Generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión
El generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG) es un tipo de generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) desarrollado para misiones espaciales de la NASA [1] como el Laboratorio Científico de Marte (MSL), bajo la jurisdicción de la Oficina de Sistemas de Energía Espacial y de Defensa del Departamento de Energía de los Estados Unidos dentro de la Oficina de Energía Nuclear . El MMRTG fue desarrollado por un equipo industrial de Aerojet Rocketdyne y Teledyne Energy Systems .
Fondo
Las misiones de exploración espacial requieren sistemas de energía seguros, confiables y de larga duración para proporcionar electricidad y calor a las naves espaciales y sus instrumentos científicos. Una fuente de energía excepcionalmente capaz es el generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG), esencialmente una batería nuclear que convierte de manera confiable el calor en electricidad. [2] La energía de radioisótopos se ha utilizado en ocho misiones en órbita terrestre, ocho misiones a los planetas exteriores y las misiones Apolo después del Apolo 11 a la Luna. Las misiones al sistema solar exterior son las misiones Pioneer 10 y 11 , Voyager 1 y 2 , Ulysses , Galileo , Cassini y New Horizons . Los RTG de la Voyager 1 y la Voyager 2 han estado operando desde 1977. [3] En total, durante las últimas cuatro décadas, Estados Unidos ha lanzado 26 misiones y 45 RTG.
Función
Los pares termoeléctricos de estado sólido convierten el calor producido por la desintegración natural del radioisótopo plutonio-238 en electricidad . [4] El principio de conversión física se basa en el efecto Seebeck , que obedece a una de las relaciones recíprocas de Onsager entre flujos y gradientes en sistemas termodinámicos. Un gradiente de temperatura genera un flujo de electrones en el sistema. A diferencia de los paneles solares fotovoltaicos , los RTG no dependen de la energía solar , por lo que pueden utilizarse para misiones en el espacio profundo.
Historia
En junio de 2003, el Departamento de Energía (DOE) adjudicó el contrato MMRTG a un equipo dirigido por Aerojet Rocketdyne. Aerojet Rocketdyne y Teledyne Energy Systems colaboraron en un concepto de diseño MMRTG basado en un diseño de convertidor termoeléctrico anterior, SNAP-19 , desarrollado por Teledyne para misiones de exploración espacial anteriores. [5] Los SNAP-19 impulsaron las misiones Pioneer 10 y Pioneer 11 [4], así como los módulos de aterrizaje Viking 1 y Viking 2 .
Diseño y especificaciones
El MMRTG está alimentado por ocho módulos de fuente de calor de uso general (GPHS) de dióxido de Pu-238 , proporcionados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE). Inicialmente, estos ocho módulos GPHS generan alrededor de 2 kW de energía térmica.
El diseño del MMRTG incorpora pares termoeléctricos PbTe /TAGS (de Teledyne Energy Systems ), donde TAGS es un acrónimo que designa un material que incorpora telurio (Te), plata (Ag), germanio (Ge) y antimonio (Sb). El MMRTG está diseñado para producir 125 W de potencia eléctrica al inicio de la misión, reduciéndose a unos 100 W después de 14 años. [6] Con una masa de 45 kg [7] el MMRTG proporciona unos 2,8 W/kg de potencia eléctrica al comienzo de su vida útil.
El diseño del MMRTG es capaz de operar tanto en el vacío del espacio como en atmósferas planetarias, como la superficie de Marte. Los objetivos de diseño del MMRTG incluían garantizar un alto grado de seguridad, optimizar los niveles de potencia durante una vida útil mínima de 14 años y minimizar el peso. [2]
El MMRTG tiene una longitud de 66,83 cm (26,31 pulgadas), y sin las aletas tiene un diámetro de 26,59 cm (10,47 pulgadas), mientras que con las aletas tiene un diámetro de 64,24 cm (25,29 pulgadas). Las aletas en sí tienen una longitud de 18,83 cm (7,41 pulgadas) [8]
Uso en misiones espaciales
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Curiosity , el explorador MSL que aterrizó con éxito en el cráter Gale el 6 de agosto de 2012, utiliza un MMRTG para suministrar calor y electricidad a sus componentes e instrumentos científicos. La energía confiable del MMRTG le permitirá operar durante varios años. [2]
El 20 de febrero de 2015, un funcionario de la NASA informó que hay suficiente plutonio disponible para la NASA para alimentar tres MMRTG más como el utilizado por el rover Curiosity . [9] [10] Uno fue utilizado por Mars 2020 y su rover Perseverance . [9] Los otros dos no han sido asignados a ninguna misión o programa específico, [10] y podrían estar disponibles a fines de 2021. [9]
El 30 de julio de 2020 se lanzó con éxito al espacio un MMRTG a bordo de la misión Mars 2020 , que ahora se utiliza para suministrar calor y energía al equipo científico del rover Perseverance . El MMRTG utilizado en esta misión es el F-2 construido por Teledyne Energy Systems, Inc. y Aerojet Rocketdyne bajo contrato con el Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) con una vida útil de hasta 17 años. [11]
La próxima misión Dragonfly de la NASA a Titán, la luna de Saturno , utilizará uno de los dos MMRTG para los que el equipo de Aerojet Rocketdyne/Teledyne Energy Systems ha recibido recientemente un contrato. [12] El MMRTG se utilizará para cargar un conjunto de baterías de iones de litio y luego utilizar esta fuente de alimentación de mayor densidad de potencia para volar un helicóptero cuádruple en saltos cortos sobre la superficie de Titán. [13]
Costo
Se estima que el MMRTG tuvo un costo de producción y despliegue de 109.000.000 de dólares estadounidenses , y de 83.000.000 de dólares estadounidenses para su investigación y desarrollo. [14] A modo de comparación, la producción y el despliegue del GPHS-RTG costaron aproximadamente 118.000.000 de dólares estadounidenses .
