"Радиационные батареи" для космических аппаратов

[Димитър]

С другого форума:

http://fb.3project.info/index.php?showtopic=12955

PsyPilot

По аналогии с "солнечными батареями", но утилизирующими не свет, а радиацию, т. е. потоки заряженных частиц, в радиационных поясах Земли, Юпитера, Сатурна, в межпланетном пространстве (но там регулярные потоки значительно слабее).

В радиационных поясах Земли:
— протоны: 100 кэВ-500 МэВ, макс. поток на экваторе с энергиями >1 МэВ >10^7 частиц/(c•см^2);
— электроны: 10 кэВ-10 МэВ, макс. поток на экваторе с энергиями >100 кэВ >10^7 частиц/(c•см^2); с энергиями >1 МэВ >10^6 частиц/(c•см^2).
А вот около Юпитера электроны чуть ли не до 1 ГэВ, и потоки выше на порядок.
 Большие спутники Юпитера, представляющие главный интерес для исследований, лежат в плоскости экватора и внутри мощных радиационных поясов. В то же время, солнечные батареи на удалении от Солнца менее эффективны (эффективность обратно пропорциональна квадрату расстояния до Солнца).

В космосе присутствуют мощные потоки и электронов, и протонов. "Сортировать" их можно, в частности, за счёт разницы в прохождении через материал. Т. е. сделать устройство сложной геометрии, в котором в одной какой-то зоне будет доминировать положительный заряд, а в другой — отрицательный. Эти зоны изолировать от остального корпуса устройства, внутри соединить проводом и ток по нему использовать.

Но. Во-первых, конструкция прибора будет, вообще говоря, привязана к распределению величин потоков в данной области пространства (а оно по ходу орбиты меняется). Тут надо смотреть.
Во-вторых, нельзя ли "утилизировать" энергию прохождения частицы через материал, как таковую?! Например, полупроводниковые детекторы, используемые для измерения потоков заряженных частиц в космосе, как раз регистрируют ток, вызываемый прохождением единичной частицы. (У них площадь очень маленькая, поэтому даже при больших потоках через детектор "в каждый момент времени" проходит не более одной частицы. Число таких "срабатываний детектора" и подсчитывается.) Но я пока не слышал, чтобы этот ток как-то использовали, или о чём-то подобном.

Метадум

Можно просто прикрепить электроды к тонкому конденсатору и подставить под поток. ВСЕ массивные (+)-частицы и медленные электроны застрянут в первой пластине, а часть шустрых электронов доберётся до второй обкладки. Вот и образуется разность потенциалов.

Кто что может сказать по теме?

[pkl]

Как это можно сделать? Какой физический принцип положить в основу процесса перехвата заряженных частиц?

[Имxотеп]

протоны: 100 кэВ-500 МэВ, макс. поток на экваторе с энергиями >1 МэВ >10^7 частиц/(c•см^2);

не указан спектр по энергиям, но даже если брать по максимуму это всего ~10 Вт/м2. Слишком мало.

[нейромантик]

Не вполне ясно, как этим управлять. Теоретически можно получать огромные токи, но конструкцй такого масштаба нет даже в виде концептов.
Хотя, было заявление о том, что в своё время Н.Тесла организовал оносферный пробой, который его современники приняли за падение Тунгусского метеорита.
Теоретически, это должна быть машина работающая с электромагнитным резонансом с ионосферными потоками.
Если это всё не фикция.

[Chilik]

Не вполне ясно, как этим управлять. Теоретически можно получать огромные токи....

10 миллионов частиц на квадратный сантиметр в секунду - это 16 наноампер тока с квадратного метра. Если тупо перемножать на исходную энергию, то можно получить цитированные выше ~10 Вт/кв.м. Но тупо перемножать нельзя, поскольку есть два момента. Первый - это не моноэнергетический пучок, и поэтому рекуператор построить мучительно трудно и в смысле массы тяжело. Второй - такие ничтожные токи пойдут не в нагрузку, эти заряды вероятнее всего будут разряжаться через токи утечки. Это же не просто здоровенная высоковольтная хрень, это - оно же, да ещё находящееся в условиях внешнего облучения.
А вообще есть "пальцевая" цифра для длительной электрической прочности больших поверхностей в вакууме. Что-то типа 50 кВ/см - и уже начинаются сильные проблемы с эмиссией электронов даже на правильно подготовленных поверхностях. На 100 кВ/см обычно получается электронный пучок с токами масштаба сотен ампер с кв.см. А тут наноамперы. Ну ладно, возьмём от фонаря напряжённость 50 кВ/см, получаем для нижней границы зазор 2 см (но это неинтересно, при напряжении на рекуператоре 100 кВ энергоотдача всего 2 мВт/кв.м, тут "мВт" - это милливатт). Для 500 МэВ зазор нужен не менее 100 метров, иначе эта штука будет работать как неслабый генератор электронного пучка и рентгена. Оно в принципе надо, если у того же Юпитера солнышка намного больше?

