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Performance improvement of radioisotope thermoelectric generators (RTGs) by design optimization

Kyrimis, Stylianos und Lallemand, Eliott und Stiewe, Christian und Ziolkowski, Pawel und Cowley, Aidan und Müller, Eckhard und de Boor, Johannes (2025) Performance improvement of radioisotope thermoelectric generators (RTGs) by design optimization. Energy Conversion and Management: X, 28, Seite 101395. Elsevier. doi: 10.1016/j.ecmx.2025.101395. ISSN 2590-1745.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
9MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590174525005276

Kurzfassung

Lunar exploration requires a continuous supply of electrical power, independent of solar irradiation availability. This can be provided by Radioisotope Thermoelectric Generators (RTG) which have been successfully deployed in various deep-space missions, proving their reliability and longevity. Design and operation of an RTG is a complex multi-disciplinary challenge, as they consist of a multitude of functionally interlinked components. To optimize the system, we developed a thermoelectric network model to rapidly simulate RTG operation. Using an iterative process, our network model calculates the heat flow and the temperature difference across each RTG component and from this evaluates the electrical power generated by the thermoelectric modules. We used the 241Am-based RTG design with Bi2Te3-based thermoelectric modules, developed by the European Space Agency, as baseline and coupled our network model to a genetic algorithm to identify an RTG design with maximum specific power while maintaining safe operating temperature limits. The optimized RTG design reaches a specific power of 1.38 W/kg at a power output of 13.9 Wel assuming environmental temperatures typical for the lunar surface, a considerable increase over earlier results of 1 W/kg and 10 Wel. Validation of our tool with a finite element analysis model revealed excellent agreement, with a power output difference of 1.1% and a three order of magnitude reduction in computational time. Our methodology thus allows for fast but accurate optimization of RTGs, an understanding of the interplay between the different parameters, and the adaptation of RTGs to different environments, accelerating their advancement for future deployment.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220400/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Performance improvement of radioisotope thermoelectric generators (RTGs) by design optimization
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Kyrimis, StylianosStylianos.Kyrimis (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6195-9421199006433
Lallemand, EliottNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Stiewe, ChristianChristian.Stiewe (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1895-9258NICHT SPEZIFIZIERT
Ziolkowski, PawelPawel.Ziolkowski (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1519-6803199006435
Cowley, AidanEuropean Astronaut Centre (EAC), Köln, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müller, Eckhardeckhard.mueller (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-9499-9473NICHT SPEZIFIZIERT
de Boor, JohannesJohannes.deBoor (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1868-3167199006436
Datum:10 November 2025
Erschienen in:Energy Conversion and Management: X
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:28
DOI:10.1016/j.ecmx.2025.101395
Seitenbereich:Seite 101395
Verlag:Elsevier
ISSN:2590-1745
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Radioisotope thermoelectric generator (RTG), Thermoelectric network model, Lunar exploration, Finite element analysis (FEA), Genetic algorithm (GA)
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R SY - Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Radiothermogeneratoren als autarke Stromquellen Mondbasis
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Thermoelektrische Materialien und Systeme
Hinterlegt von: Ziolkowski, Pawel
Hinterlegt am:08 Dez 2025 08:59
Letzte Änderung:08 Dez 2025 08:59

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