Stirling Radioisotope Generator SRG-

Come accennato nel paragrafo precedente, dal 1997 in ambiente NASA si comincia a pensare di realizzare delle unità di generazione di potenza che sfruttino il calore prodotto da un isotopo radioattivo, e lo convertano in energia elettrica utilizzabile per apparecchiature di bordo, installazioni permanenti, o anche rovers di nuovissima concezione. Generatori di questo tipo esistono già, ma si cerca di migliorare i dispositivi di conversione del calore, in particolare modo per ridurre massa e dimensione del sistema complessivo, e renderlo facilmente trasportabile.

Con la loro efficienza di oltre il 20%, i convertitori Stirling Free Piston sembrano promettere un forte riduzione della massa di isotopo radioattivo necessaria (un terzo circa) a sviluppare le stesse potenze di generatori tradizionalmente equipaggiati con convertitori termoelettrici semiconduttori.

La scelta cade quindi su Stirling Technology Company (STC), che poi diventerà Infinia Corporation, che in quel periodo sta sviluppando un prototipo di convertitore da 55 We, sotto contratto con il Department of Energy, forte delle precedenti realizzazioni per applicazioni terrestri, sempre alimentate a radioisotopi (RG-10 e RG-350).

STC fornisce due convertitori gemelli (Fig. 2.21), già ampiamente testati su lunghe durate di funzionamento, che vengono inclusi in tutta una serie di prove sperimentali, tese fra l’altro a determinare la miglior configurazioni possibile per l’assemblaggio del generatore. In modo particolare si fissa l’attenzione sulla possibilità di ridurre le vibrazioni causate dal funzionamento dei motori Stirling.

Vari esperimenti portano alla soluzione di collegare i due motori in asse, contrapposti (Fig. 2.22), unitamente ad un meccanismo di assorbimento delle vibrazioni, sviluppato dalla stessa STC nel 1999.

Il modello realizzato da STC viene denominato Technology Demonstration Convertor (TDC), e ne vengono prodotti una ventina di esemplari, che verranno impiegati in moltissimi test, fino alla fine della collaborazione tra STC e NASA/DOE. Collaborazione che nel 2002, con il contributo della Lockheed Martin Aerospace, porta alla realizzazione del primo Generatore Stirling a Radioisotopi per applicazioni spaziali, che viene chiamato SRG-110 (Stirling Radioisotope Generator – 110) perché in grado di erogare una potenza nominale di 110 We, grazie all’azione combinata dei due TDC da 55 We cadauno.

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Nella Fig. 2.23 si può osservare una visione complessiva del generatore, nella cosiddetta versione ingegneristica (Engineerig Unit – EU). I due convertitori Stirling sono sistemati con le camere di rimbalzo rivolte l’una verso l’altra. In questo modo ogni motore viene scaldato da una sorgente termica indipendente.

Questo accorgimento permette di garantire il funzionamento dell’unità, anche se in misura ridotta, se dovesse verificarsi un guasto a uno dei due convertitori o ad una delle due sorgenti. E’ tuttavia possibile una configurazione alternativa con le due estremità calde vicine, così da poter utilizzare un’unica sorgente termica per entrambi i convertitori, riducendo ulteriormente la massa totale.

Il calore viene fornito da un modulo General Purpose Heat Source (GPHS) sviluppato da DOE, che contiene circa 600 gr di Plutonio-238 (Fig. 2.24), per una potenza termica totale di 250 W (500 W complessivi se ci sono due GPHS). Questo calore , che si traduce in una temperatura operativa di 650°C, viene convertito da ognuno dei motori Stirling in circa 60 We di potenza elettrica alternata, che tramite un convertitore AC/DC diventano i circa 55 We nominali dell’apparecchio.

Tutti i componenti sono racchiusi da una struttura in berillio, che svolge anche la funzione di radiatore, le cui dimensioni sono quelle di un parallelepipedo di circa 75x40x30 cm. La massa totale del generatore risulta di 32.7 kg, per una potenza specifica di 3.6 W/kg.

Siccome la modellizzazione affrontata in questa tesi ha avuto come prima ispirazione l’architettura del Technology Demonstration Convertor di STC, è opportuno dare una descrizione più approfondita di questo componente, che verrà analizzato dettagliatamente in ogni sua parte nel 4. Per ogni ulteriore informazione sul TDC o sul generatore nel suo complesso, anche riguardo ai test effettuati su di esso, si rimanda a riferimenti bibliografici quali [12,13,14,15,16].

Purtroppo una rassegna completa delle grandezze geometriche e fisiche del TDC non è facilmente reperibile, se non sotto diretta concessione di NASA GRC. I dati di seguito riportati sono il risultato di una lunga catalogazione di pubblicazioni dell’argomento fatta dall’autore in circa un anno di ricerca.

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Fig. 2.23 - Spaccato dello Stirling Radioisotope Generator SRG-110,[15]

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2.4.1

Fig. 2.25 - Sezione del Technology Demonstration Convertor montato sul SRG-110,[14]

Il convertitore Stirling Free-Piston realizzato da STC per il generatore SRG-110 si presenta esteriormente come un involucro sigillato e pressurizzato. Al suo interno (Fig. 2.25) si individuano due volumi separati: la camera di rimbalzo, contenente gli avvolgimenti dell’alternatore lineare, e il volume di lavoro, separato in uno spazio di espansione e uno di compressione da un canale anulare che comprende il rigeneratore e i due scambiatori. Tutti i volumi sono riempiti di Elio, ad una pressione media di 2.5 MPa.

Lo scambiatore caldo (650°C) rappresenta l’interfaccia del motore con l’unità GPHS, mentre quello freddo (80°C) è a contatto con la struttura che funziona da radiatore. Il rigeneratore, così come in moltissimi motori Stirling anche a guida cinematica , è formato da un materiale poroso (letto di sferette, spugna metallica o simili) per migliorare il contatto termico con il gas.

Il displacer (cavo) e il pistone di potenza sono entrambi collegati al basamento da delle molle a spirale (Fig. 2.26), Il pistone alla pareti della camera di rimbalzo e il displacer ad un’asta centrale. Questo sistema, come visto in Fig. 2.17, è utilizzato da Infinia anche per altri modelli di convertitore. L’utilità principale di molle così dimensionate è quella di guidare e centrare gli elementi mobili, azzerando i carichi radiali e permettendo così un perfetto funzionamento anche in posizioni diverse da quella verticale.

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Fig. 2.26 - Design delle molle planari montate sul TDC,[16]

La rigidezza di tali molle è uno dei parametri più difficili da ritrovare nella letteratura recente, tuttavia è possibile fare delle stime considerando che nel loro disegno si è tenuto conto del fatto che fossero in grado di far risuonare gli stantuffi a frequenze vicine a quella operativa.

L’alternatore presenta dei magneti permanenti (Neodimio-ferro-boro) statorici, con avvolgimenti di rame sistemati con asse ortogonale a quello del motore. Il cursore, solidale con il pistone di potenza, è costituito da un nucleo ferromagnetico, che muovendosi varia la riluttanza delle linee di flusso e induce una differenza di potenziale sinusoidale negli avvolgimenti [17].

Il materiale scelto per la camera di espansione (Heater Head) è Inconel-718, una lega di Nickel e Cromo, che ha garantito buona resistenza al creep e quindi una lunga vita operativa (i test hanno dimostrato un’eccellente affidabilità per missioni di anche 10 anni). Il TDC lavora ad una frequenza operativa di circa 80 Hz, con un rendimento di conversione del 27% circa.