[Татарин]

А вообще есть "пальцевая" цифра для длительной электрической прочности больших поверхностей в вакууме. Что-то типа 50 кВ/см - и уже начинаются сильные проблемы с эмиссией электронов даже на правильно подготовленных поверхностях.

Угу.
На деле же всё будет ещё хуже, потому что будет существенно ненулевая вторичная эмиссия.
Почти как в ФЭУ.

[Татарин]

PsyPilot
Но. Во-первых, конструкция прибора будет, вообще говоря, привязана к распределению величин потоков в данной области пространства (а оно по ходу орбиты меняется). Тут надо смотреть.
Во-вторых, нельзя ли "утилизировать" энергию прохождения частицы через материал, как таковую?!

Можно. Но нужно ли? Это ухудшит и без того не замечательную удельную мощность.
Вакуумный "антиускоритель" - почти идеален для космоса.

Например, полупроводниковые детекторы, используемые для измерения потоков заряженных частиц в космосе, как раз регистрируют ток, вызываемый прохождением единичной частицы.

Только тут есть один нюанс. К детектору (куску полупроводника) приложено внешнее напряжение.
Проходящая частица генерирует электронно-дырочные пары, носители тока, сопротивление детектора резко падает, получается импульс тока. Частица - причина тока, а не его источник.


Я тожу думал о подобном, но мне это мерещилось как дополнительная фича магнитного радиационного щита/двигателя.

Обычное кольцо с током (возможно, сверхпроводящее, плотности излучения на орбите Юпитера позволяют), "надутое" и растянутое своим же магнитным полем. При массе сверхпроводящего провода 1кг/м в  тонну можно уложить колечко диаметром 300м.

Частицы будут захватываться полем кольца и формировать собственные "радиационные пояса", это решает вопрос с растянутым спектром частиц, ибо для каждого типа частиц можно поставить свой коллектор.

Но это, конечно, чистая маниловщина.

[Chilik]

Например, полупроводниковые детекторы, используемые для измерения потоков заряженных частиц в космосе, как раз регистрируют ток, вызываемый прохождением единичной частицы.

Только тут есть один нюанс. К детектору (куску полупроводника) приложено внешнее напряжение.
Проходящая частица генерирует электронно-дырочные пары, носители тока, сопротивление детектора резко падает, получается импульс тока. Частица - причина тока, а не его источник.

Отчего же. Вы описали то, что называется фотогальваническим эффектом. Есть и фотовольтаический - без внешнего источника. Так слонечные батареи устроены. По сути, полупроводниковый детектор - это тот же самый фотодиод, у которого технологически сильно увеличена толщина обеднённой зоны p-n перехода. Прикладывая напряжения, мы успеваем собрать заряды из трека частицы до того, как они рекомбинируют. Если не прикладывать - то эффективность будет почти никакой. Но ненулевой.

[Татарин]

Отчего же. Вы описали то, что называется фотогальваническим эффектом. Есть и фотовольтаический - без внешнего источника.

Это не отменяет того, что я сказал.
Я не знаю реально применяющихся детекторов, которые бы фиксировали непосредственно энергию излучения (с промежуточным преобразованием в свет - не в счёт). Зачем терять халявную возможность усиления сигнала на несколько порядков?
Темновой ток у хороших SiC детекторов и так довели до пикоампер.

Ядерные батарейки на этом принципе существуют. Только вот в них используются электроны, причём малых энергий.

Здесь же у нас нечто совсем иное и по сравнению с детекторами (уровни излучения не те), и по сравнению с бетавольтаикой (энергии выше и есть тяжёлые частицы).
Сколько будет жить ПП-структура, если в неё на регулярной основе 1ГэВ протоны десятками ваттами запихивать - я точно не знаю, но знаю, что очень недолго.

[Chilik]

Я не знаю реально применяющихся детекторов, которые бы фиксировали непосредственно энергию излучения (с промежуточным преобразованием в свет - не в счёт).

Любой кремниевый фотодиод. При поглощении быстрой частицы или рентгеновского кванта в кремнии образуется электронно-дырочная плазма. На одну пару электрон-дырка тратится примерно 3.6 эВ при комнатной температуре. На p-n переходе в отсутствие внешнего источника напряжения есть "собственный" запирающий потенциал около 0.7 В, которого при определённых условиях достаточно, чтобы собрать заряд. Естественно, заряды собираются в основном из области, где есть электрическое поле, а это - обеднённая зона p-n перехода. Вот, собственно, и оценка предельного к.п.д. такой системы без внешнего смещения - примерно 20% (0.7/3.6). Реально - хуже.

[zyxman]

Наверное правильнее сказать - любой полупроводниковый фотодиод.

[Татарин]

Наверное правильнее сказать - любой полупроводниковый фотодиод.

Правильнее - вообще любой диод.

[ОАЯ]

Есть пример элемента преобразователя - северное сияние.
В АМС испаряется вещество. В разряженном газообразном шаре (100 км диаметром) переходы по орбитам электронов вызывают свечение. Фотоэлементы улавливают это свечение. КПД около 0.