Пригодятся ли двигатели Стирлинга в космосе?

Двигатели Стирлинга, как и все тепловые двигатели, производят работу за счет передачи тепловой энергии от горячего источника к холодному. Для большинства двигателей внутреннего сгорания дихотомия горячего/холодного создается за счет сгорания некоторого количества топлива. Это генерирует точечный источник тепла, а источник холода находится повсюду. Двигатель Стирлинга не обязательно нуждается в источнике горения, но ему нужно тепло и нужен холод. Вот где будут проблемы для двигателя в космосе.

В космосе очень не хватает тепла, но назвать его холодным было бы натяжкой. В двух словах, это потому, что нет среды для переноса тепловой энергии. В результате, если бы у нас был двигатель Стерлинга в космосе, мы могли бы нагреть одну сторону машины для создания горячего потенциала, но нам пришлось бы полностью полагаться на радиационное охлаждение для создания холодного потенциала. Это не значит, что это не сработает, просто мы работаем с более ограниченным набором возможностей.

С практической точки зрения мы могли бы, вероятно, установить Стирлинг с низким дифференциалом на внешней обшивке корабля или станции. Тепло станции уже излучается, поэтому Стерлинг эффективно улавливает часть этой излучаемой тепловой энергии и превращает ее в механическую энергию. Вопрос в том, почему. Почему мы хотим это сделать?

Механическая энергия на борту космического корабля будет малопригодной, но не нулевой. Если бы электрический генератор приводился в действие двигателем, он, по сути, превращал бы потерянную тепловую энергию станции обратно в полезную электрическую энергию. Это не ничего, но это не совсем много. Эффективность этого процесса будет низкой, и общий выход также будет очень низким. В целом может показаться желательным сэкономить часть теряемой впустую тепловой энергии, но есть и общий вес самого двигателя, который будет значителен. Чтобы отправить двигатель в космос, потребуется огромное количество энергии, и, к сожалению, это, вероятно, того не стоит.

Я не могу рекомендовать использовать двигатель Стирлинга в космосе, но он, вероятно, сработает, если вы этого захотите.

Вопрос в том, пригодятся ли двигатели Стирлинга в космосе? Ответ: да, возможно, не лучший вариант, но он будет работать. Я экспериментировал с двигателями Стирлинга и сам спроектировал работающий двигатель. Самым большим препятствием является разработка детали холодного цилиндра из лучшего (синий алюминий) металла, который только может быть на земле. Проблема первая, как можно дольше удерживать холодный цилиндр в космосе холодным. При установке на конструкцию, например ISS, часть холодного цилиндра может быть установлена ​​снаружи конструкции, а горячий цилиндр (предпочтительно из высококачественной меди) внутри рамы станции для оптимальной работы.

Если вы работаете рядом с солнцем ("рядом" - относительный термин, но в пределах 2 а.е. - это быстрая приблизительная оценка), вам, вероятно, потребуется хорошее управление теплом, чтобы справиться со всей энергией, попадающей на обшивку корабля от солнца. . Даже если вы находитесь далеко от солнца, вам все равно потребуется некоторое управление теплом, чтобы справиться с теплом, выделяемым двигателями, оборудованием и персоналом вашего корабля. В любом случае вам придется иметь дело с перемещением тепла.

Двигатели Стирлинга генерируют энергию за счет перемещения тепла из одного места в другое. Они делают это с более высокой эффективностью и используют более низкие градиенты, чем многие традиционные двигатели. Вы также можете использовать двигатель Стирлинга для перемещения тепла против градиента.

Итак, будет ли двигатель Стирлинга хорошо взаимодействовать с системой управления теплом? Маловероятно, но правдоподобно.

Если бы я хотел псевдореалистичную версию этого, я бы выбрал что-то вроде внешнего слоя корпуса с множеством излучающих/поглощающих экранов. Это позволяет максимально эффективно втягивать или излучать тепло (и это может выглядеть круто. У кораблей может быть мех, мох или любой другой мотив). Внутри обмотайте корабль слоем насосов Стирлинга, все в батареях. У вас получится что-то вроде большого одеяла с эффектом Пельтье. Потребуется немного помахать рукой, чтобы сказать, почему это лучше, чем просто использование элементов Пельтье, но это всего лишь инженерная проблема («общий газовый бассейн лучше справляется с балансировкой нагрузки для горячих точек; механическая система более устойчива к космическим лучам; среда обеспечивает дополнительное экранирование, ремни Пельтье имеют тенденцию к короткому замыканию большими кусками и т. д.).

