Можно ли использовать пар в качестве эффективного источника энергии для космического корабля?

Очень простой ответ: вам понадобятся какие-то нагревательные панели, через которые будет проходить вода, пока она нагревается. Солнечные панели представляют собой тонкие пластины кремния. Вы не сможете построить водонагревательные панели легче, чем солнечные панели, а даже если бы вы как-то это сделали, вам все равно пришлось бы возить паровую турбину.

Как уже указывал комментатор, при сравнении эффективности вы пренебрегаете эффективностью поглощения самих панелей. Кроме того, значение 20%, которое вы указали, относится к турбине высокого давления. Если панели должны выдерживать такое высокое давление, это сделает их еще тяжелее.

Очень простой ответ. Вы смотрите на неправильный показатель эффективности.

Самая дорогая вещь на космической станции — это не площадь, вы не платите за фут «земли» (и связанного с ней солнечного света) в космосе. Самое дорогое - это масса, и ее туда поднять. Паровой двигатель тяжелее на единицу мощности по сравнению с солнечной панелью (особенно по сравнению с многопереходными солнечными панелями, которые имеют эффективность ~ 30%, которые они используют в космосе).

В pdf -файле NASA 1971 года говорится, что массивы кремниевых солнечных элементов [имеется в виду фотоэлектрические] зарекомендовали себя как самый надежный и экономичный генератор устойчивой энергии в космосе .

Ключевым фактором надежности является то, что сами элементы не имеют движущихся частей. Однако массив должен быть механически развернут и, как правило, устанавливается на шарнирах лицом к солнцу. Сбои в любой из этих систем не редкость.

Конечно, с тех пор многое изменилось — фотоэлектрические солнечные батареи стали намного эффективнее. Двухслойные клетки широко доступны при 30% освещенности при освещении одним солнцем (имеется в виду без концентраторов).

PDF -файл 2013 года дает сопоставимые цифры.

Подводя итог, ответ - нет. Фотоэлектрические солнечные элементы более эффективны и надежны для среднесрочного (до 10 лет) использования.

Только если это 1940-е, начало 1950-х или раньше, а ни эффективной фотовольтаики, ни космических ядерных реакторов еще не придумали.

Вопрос содержит некоторые ошибочные предпосылки.

Во-первых, современные солнечные элементы обладают большей эффективностью. Коммерческие солнечные элементы могут иметь КПД от среднего до высокого уровня 20, а в космическом полете, очевидно, используются лучшие и наиболее эффективные из доступных фотоэлектрических элементов, испытанных в полете.

Во-вторых, «эффективность» обычно не является самым важным соображением. Для энергии в космосе часто важна выходная мощность на вес или пожизненная энергия на вес (если рассматривать такие вещи, как топливные элементы, газовые турбины или ядерные реакторы, где количество топлива ограничено). Другие чрезвычайно важные вещи в космических приложениях включают простоту / надежность (обычно следует избегать движущихся частей) и возможность миниатюризации (не очень хорошо для паровых двигателей).

В- третьих, эффективные паровые двигатели не работают при температуре кипения воды. Вместо этого вода в котлах находится под давлением, так что она кипит только при гораздо более высоком давлении, а пар перегревается до 500°С и более.

В-четвертых, паровые машины — это тепловые машины, в основе которых лежит их способность выделять тепло при низкой температуре. Это легко сделать на Земле, где у вас могут быть конденсаторы с воздушным или водяным охлаждением. Для космического корабля его можно только излучать, а для излучения большого количества энергии требуются большие высокотемпературные радиаторы. Это делает тепловые двигатели вообще проблематичными в космосе.

В 1940-х и 1950-х годах предполагаемый дизайн космических кораблей и космических станций часто включал паровые двигатели, в которых вместо воды использовалась металлическая ртуть , но в остальном они работали примерно так, как вы описываете. Параболические зеркала будут фокусировать солнечный свет на ртутном котле, а пары ртути будут проходить через турбину, а затем конденсироваться в жидкость в конденсаторах-радиаторах. Ртуть была предпочтительнее, потому что температура конденсации была бы намного выше, чем у воды, и, следовательно, излучение работало бы намного лучше.

По мере того как шли 1950-е годы, становилось все более очевидным, что ядерные реакторы будут гораздо более простым и практичным вариантом, и часто предполагалось, что все космические корабли будут использовать ядерную энергию. Тем временем стало очевидно, что исследование космоса будет осуществляться с помощью небольших капсул и крошечных автоматических спутников, а не огромных атомных ракет из хайнлейновской научной фантастики и теорий фон-Брауна. Для этих приложений солнечные панели обеспечивают значительно меньший вес (без больших тяжелых турбин, труб и клапанов) и более надежный вариант (отсутствие движущихся частей всегда является огромным преимуществом). Для ядерной энергетики преобразование энергии, вероятно, будет использовать полностью газовые циклы Стирлинга или Брайтона, а не паровые, или использовать варианты без движущихся частей, такие как термоэлектронная или термоэлектрическая энергия.