiență buna, acestea sunt una dintre principalele axe de cercetare în vederea înlocuirii vechilor termocuple TAGS-85 din inventarul NASA.

Desen ilustrând funcționarea unei pile termoelectrice

Desen ilustrând funcționarea unei termocuple

Exemplu de termocupla

Efectul termionic este mai simplu de înțeles: un electrod încălzit va tinde să emită purtători de sarcina, de regulă electroni. Astfel, emițătorul se va încărca pozitiv, iar punctul de colectare al electronilor se încarcă negativ, generând o diferența de potențial. Exemplul clasic al efectului este emisia de electroni dintr-un catod încălzit într-un mediu vidat. Adică, o lampa electronica sau tub vidat, precursorul semiconductorilor folosiți în microcipurile moderne.

Atunci când un dispozitiv de acest gen este folosit pentru producția de curent electric, el poarta numele de convertor termionic. Un convertor termionic folosește de regulă vapori de cesium, care emit prin efect termionic electroni. Electronii sunt apoi adunați de un electrod de colectare, generând o tensiune de regulă în jurul a 0.7 V și cu o eficiență de ordinul a 5-20%. Spre deosebire de efectul termoelectric, convertoarele termionice pot fi privite ca fiind, de fapt, motoare termice la scara atomica, și deci legea lui Carnot se aplica (adică au o eficiență limitata, și care depinde de diferența de temperatura intre electrodul rece și cel cald). Vaporii de cesiu folosiți sunt apoi întorși la catodul cald, și astfel, ciclu reîncepe (așadar, e un motor termic cu ciclu regenerativ).

Au fost studiate în SUA, însă marii utilizatori sunt fără doar și poate URSS, care și-au axat eforturile pe dezvoltarea sistemelor termionice încă de la bun început, cu reactorul Romashka. In total, urmașul Romashka, BES-5, a zburat de 33 de ori, iar urmașii săi din anii 80, TOPAZ și ENISY, foloseau tot conversie termionică. Exact motivul pentru care sovieticii au preferat emisia termionică e greu de spus, însă, în opinia autorului, URSS a văzut o posibilitate de a-și folosi relativ dezvoltata industrie de tuburi vidate din anii 50-60. Vom discuta mai multe despre sisteme termionice atunci când trecem în revista programul astro-electric nuclear rusesc.

Diagrame de functionare ilustrand diferenta dintre un sistem termoelectric si unul termionic

Sistem termionic

 

RTG-uri

Nu puteam vorbi despre sisteme de producție electrică pasive fără să amintesc de RTG-uri, care reprezintă principalul tip de sistem ce folosește astfel de fenomene.

Denumirea RTG e o abreviere de la Radioisotope Thermoelectric Generator, tradus generator electric cu radioizotopi. Este un tip de baterie atomica folosită acolo unde e nevoie de o sursă continuă de curent electric și unde alte mijloace de producție nu sunt utilizabile. De regulă, vorbim despre misiuni pe Marte sau dincolo de Marte, unde lumina soarelui nu e suficient de puternică pentru a asigura suficientă putere (cel puțin, nu fără un sistem fotovoltaic enorm și de masă mare).

Genul acesta de sisteme a fost folosit cam în toate misiunile din anii 60-70, inclusiv Apollo, Voyager, Mariner, Pioneer, Mars, Venera, etc. Au fost absolut cruciale pentru explorarea spațială, și încă sunt (chiar dacă pentru misiuni în apropierea Pământului, ele au fost înlocuite de sisteme fotovoltaice).
După cum zice și numele, ele folosesc sisteme termoelectrice pentru a produce energie. Acesta constituie și motivul pentru care SUA a ales să dezvolta sistemele de acest fel: ele puteau fi folosite atât pentru reactoare, cat și pentru RTG-uri (unde au menținut și încă au un avans față de sovietici). Teoretic, e posibil să construiești un sistem termionic cu radioizotopi, dar e mai complicat și nu exista vreun avantaj.

Sursa de căldura e reprezentată de un material radioactiv, de regulă plutoniu-238, un izotop de plutoniu care apare ca și produs secundar în urma producției de plutoniu-239 folosit în arme nucleare. Nu este singurul izotop de acest fel folosit, dar e cel mai răspândit.

Diferența fundamentală dintre un reactor și un RTG este natura mecanismului prin care este produsă căldura: un reactor folosește o reacție de fisiune în lanț controlată, ceea ce ii permite să genereze o cantitate enorma de căldură. Un RTG, în schimb, folosește banala descompunere radioactiva, necontrolată. Așadar, când auziți vreun idiot în presa că vorbește despre „sonde nucleare” la asta se referă de regulă.

In general energia eliberată în acest fel e mult mai mică, dar suficientă pentru un sistem care să producă cei câțiva wați necesari unei sonde cosmice (si ca efect secundar benefic, emana căldura reziduală, prevenind înghețul componentelor electronice sensibile). Ele tind să țină decenii, dar fiindcă reacția nu este controlată, ci pur pasivă, nu poți creste puterea pe măsura ce atomii izotopului suferă descompunere ca să compensezi. Practic, din momentul fabricației, un RTG produce din ce în mai puțina putere (teoretic, daca ai un material cu durata de înjumătățire de 40 de ani, cum e plutoniul-238,inseamna că în 40 de ani un RTG de 40 de wați va produce numai 20 de wați; în practica, am discutat mai sus că generatoarele termoelectrice depind de diferența de căldura și că devin mai puțina eficiente daca diferența e mai mica; așadar, la 0 ani, eficiența e de 5%, dar la 40 de ani, cu diferența de căldura înjumătățita, și eficiență e mai mica, de numai 3%; deci, nu 20 de wați, ci în jur de 15).

Materialul activ trebuie să aibă anumite caracteristici:

• Radiația pe care o emană să provoace încălzirea materialului (adică să nu fie electroni ușori, tip beta, sau radiație gamma, care penetrează și trece prin materiale fără să le încălzească)
• Durata de înjumătățire să fie relativ redusă, altfel nu se încălzește suficient.
• Sa fie preferabil ieftin și ușor de prelucrat.

De regulă RTG-urile nu au sisteme de control active, și au incluse suprafețe de radiere pentru căldura reziduală. Nu sunt ieftine, dar sunt extrem de robuste și utile. Puterea nu e mare, de ordinul a câțiva zeci de wați, dar asta e suficient pentru instrumentarul foarte eficientizat al unei misiuni spațiale.

Teoretic, este posibil să realizezi RTG-uri arbitrar de mari, de ordinul megawaților, dar fiindcă reacția nu e controlabila sau optimizabila, ele ajung să fie foarte mari și grele. Așadar, le vedem în forma de dispozitive mici, de câțiva wați, iar tot ce trece de 1 kW e domeniul reactoarelor. Din păcate, lipsa de viziune a agențiilor spațiale nu a permis misiuni ambițioase care să necesite surse de energie atât de puternice. Prin urmare umilul RTG rămâne principalul cap de afiș as tehnologiei nucleare spațiale până în clipa de față.

Diagrama in secțiune a unui RTG

Până data viitoare, vă salut!
 

Marian Dumitriu (Checkmate)