In questo progetto continueremo i nostri sforzi di Fase I per sviluppare e dimostrare la fattibilità di una fonte di energia rivoluzionaria per missioni sui pianeti esterni utilizzando un nuovo paradigma nella conversione dell’energia termica, la cella termoradiante (TRC). Funzionando al contrario come una cella solare, il TRC converte il calore proveniente da una fonte di radioisotopi in luce infrarossa che viene emessa nell’universo freddo. In questo processo viene generata elettricità. Nel nostro studio di Fase I, abbiamo dimostrato che è possibile ottenere 8 W di potenza elettrica dal pellet Pu-238 da 62,5 W proveniente da una fonte di calore per uso generale utilizzando un TRC con bandgap di 0,28 eV operante a 600 K. L’array necessario comprende 1.125 cm² di emettitori TRC, o poco più del 50% della superficie di un cubesat 6U. Con una massa (fonte di calore + TRC) di 622 g, è possibile una potenza specifica di massa di 12,7 W/kg, con un miglioramento di oltre 4,5 volte rispetto al tradizionale generatore termoelettrico a radioisotopi multi-missione (MMRTG). Basandoci sui risultati della Fase I, riteniamo che ci sia molto più potenziale da sbloccare qui.
Utilizzando materiali III-V a basso gap di banda come InAsSb in array nanostrutturati per limitare potenziali meccanismi di perdita, una stima iniziale è un miglioramento di 25 volte nella potenza specifica di massa e una diminuzione di volume di quattro ordini di grandezza da un MMRTG, con prestazioni più elevate possibili a seconda condizioni operative. La tecnologia TRC consentirà la proliferazione di piccoli veicoli spaziali versatili con requisiti di alimentazione non soddisfatti da pannelli fotovoltaici o sistemi MMRTG ingombranti e inefficienti. Ciò consentirà direttamente missioni su piccoli satelliti verso i pianeti esterni, nonché operazioni in ombra permanente come i crateri lunari polari.
Questo studio indagherà la termodinamica e la fattibilità dello sviluppo di una fonte di energia termoradiante abilitata ai radioisotopi concentrandosi su dimensioni, peso e potenza del sistema (SWaP) continuando a integrare gli effetti dei potenziali meccanismi di perdita di potenza e di efficienza sviluppati nella Fase I. Sperimentalmente, i materiali e i dispositivi TRC verranno coltivati includendo superreticoli di tipo II basati su InAsSb mediante epitassia in fase vapore metalloorganica (MOVPE) per colpire materiali a basso gap di banda con ricombinazione Auger soppressa. Verranno studiati contatti metallo-semiconduttori in grado di sopravvivere alle temperature elevate richieste. I dispositivi TRC saranno testati per le prestazioni a temperature elevate in un ambiente freddo sotto vuoto in un apparato di test al criostato modificato sviluppato nella Fase I.
Analizzeremo un convertitore termoradiativo di radioisotopi per alimentare una missione cubesat operante su Urano. Ciò includerà uno studio di progettazione ingegneristica della nostra missione di riferimento con il team di ingegneri Compass presso il Glenn Research Center della NASA con esperienza sull’impatto delle nuove tecnologie sulla progettazione di veicoli spaziali nel contesto di una missione complessiva, incorporando tutte le discipline ingegneristiche e combinandole in un sistema livello. Infine, svilupperemo una tabella di marcia tecnologica per i componenti necessari della TRC per alimentare una missione futura.
