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Radioisotope thermoelectric generators with novel/high performance thermoelectric modules for lunar and deep space exploration

Ziolkowski, Pawel und Theiss, Daniel und de Boor, Johannes und Rink, Nils und Kyrimis, Stylianos und Stiewe, Christian und Müller, Eckhard (2025) Radioisotope thermoelectric generators with novel/high performance thermoelectric modules for lunar and deep space exploration. Space Tech Expo Europe 2025, 2025-11-17 - 2025-11-19, Bremen, Deutschland.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich
3MB

Kurzfassung

Planetary and deep space exploration requires a continuous supply of electrical power, independent of solar irradiation, which can be provided by Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs). RTGs employ decay heat from a nuclear fuel and thermoelectric modules for power generation. The power output of an RTG depends on the employed kind and amount of fuel, environmental temperature, various geometrical parameters of the RTG components, and, most importantly, on the design of the thermoelectric modules. Current designs for a European RTG are based on bismuth telluride-based thermoelectric modules, which suƯer from low conversion eƯiciency and limited maximum operation temperature. Isabellenhütte thermoelectric modules based on Half-Heusler alloys and the proprietary ISA-Plan® technology are directly addressing the aforesaid disadvantages of currently available BiTe thermoelectric modules by accepting much higher operating temperature differences resulting in significantly increased conversion efficiency. However, the application of novel high temperature thermoelectric modules requires a modification of the RTG design for optimized performance, which is a complex multi-parameter optimization. To address this challenge, we have coupled a thermoelectric network model to a genetic algorithm which can be used to optimize the design with respect to various targets, e.g. maximizing gravimetric power density. Validation with full 3D finite element analysis yields diƯerence in the performance parameters of less than2% at calculation times reduced by a factor of 1000 and requiring substantially lower computational resources of the network model compared to FEA. Comparison of the optimized designs for state-of-the-art technology to Isabellenhütte modules yields substantially increased harvestable temperature differences across the thermoelectric modules, substantial design modification like reduced heat exchanger masses and significantly increased performance.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220406/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Radioisotope thermoelectric generators with novel/high performance thermoelectric modules for lunar and deep space exploration
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Ziolkowski, PawelPawel.Ziolkowski (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1519-6803NICHT SPEZIFIZIERT
Theiss, Danieldaniel.theis (at) isabellenhuette.comNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
de Boor, JohannesJohannes.deBoor (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1868-3167NICHT SPEZIFIZIERT
Rink, Nilsnils.rink (at) isabellenhuette.comNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kyrimis, StylianosStylianos.Kyrimis (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6195-9421NICHT SPEZIFIZIERT
Stiewe, ChristianChristian.Stiewe (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1895-9258NICHT SPEZIFIZIERT
Müller, EckhardEckhard.Mueller (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-9499-9473NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:19 November 2025
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Thermoelectrics, Radioisotope thermoelectric generator, RTG; half-Heusler, Genetic Algorithm, Optimization, Power Density
Veranstaltungstitel:Space Tech Expo Europe 2025
Veranstaltungsort:Bremen, Deutschland
Veranstaltungsart:Andere
Veranstaltungsbeginn:17 November 2025
Veranstaltungsende:19 November 2025
Veranstalter :Smarter Shows Ltd.
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
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 09:01
Letzte Änderung:08 Dez 2025 09:01

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