Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В
энергия, радиоактивные изотопы, ядерные реакторы, геотермальные источники, тепло в радиаторах транспортных средств, тепло от электротехнических устройств.
Существующие термоэлектрические генераторы перекрывают диапазон мощности от 10-8 до 106 Вт.
Первым в мире ТЭГ считается разработанный в СССР в годы Второй мировой войны «партизанский котелок» (рис. 3.19). В качестве термоэлектрического материала были использованы полярные члены ряда Зеебека PbS и SbZn. Горячий спай котелка прогревался теплом костра, а т емпература холодного спая поддерживалась кипящей водой. Такой ТЭГ давал несколько ватт электроэнергии, достаточной для питания армейских радиостанций в партизанских отрядах. Немцам так и не удалось разгадать секрет этого устройства.
Рис. 3.19. ТЭГ «партизанский котелок» [24]
Первым применением ТЭГ в быту можно считать электрогенератор (мощность около 2 Вт), производимый в СССР в конце 1940-х годов для питания радиоприемников. Генератор работал от тепла керосиновой лампы (рис. 3.20).
116
Сейчас в промышленных масштабах выпускается множество модификаций подобных бытовых термоэлектрических генераторных модулей, позволяющих получать электрическую мощность, достаточную для питания маломощных устройств (батарей телефонов, ноутбуков и т.д.)
Весьма перспективны для массового использования ТЭГи, работающие за счет бросового тепла, к которому относится те-
пло от агрегатов транспортных средств или промышленных и электротехнических устройств (трансформаторы и др.) с тем-
пературой 350-900 К. В частности для применения в узлах автомобилей (в первую очередь, грузовых), маломерных судов ТЭГи, способные заменить существующие генераторы переменного тока, представляют интерес не только с точки зрения утилизации бросового тепла, но и отсутствием влияния работы такого устройства на мощность силовой установки (двигателя), способностью вырабатывать большие токи.
Рис. 3.20. ТЭГ на керосиновой лампе для питания Радиоприемника [24]
Для защиты магистральных нефте- и газопроводов от электрохимической коррозии в случае их расположения в трудно-
117
доступных районах крайнего Севера при отсутствии линий электропередачи применяется катодная защита с помощью источников питания на основе ТЭГ. Станции катодной защиты располагаются вдоль трубопроводов через каждые 20 – 40 км и потребляют до 1 кВт электрической мощности. Нагрев теплоносителя на таких станциях осуществляют сжиганием нефти или газа. Ресурс автономной работы таких станций составляет не менее 10 лет.
Интересным применением ТЭГ в медицине является электростимулятор сердечной мышцы – термоэлемент, вживляемый под кожу и использующий в качестве источника теплоты радиоактивный изотоп (плутоний-238).
ТЭГи, использующие в качестве топлива радиоактивные изотопы (РИТЭГи) с периодом полураспада около сотни лет, являются единственно возможными источниками питания для обеспечения дальних полетов космических аппаратов, а также для энергообеспечения спускаемых космических аппаратов. Единственный конкурент РИТЭГов в данном применении солнечные батареи перестают работать на удалении от Солнца уже у орбиты Марса. Термоэлектрические источники обеспечивают энергоснабжение космических станций, совершивших посадку на поверхность Марса, Луны.
Впечатляющим является применение РИТЭГов для питания космической станции «Вояджер-2», запущенной НАСА 20 августа 1977 года для исследований дальних планет Солнечной системы.
118
Рис. 3.21. Космический аппарат «Вояджер-2» [25]
Это первый и пока единственный аппарат, достигший Урана (1986 г.) и Нептуна (1989 г.). В декабре 2018 г. «Во- яджер-2» вошел в межзвездную среду (18 млрд км от Земли). На момент старта общее тепловыделение РИТЭГа составляло около 7 кВт. По мере распада плутония-238 мощность РИТЭГа падает (при пролёте мимо Урана - 400 ватт). На начало 2019 г. остаток плутония-238 составляет 72.1% от начального. Оставшегося ресурса по подсчетам должно хватить еще на несколько лет работы РИТЭГа и поддержания радиоаппаратуры в рабочем состоянии.
119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящем учебном пособии боли рассмотрены три класса функциональных материалов, которые применяются, в том числе, в аэрокосмической технике: «интеллектуальные» материалы с эффектами псевдоупругости и памяти формы, нитевидные нанокристаллы, термоэлектрические материалы.
Разработка новых функциональных материалов и расширение области применения уже существующих представляет собой важнейшую задачу развития техники и технологий в нашей стране. Существуют серьезные проблемы, ограничивающих применение функциональных материалов, например, для сплавов с памятью – трудность обеспечения требуемых термомеханических характеристик, высокая стоимость; для термоэлетрических материалов – сложности получения материалов с высокой термоэлектрической добротностью. Решение таких проблем требует масштабных материаловедческих исследований структуры и свойств материалов, поиска усовершенствований технологических процессов их получения и переработки.
120