Существует теорема Карно о теоретическом максимальном КПД тепловых двигателей. Это справедливо не только для механических двигателей, таких как паровые двигатели или двигатели Стирлинга, но и для твердотельных устройств, таких как термопары, используемые в РИТЭГах.

Эффективность Карно зависит от верхней и нижней рабочей температуры.

T _c — холодная температура в Кельвинах, T _{h —} горячая температура процесса. Улучшить$\eta$, T _c должно быть небольшим, а T _h большим.

Реальные термопары намного менее эффективны, чем теоретический предел, но они обеспечивают большее напряжение, когда разница температур между горячей и холодной стороной выше.

Таким образом, РИТЭГ работает лучше, если охлаждающие ребра подвергаются воздействию холода на Марсе. Поверхность Марса должна быть холодной, а Солнце ниже горизонта, чтобы ребра могли более эффективно излучать тепло, и, таким образом, ребра, а также холодные стороны термопар становятся холоднее. Перенос тепла очень тонкой атмосферой будет небольшим, но охлаждение излучением работает лучше, если нет другой горячей излучающей поверхности, кроме ребер самого РИТЭГ.

из 40_ICT_NextGen_Presentation_August_2017_final.pdf

Но даже термопары следующего поколения далеки от теоретического предела.$\eta$для T _c = 150 K и T _h = 1275 K составляет 88 %. КПД даже самых лучших термопар не превышает 25 %. Но их эффективность лучше при более низкой температуре холодной стороны.

Все тепловые двигатели, будь то механические или твердотельные, производят работу, основанную на тепловом потоке через разность температур.

Максимальный КПД тепловой машины зависит от того, насколько велика эта разница.

Солнечное излучение

На Марсе есть времена года , как и на Земле. В то время как марсианская погода значительно менее интересна, чем земная, из-за более тонкой атмосферы средняя разница температур между летом и зимой может составлять более 50°С. Разница между дневными максимумами и минимумами может составлять более 120°С.

Если мы рассмотрим три формы теплопередачи, мы, вероятно, сможем исключить теплопроводность как важный фактор, учитывая, что Curiosity сидит высоко над землей на шести колесах. Хотя колеса и подвеска полностью металлические, как и корпус, небольшая площадь контактной поверхности и относительная изоляция РИТЭГа подсказывают мне, что тепловой путь к земле довольно плохой.

Кроме того, само НАСА говорит, что атмосфера Марса действует скорее как теплоизолятор, чем как проводник, из-за низкой плотности и теплопроводности CO2. Таким образом, мы можем исключить конвекцию как существенный источник тепловых колебаний.

Таким образом, мы остаемся с изменяющимся солнечным излучением, воздействующим на сам РИТЭГ, а также на ту часть корпуса вездехода, которая может передавать ему значительное количество тепла, в качестве единственных значительных источников тепловых колебаний. Как упоминалось выше, как дневной/ночной, так и сезонный циклы будут вызывать большие колебания температуры.

«Температура плавника» РИТЭГа составляет всего 157 С. Если мы посмотрим на средние высокие температуры за год, измеренные самим Curiosity, мы увидим изменение почти на 30°C. При дневном максимуме 4°C мы наблюдаем максимальную эффективность Карно около: 1 - (277/ 430) ~= 36% против -23°С, что дает: 1 - (250/430) ~= 42%. Очевидно, что более холодная погода повышает теоретическую эффективность до 17%. Таким образом, разумно, что на фактическую эффективность влияют ближе к 10%.

Термодинамика (добавлено через EDIT)

Curiosity имеет два датчика температуры : один измеряет температуру воздуха, а другой измеряет ИК-излучение от земли в качестве косвенного показателя температуры земли. Как вы можете видеть из отчета о погоде на Марсе , температура земли в среднем примерно на 5 градусов выше, чем температура воздуха. Таким образом, разница между воздухом и землей, по-видимому, не вносит большого вклада (учитывая, что поверхностная порода Марса служит огромной тепловой массой, логично, что она удерживает тепло лучше, чем атмосфера, что приводит к более высокой средней температуре). ).

Расчеты были проведены Рэндаллом Ощевски для оценки «эквивалентной температуры Земли» (EET) на Марсе, которая по сути является «фактором охлаждения ветром» для сравнения того, как человек может воспринимать марсианскую погоду. Из-за тонкой атмосферы Марс будет «чувствовать» себя намного теплее, чем номинальная температура -60 ° C, а это означает, что атмосфера будет уносить гораздо меньше тепла за счет конвекции. На самом деле, солнечная + наземная радиация доминирует над эффективной температурой. Кратковременно температура земли и воздуха может различаться до 20°С, так же как температура воздуха на земле может значительно различаться по температуре всего в нескольких десятках метров над поверхностью.

Атмосферное давление у поверхности Земли составляет порядка 1000 мбар, тогда как сопоставимое давление на Марсе больше похоже на 6-8 мбар (более чем в 100 раз легче). Я предположил, что более низкое давление приведет к более низкой теплопроводности, но в конце концов CO2 оказывается довольно нечувствительным к давлению. Скорее, химический состав объясняет двукратную разницу между Землей (18,5 мВт/км) и Марсом (9,6 мВт/км).

Заключение

Трудно сказать, каковы точные вклады температуры воздуха, температуры земли и прямого излучения в температуру оперения РИТЭГа, но кажется разумным рассматривать землю как своего рода «солнечный концентратор» в том ИК-излучении, которое исходит от РТГ. земля из-за солнечного нагрева будет воздействовать на РИТЭГ, несколько повышая его температуру. Любое ИК-излучение, исходящее из воздуха, конечно, ничтожно мало по сравнению с землей, поэтому вклад воздуха остается значением конвекции. Учитывая расчеты EET, упомянутые выше, кажется, что даже этот эффект относительно невелик.