Цель данного исследования - предложить одно из решений проблемы получения энергии для работы лунных баз. Анализ теоретического материала и результатов экспериментов с элементами Зеебека позволяют говорить о перспективности использования термогенераторов, ввиду большого перепада температур в течение лунных суток: отсутствие атмосферы и продолжительность дня и ночи примерно по две земные недели создают особый температурный режим: от +130 °С (400 К) до -170 °С (100 К). Теплопроводность покрывающего лунную поверхность реголита примерно в 10 раз меньше чем у окружающего нас воздуха. На глубине нескольких десятков сантиметров колебания температуры практически отсутствуют. Под реголитом лежит слой пород, выброшенных при образовании кратеров. То есть, при создании установки необходимо учитывать условия теплопередачи в поверхностном слое, когда теплопроводность затруднена, конвекция отсутствует и значительный вклад приходится на излучение.
Основа конструкции - элемент Зеебека. Такие полупроводниковые элементы в виде квадратных пластинок соединяются и последовательно, и параллельно. На верхних спаях элементов должен быть чёрный игольчатый радиатор, тогда как нижние - находятся на термоаккумуляторе с хорошей теплопроводностью, заглублённом в «вечную мерзлоту» лунного грунта. Рабочее вещество термоаккумулятора должно быть с достаточно большой теплоемкостью (например, вода) и возможно испытывать фазовые переходы. Чтобы ёмкость аккумулятора не получила повреждений, при использовании воды, сечение резервуара - треугольник. В этом случае лёд будет подниматься вверх, не утыкаясь в нижние радиаторы, находящиеся в резервуаре. Таким образом, одна поверхность элемента Зеебека будет нагреваться, а другая соприкасаться с термоаккумулятором, охладившимся за лунную ночь и сохраняющим низкую температуру, благодаря низкой теплопроводности окружающей среды. В тоже время в течение лунного дня через элемент Зеебека и нагревание токопроводящих элементов, согласно закона Джоуля-Ленца, будет происходить постепенное повышение температуры вещества в термоаккумуляторе. Это приведёт к тому, что ночью при понижении температуры верхних контактов элемента Зеебека, нижние контакты начнут получать энергию из теплоаккумулятора. В результате появится электрический ток обратного направления.
В качестве материала радиатора можно предложить вещества с малой удельной теплоёмкостью и большой теплопроводностью: например, медь: с = 400 Дж/ (кг ∙ К) и теплопроводностью 677 (относительно воды).
Будучи заглублёнными в поверхность отдельные миниэлектростанции охладившись могут быть законсервированы путём применения отражающих поверхностей малых площадей. Это могут быть «задраивающийся» кратер или полусфера.
Использование элемента Зеебека следует признать более эффективным по сравнению с фотоэлементами. Так при площади элемента Зеебека 55 х 55 мм2 для разности температур более 100 К (t холод = - 20 0С и t горяч = 97 0С) ЭДС равна 9,5 В. А при включении нагрузки напряжение U = 7 - 7,5 В при силе тока I = 100 мА.
Особенность КПД лунного термогенератора: температурный режим лунных суток даёт возможность использовать разность температур горячих и холодных концов термоэлементов до 300 К, что позволяет говорить о КПД равном десяткам процентов. Но само значение КПД является переменной величиной, так как разность температур постоянно меняется: резко нарастая при появлении солнечных лучей до максимума и очень медленно уменьшаясь днём за счёт постепенного прогревания термоаккумулятора.
Плюсы конструкции с элементами Зеебека: 1. В отличие от фотоэлементов а). термогенератор даёт энергию и ночью (обратный ток), когда фотоэлементы бесполезны; б). микрометеориты, повреждая внешнюю поверхность, воздействуют на радиаторы, для которых это безопасно. 2. В условиях наличия абразивного материала (пыли) в устройстве нет движущихся частей.
Работа представлена на III научную международную конференцию «Фундаментальные исследования», Доминиканская республика, 10-20 апреля 2008г. Поступила в редакцию 19.03.2008г.
Библиографическая ссылка
Силаев И. В., Радченко Т. И. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА ЛУНЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 5. – С. 86-87;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=23882 (дата обращения: 20.04.2024).