Véase también
- Generador avanzado de radioisótopos Stirling
- Energía nuclear en el espacio
- Generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG)
- Efecto termoeléctrico :
- Efecto Seebeck : generación de una corriente eléctrica a partir de un gradiente de temperatura
- Efecto Peltier : generación de un gradiente de temperatura a partir de una corriente eléctrica
- Efecto Thomson : calentamiento o enfriamiento de un conductor que transporta corriente con un gradiente de temperatura.
Referencias
- ^ "Sistemas de energía radioisotópica para la exploración espacial" (PDF) . Laboratorio de Propulsión a Chorro . Marzo de 2011. Archivado desde el original (PDF) el 2019-05-18 . Consultado el 2015-03-13 .
- ^ abc
Este artículo incorpora material de dominio público de Space Radioisotope Power Systems Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (PDF) . Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio . Consultado el 5 de julio de 2016 .(pdf) Octubre 2013 - ^ Bechtel, Ryan. "Radioisotope Missions" (PDF) . Departamento de Energía de Estados Unidos. Archivado desde el original (PDF) el 1 de febrero de 2012.
- ^ ab SNAP-19: Pioneer F & G, Informe final Archivado el 1 de abril de 2018 en Wayback Machine , Teledyne Isotopes, 1973
- ^ "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 16 de diciembre de 2011. Consultado el 21 de noviembre de 2011 .
{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) - ^ "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 9 de agosto de 2012. Consultado el 12 de mayo de 2009 .
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{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) - ^ https://energy.sandia.gov/wp-content/uploads/2021/10/Mars2020_NRA_SAND2013-10589.pdf
- ^ abc Leone, Dan (11 de marzo de 2015). "Las reservas de plutonio de EE. UU. son suficientes para dos baterías nucleares más después de Marte en 2020". Space News . Consultado el 12 de marzo de 2015 .
- ^ ab Moore, Trent (12 de marzo de 2015). «La NASA solo puede fabricar tres baterías más como la que alimenta al explorador de Marte». Blastr . Archivado desde el original el 14 de marzo de 2015. Consultado el 13 de marzo de 2015 .
- ^ Campbell, Colin. "El rover Perseverance de la NASA para Marte 2020 se lanzará al espacio el jueves con una fuente de energía construida en Hunt Valley". Baltimore Sun . Consultado el 16 de febrero de 2021 .
- ^ "Aerojet Rocketdyne recibe contrato para hasta dos MMRTG más para futuras misiones de exploración del espacio profundo". Bloomberg.com . 12 de febrero de 2021 . Consultado el 16 de febrero de 2021 .
- ^ ""Libélula: la nave espacial nuclear más nueva de la NASA"". Más allá de NERVA . 9 de julio de 2019 . Consultado el 28 de octubre de 2020 .
- ^ Werner, James Elmer; Johnson, Stephen Guy; Dwight, Carla Chelan; Lively, Kelly Lynn (julio de 2016). Comparación de costos en dólares de 2015 para sistemas de energía de radioisótopos: Cassini y Mars Science Laboratory (informe). doi : 10.2172/1364515 . OSTI 1364515.
Enlaces externos
- Sitio web de sistemas de energía de radioisótopos de la NASA: página RTG
- Página del MMRTG del Laboratorio Nacional de Idaho con un "recorrido virtual" basado en fotografías
- El Departamento de Energía producirá nuevo plutonio-238 en 2019
- [1]