Advanced Stirling Convertors e ASRG-EU

Vista la validità dei risultati ottenuti nel progetto del SRG-110, NASA e DOE decidono di investigare sulle possibilità di ulteriori miglioramenti nella tecnologia dei generatori Stirling a radioisotopi. Nel 2003 nasce il progetto NASA RPCT (Radioisotope Power Conversion Technology), un percorso di ricerca strutturato in tre fasi annuali, teso a sviluppare dei convertitori Stirling di nuova generazione, che vengono commissionati a Sunpower Inc. Si cerca

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Fig. 2.27 - Il primo prototipo di FTB (Frequency Test Bed) di Sunpower Inc.,[18]

Durante la Phase I Sunpower fornisce un modello sperimentale (Fig. 2.27) chiamato Frequency Test Bed (FTB), da utilizzare per verificare le prestazioni di potenza richieste alle frequenze operative ricercate (≈80 We a 105 Hz). L’FTB dimostra un’efficienza record del 36%, con un rapporto di temperatura di circa 3. Come si vede dalla Fig. 2.28, le sue dimensioni sono molto più piccole del TDC utilizzato in SRG-110, per quanto non sia disegnato per minimizzarne il peso. Gli esperimenti sul FTB guidano la progettazione dei primi ASCs (Advanced Stirling Convertors).

Nella Phase II, consolidato il disegno generale, vengono prodotti i primi 4 esemplari di ASC-1, di cui in Fig. 2.28 si osserva la veduta esterna, priva delle flange di collegamento termico del riscaldatore e del radiatore. La riduzione delle dimensioni è molto elevata, con un diametro massimo di 65 mm e una lunghezza totale di circa 186 mm. Anche la massa totale del convertitore è stata ridotta, portandola a 1.3 kg circa.

La differenza più sostanziale con il TDC risiede tuttavia nelle capacità termiche. Il materiale con cui è fabbricata l’heater head dell’ASC-1 è MarM-247, una superlega Nickel con una forte concentrazione di elementi refrattari, che ha permesso di innalzare fino a 850°C la temperatura operativa dell’heater head mantenendo buone affidabilità e resistenza a creep.

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Fig. 2.28 –Veduta esterna e schema della sezione trasversale del convertitore ASC-1,[19]

L’attuale Phase III tendeva inizialmente alla realizzazione di 4 convertitori ASC-2 con la stessa capacità termica dei precedenti, ma ermeticamente chiusi e più leggeri,con masse molto vicine ad 1 kg. Tuttavia il successo della Phase II ha portato NASA alla richiesta di altri 7 convertitori, denominati ASC-0,ASC-1HS e ASC-E, la cui costruzione ha permesso di effettuare ulteriori test e di affinare il disegno degli ASC-2. Ovviamente questi motori, date le dimensioni molto ridotte, presentano un’architettura interna necessariamente diversa da quella del convertitore da 55 We di STC. Come si può osservare in Fig. 2.28, pistone e displacer non sono guidati da molle indipendenti, e il loro centraggio è affidato esclusivamente a cuscinetti gas-dinamici. L’unica molla planare presente nel dispositivo (di disegno simile a quelle del TDC) serve da collegamento elastico con la struttura per entrambi gli stantuffi. Gli avvolgimenti dell’alternatore, inoltre, sono disposti più esternamente, e interagiscono con delle flange solidali al pistone.

La sequenza completa degli esemplari realizzati da Sunpower per il progetto RPCT è riportata nella Tabella 2.3. In particolare i 3 convertitori ASC-E sono stati costruiti con un heater head in Inconel-718, già utilizzato per il TDC. Questi modelli (raffigurati in Fig. 2.29 con le flange termiche per il reflusso di calore e il cappuccio isolante per l’heater head) hanno

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Tabella 2.3 - Sequenza completa dei convertitori ASC prodotti da Sunpower per NASA,[21]

Fig. 2.29 - Due convertitori ASC-E completi delle flange termiche di collegamento,[21]

L’unione degli sforzi di Sunpower, NASA GRC, DOE e Lockheed Martin, ha portato alla realizzazione di un Advanced Stirling Rasiisotope Generator Engineering Unit (ASRG-EU, Fig. 2.30), che attualmente si trova sui banchi di prova del NASA GRC, per test di definizione delle prestazione e prove di affidabilità. Il generatore utilizza lo stesso involucro esterno in berillio del SRG-110, che contiene due unità ASC-E, in grado erogare ognuna 88 We nominali, ricevendo calore a 650°C dalle rispettive GPHS. La pressione media dell’elio dentro gli ASC-E è 3.5 MPa, e la frequenza operativa è ancora di 105 Hz. Con i nuovi convertitori la massa di isotopo radioattivo necessaria al riscaldamento è scesa del 75% rispetto ai vecchi generatori termoelettrici a semiconduttori, e questo, unitamente alla leggerezza degli ASCs, ha permesso di contenere la massa totale del generatore intorno ai 20 kg. Grazie ad un efficienza di conversione del 93% nel sistema di controllo, l’ASRG produce complessivamente 140 We, con una potenza specifica di 6.7 W/kg.

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Fig. 2.30 - Advanced Stirling Radioisotope Generator Engineering Unit, prodotto da Sunpower, DOE e Lockheed Martin, [21]

Tabella 2.4 - Parametri e risultati dei test sull'ASRG, paragonate con gli esiti previsti delle future sperimentazioni,[22]

Sono previsti nel prossimo futuro esperimenti che coinvolgano anche la seconda generazione di ASC-2, equipaggiati in modo da poter lavorare a 850°C, dopo che le attuali

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In questi mesi, Sunpower ha fornito a NASA un’ulteriore nuovo modello di convertitore, ancora più piccolo (Fig. 2.30), saldato in un involucro ermetico, con una potenza di 35 We, le cui potenziali applicazioni sono ancora oggetto di studio; ma la funzionalità della tecnologia Free-Piston, nella conversione diretta di energia termica, ha ormai dimostrato quanto questi apparecchi possano fare, per risolvere i problemi di generazione di potenza delle applicazioni spaziali, quali che siano i campi di utilizzo cui si vogliano destinare.

Fig. 2.31 - Mini convertitore ermetico Sunpower da 35 We (a sinistra), e integrato in un generatore solare portatile con William Beale, inventore degli FPSE (a destra),[22]

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Rassegna dei modelli di analisi lineare per