University of Leicester står i spetsen för utvecklingen av ny teknik för elproduktion för rymdutforskning som en del av ett program som finansieras av Europeiska rymdorganisationen.

Leicester är en global ledare inom utveckling av rymdkärnkraftsystem för elkraftgenerering, rymdfarkoster uppvärmning och termisk hantering i form av radioisotop termoelektriska generatorer (RTGs) och radioisotope heater units (RHUs).

Nu, forskare från institutionen för fysik och astronomis rymdforskningscenter har byggt den första prototypen RTG och första RHU avsedd att utnyttja spillvärme från americium-241. University of Leicester ledde team har framgångsrikt byggt och testat 10 Watt RTG och 3 Watt RHU prototyper som använder elektrisk uppvärmning för att simulera värmen som genereras av en americiumkälla.

Richard Ambrosi är professor i rymdinstrumentering och rymdkärnkraftssystem vid University of Leicester och är projektledare vid universitetet.

Han sa:"För att flytta fram gränserna för rymdutforskning, innovationer inom kraftproduktion, robotik, autonoma fordon och avancerad instrumentering behövs.

"Radioisotopkraftkällor är en viktig teknik för framtida europeiska rymdutforskningsuppdrag eftersom deras användning skulle resultera i mer kapabla rymdfarkoster, och sonder som kan komma åt fjärran, kall, mörka och ogästvänliga miljöer.

"Uppdrag som använder kärnkraft erbjuder större mångsidighet i utmanande miljöer, med ett uppdrag som levererar vetenskapen som bara kan uppnås från flera uppdrag med solenergi, med betydligt längre livslängd (t.ex. Voyager, Ulysses, Cassini). I många fall kan kärnkraftssystem möjliggöra uppdrag som annars skulle vara omöjliga."

National Nuclear Laboratory (NNL) leder produktionen av americium-241 genom kemisk utvinning från Storbritanniens civila plutoniumlager, samt utvecklingen av americium-bränslepelletsformen. NNL kommer att tillhandahålla bränslet för kraftsystemen som utvecklas av University of Leicester och partners.

University of Leicester, tillsammans med Airbus Defence and Space Ltd, Queen Mary University of London, European Thermodynamics Ltd., Lockheed Martin UK och Fluid Gravity Engineering Ltd. har utvecklat och testat en 10 Watt prototyp av en radioisotop termoelektrisk generator.

Designad för att drivas av americium-241, den modulära RTG kommer att kunna generera upp till 50 W elektrisk effekt. Detta program bygger på framgångsrik utveckling och testning av en mindre skala 4 W labbbaserad RTG-prototyp.

European Thermodynamics Ltd. är involverade i utvecklingen av termoelektrisk och termisk hanteringsteknik i projektet.

Teknisk direktör Kevin Simpson sa:"Produkter som är avsedda för rymdtillämpningar är designade enligt högsta möjliga specifikation. Vi ser fram emot att utveckla ytterligare produkter för energiskörd och bädda in denna teknik i markbaserade applikationer."

Dessutom, genom att arbeta med Lockheed Martin UK, Johnson Matthey och National Nuclear Laboratory, Leicester har utvecklat och testat en prototyp för en 3 Watts radioisotopvärmare. Detta system är utformat för att hålla rymdfarkoster varma på utmanande platser.

Professor Ambrosi sa att det europeiska rymdprogrammet har fokuserat på americium-241 och att Storbritannien har unika resurser för att bygga en oberoende europeisk kapacitet inom rymdkärnkraft i ett kostnadseffektivt och snabbt program.

Professor Ambrosi sa:"För närvarande ligger fokus på två utvecklingsprojekt som syftar till att skala upp laboratoriesystemen till mer flygliknande experimentella prototyper. I båda fallen, elvärme används för att möjliggöra utveckling i labbet."

Tony Crawford, medlemmen av Leicester-teamet som ansvarar för monteringen av prototypen, sade:"Som maskintekniker här på rymdforskningscentret är jag mycket glad och stolt över att få vara en del av detta spännande rymdkärnkraftsprogram. Med en liten, mycket välmotiverat team som vi har använt vår erfarenhet av att designa, testning och leverans av hårdvara för rymdflygning för att bygga och testa många konfigurationer av RTG- och RHU-enheter. Med varje framgångsrikt steg i programmet är vi ett spännande steg närmare att ta fram en flygkvalificerad enhet."

Dr Hugo Williams, ingenjörsledaren för projektet, betonade några av de materialutmaningar som projektet presenterar:"Rymden kärnkraft presenterar några spännande materialutmaningar, allt från material som måste fungera vid mycket höga temperaturer och mekaniska belastningar till termoelektriska material; smart material som omvandlar den termiska energin till elektrisk energi. Utveckling och karakterisering av dessa material har potentiella fördelar i många andra tillämpningar."

Energiskörd från RHU som använder termoelektrisk omvandling kan erbjuda ett attraktivt alternativ för mindre uppdrag där små mängder elektrisk kraft i kombination med värmekällor kan öppna en rad scenarier för rymdutforskning.

Professor Ambrosi added that improving the efficient storage and management of the power generated is a challenge that has parallels in terrestrial power generation. These will be essential elements in any future system designs.