Итак, это дает вам элемент вашего корабля, который защищает от жары, обеспечивает обогрев и охлаждение и генерирует некоторую энергию (возможно) рядом со всем, что накачивает тепло в вашу систему. Если для вас важна незаметность, это тоже может обеспечить ее (выкачать все тепло из стороны корабля, обращенной к датчику). Функционально у вас есть что-то, что может деградировать, не ломаясь, может протечь и быть исправлено с помощью пластырей в стиле жевательной резинки, издает звуки по мере необходимости, очень важно для безопасной эксплуатации корабля и не становится фатальным при выходе из строя. Кроме того, он может работать на любом унобтаниуме в качестве газовой среды.

Двигатели Стирлинга интересны тем, что являются наиболее эффективными из возможных двигателей, что и привлекает внимание изобретателей всех мастей. Хотя они способны максимально приблизиться к теоретическим максимумам цикла Карно, в реальном мире они являются очень сложными устройствами и, как правило, лучше всего работают в очень ограниченных диапазонах выходных значений (в качестве предостережения, вы можете спроектировать устройство, соответствующее конкретный набор входных и выходных данных, которые вы хотите.Некоторые двигатели Стирлинга могут работать с температурой вашей руки в качестве входных данных, но они очень ограничены по выходной мощности).

С точки зрения пространства, ваш двигатель Стирлинга может работать с горячим концом при максимальной температуре, которую могут выдержать ваши материалы, в то время как холодный конец теоретически может излучать в бесконечный теплоотвод при температуре 3K, что означает, что вы можете иметь очень высокий уровень теплоотвода. эффективность. Опять же, реальная механика весьма сложна, и у вас не будет механически простого устройства.

Чтобы дать вам представление о возможностях двигателей Стирлинга, человек по имени Дэррил Филлипс сконструировал двигатель Стирлинга, который мог бы приводить в действие легкий самолет. К сожалению, статьи "Зачем авиации нужен двигатель Стирлинга" в сети вроде уже нет, но можно увидеть потенциал легкого и мощного двигателя, который можно приспособить под генератор. (Для тех из вас, кому интересно, двигатель, описанный Филлипсом, кажется вариацией конструкции двигателя Стирлинга «Рингбом», в котором вытеснитель перемещается за счет движения газов и силового поршня, а не за счет механического хода или кривошипа).

Таким образом, использование двигателя с циклом Стрлинга в космосе в качестве электрического генератора, использующего тепло от ядерного реактора или ракетного двигателя, кажется возможным, если выходная мощность достаточно велика, чтобы преодолеть штрафы за вес и сложность механики.

Есть люди, работающие над их использованием в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (устройствах, используемых в космосе для выработки электроэнергии за счет радиоактивного распада изотопов, обычно плутония-238), таких как те, что используются в зонде Curiosity и в миссии New Horizons.

На самом деле это намного эффективнее, чем традиционный РИТЭГ, в котором для выработки энергии используется термопара. Термопары работают, когда провода из разных металлов соединяются в разных местах космического корабля, и они генерируют электрическую энергию за счет разницы температур. Это очень неэффективно, потому что много тепла будет нормально передаваться на другую сторону вместо того, чтобы передаваться в виде электрической энергии. Причина, по которой это делается, заключается в том, что термопара очень надежна и ее нелегко сломать из-за ее простоты и отсутствия движущихся частей.

С другой стороны, двигатели Стирлинга могут быть очень эффективными, но они более сложны из-за движущихся частей и дополнительных деталей, которые можно сломать. Эти движущиеся части, хотя они и незначительны для чего-либо на Земле, к которым может получить доступ и отремонтировать человек, и которые не должны выдерживать высокие перегрузки при запуске ракеты (часто 5 g или более могут испытываться в течение длительных периодов времени). ). Эта дополнительная сложность и вероятность того, что что-то пойдет не так, а также дополнительная масса двигателя Стирлинга, являются основными причинами того, что они не использовались раньше, а также того факта, что большинству космических кораблей не нужна эта дополнительная эффективность.

Царапина с использованием тепла, излучаемого для станции, имеющей «горячую» пластину прямо на солнце, была бы намного более эффективной, учитывая, что температура поверхности МКС может достигать 250 F °, что почти определенно больше энергии, чем любой другой источник. Самая большая проблема, которую я вижу, - это отвод энергии с другой стороны для создания тепловой разницы. Второе — вес. Есть причина, по которой космические корабли используют почти исключительно солнечные батареи и РИТЭГи (например, несколько марсоходов).

Двигатели Стирлинга - тепловые двигатели, им нужна разница температур (например, между чем-то, нагретым солнцем, и большим радиатором в тени космических кораблей).

В больших масштабах солнечный концентратор + тепловой двигатель + генератор могут стать более эффективным способом преобразования солнечного света в электричество. Эффективность здесь означает полезную энергию, собранную на поверхность захвата, а не на вес.

По сути, это будет установка для концентрации солнечной энергии с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что в космосе всегда светит солнце и никогда нет облаков (следует отметить, что у установок для концентрации солнечной энергии есть более серьезные проблемы с облаками, чем у фотоэлектрических элементов, поскольку фотоэлементы могут использовать рассеянный свет). света, концентрационные установки не могут. Тем не менее, в больших масштабах солнечные концентрационные установки считаются экономичными по сравнению с фотоэлементами). В космосе в некоторых отношениях было бы проще построить любую тепловую машину, поскольку у вас есть много лучшего теплоизолятора — вакуум! Таким образом, солнечная концентрационная установка, питающая тепловой двигатель, снабжающий космическую станцию, может быть правдоподобной. Солнечные концентрирующие двигатели Стирлинга (с горячей стороной в фокусе параболической антенны) куда даже коммерческая штука, короче.

В любой тепловой машине КПД тем выше, чем выше разница теплоты между рабочим телом в его самом холодном и самом горячем состоянии (эффективность CArnot). Ближайшим соперником двигателя Стирлинга, по ИМО, будет паровой двигатель (цикл Ренкина). На Земле паровые двигатели достигают гораздо более высокой эффективности, чем двигатели Стирлинга, из-за трудностей, присущих конструкции, все тепло должно проходить через стенки двигателя дважды (внутри и снаружи) в виде проводящего или радиационного переноса, а это означает, что доступная разница температур может быть не эксплуатироваться полностью. Достигаемый КПД также сильно зависит от регенератора.

В космической установке с концентрацией солнечной энергии все выглядит немного иначе: теплопередача в двигатель одинакова независимо от типа (Стирлинга или Ренкина), отработанное тепло также должно отводиться через радиаторы (здесь паровые двигатели могли бы обойтись меньшими, при прочих равных). Двигатели Стирлинга не работают с жидкостями или на жидкостях, в то время как с паровым двигателем вы каким-то образом должны убедиться, что сконденсированная рабочая жидкость доходит до питательного насоса котла без увлеченных пузырьков.

Так что, если вы хотите вписать двигатель Стирлинга в свою историю, вы можете это сделать, самым большим ограничением является, конечно, вес, и здесь регенератор двигателя является проблемой, поэтому я бы поискал полуправдоподобные, но SF-нальные решения с микрорешетками 3D -напечатаны из новых материалов с очень высокой теплоемкостью.

Двигатели Стирлинга хороши, как игрушка. Вы можете положить их на чашку с горячим чаем и наблюдать, как она движется вверх и вниз.

Если вы хотите, чтобы что-то использовало разницу температур внутри и снаружи космического корабля, вам следует взглянуть на двигатели NiTiNol:

https://en.wikipedia.org/wiki/Никель_титан

https://www.youtube.com/watch?v=8-dCIkJAjyM

NiTiNol — это сплав с эффектом памяти с двумя рабочими точками. Вы можете генерировать энергию из разницы температур в 2 Кельвина, если все сделано правильно.

Тем не менее, я бы не назвал их эффективными, но они намного лучше двигателей Стирлинга.