Тепловые батареи, а не обогреватели с батарейным питанием для небольших кораблей на Марсе; сколько массы это добавит, сколько заменит?

Например, вертолет Ingenuity на Марсе заряжает свои батареи каждый солнечный день (то есть каждый день, за исключением тех, когда это не так ) и существенно разряжает их каждую холодную ночь (а это все они), чтобы уберечь себя от повреждений от замерзания и сохранить другие важные плюсы от переохлаждения. Марсоходы и посадочные модули на солнечной энергии на Марсе делают то же самое, за исключением оснащенных MMRTG Curiosity и Perseverance, которые используют циркуляцию нагретой жидкости.

Тепловая батарея это:

... в общем, что-то, что может накапливать тепловую энергию, и хотя для этой цели может служить электрическая батарея, горшок с водой, воск или любой другой материал, который претерпевает фазовый переход в полезном диапазоне температур с достаточной энтальпией изменения может потенциально может быть использован в качестве тепловой батареи.

Из термальной батареи Википедии :

Аккумулятор тепловой энергии — это физическая структура, используемая для хранения и высвобождения тепловой энергии — см. также аккумулирование тепловой энергии. Такая тепловая батарея (также известная как TBat) позволяет временно накапливать энергию, доступную в одно время, а затем высвобождать ее в другое время. Основные принципы, задействованные в тепловой батарее, проявляются на атомном уровне материи, при этом энергия добавляется или отбирается либо из твердой массы, либо из жидкого объема, что вызывает изменение температуры вещества. Некоторые тепловые батареи также включают в себя термический переход вещества через фазовый переход, который вызывает накопление и высвобождение еще большего количества энергии из-за дельта-энтальпии плавления или дельта-энтальпии испарения.

Но в этом случае его почему-то назвали «тепловым конденсатором», а не «тепловой батареей».

Хорошие вещи в тепловой батарее включают в себя:

  • Вы «заряжаете» его теплом, и солнечный свет дает примерно в пять раз больше тепла, чем электричества; солнечная фотогальваника не намного лучше, чем 20%, если принять во внимание все реальные эффекты (оптическая передача и пыль, снижение номинальных характеристик из-за неоптимальной температуры, преобразование энергии и эффективность зарядки батареи и т. д.)
  • Фазовые изменения, такие как плавление/замерзание, не «изнашивают» простой сыпучий материал, как повторяющиеся циклы заряда/разряда изнашивают электрические батареи с оптимизированной плотностью энергии. Вы не получите «уставшую воду».

Вопрос: Как будет выглядеть система солнечной тепловой батареи для самолета на Марсе? Примерно сколько массы это добавит? Сколько бы он заменил?

Помните, что масса и энергетическая емкость батареи Ingenuity обусловлены необходимостью совершить полезный долгий и удовлетворительный полет, а также иметь достаточно энергии, чтобы оставаться в тепле всю ночь, а также иметь хороший запас для безопасности.

Добавление тепловой батареи может существенно снизить требуемую энергоемкость и, следовательно, массу электрической батареи, так что добавление тепловой батареи — это еще не все « гибель и мрак ».

« Как будет выглядеть солнечная тепловая батарея для самолета на Марсе? » … для самолета она будет очень похожа на якорь, поскольку будет слишком тяжелой для полета. Аккумулирование тепла, даже за счет фазового перехода, требует значительного объемного объема, чтобы быть эффективным (для улучшения соотношения масса/поверхность). «Сделано» на Марсе — использовать мельчайшие радиоизотопные нагреватели для локализованного нагрева термочувствительных устройств. en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_heater_unit
Есть ли причина, по которой тепловая батарея должна быть частью самолета? Он мог остаться (вместе со своей «зарядной» системой) в базовом лагере, а вертолет мог вернуться в свое гнездо на ночь.
Связанный SBIR от Masten Space Systems для их проекта MOWS: sbir.gov/node/1670587 .
@ Вуди есть два вида кемпинга; автомобильный кемпинг, где вы можете совершать однодневные походы, и пеший туризм, где вы берете (почти) все с собой. Пока изобретательность делает последнее; он отслеживает Настойчивость во время своих путешествий, но никогда не подходит слишком близко в целях безопасности. Давайте придерживаться примера, который я привел. Как долго марсианский вертолет Ingenuity сможет не отставать от марсохода Perseverance, если захочет? и какой марсоход НАСА проехал дальше всего, а какой меньше всего за первые 100 солей?
@CuteKItty_pleaseStopBArking Ядерное оружие не является вариантом, разрешенным моим вопросом, и если у вас есть цифры о том, что более «громоздко» или тяжелее — кДж в электрической батарее против кДж в хорошей тепловой батарее с фазовым переходом — пожалуйста, предоставьте их чтобы поддержать вашу точку зрения.
@uhoh Я могу быть глупым, но где ваш вопрос исключает использование радиоизотопных нагревателей? Они довольно часто используются на спутниках, зондах для дальнего космоса и вездеходах для локального контроля температуры. Ведь миссия Кассини использовала СТО СЕМНАДЦАТЬ из них (Кассини 82, Гюйгенс 35).
@CuteKItty_pleaseStopBArking вопрос спрашивает: «Как будет выглядеть система солнечной тепловой батареи ...» и определяет, что такое термическая батарея для целей этого вопроса, который включает ежедневные циклы зарядки / разрядки, работающие от тепла Солнца. Там все в порядке! Я уделяю время тщательному написанию и составлению своих вопросов.
@uhoh хорошо, значит, ваш автомобиль должен работать без питания, потому что в вашем вопросе не указан источник питания? И никакой изоляции, потому что это тоже не указано? Все, что я сказал (в комментарии, а не в ответе!), Это то, что обычной процедурой управления температурой небольших или чувствительных устройств было использование радиоизотопных нагревательных устройств. Они так же распространены на небольших устройствах в холодных условиях, как гайки и болты.
@CuteKItty_pleaseStopBArking есть два способа ответить; 1) Я мог бы порекомендовать вам задать новый вопрос по вашей теме, что-то вроде «Почему НАСА забыло использовать радиоизотопный тепловой источник для обогрева Ingenuity? В конце концов, они вездесущи, как гайки и болты?» Будет несколько хороших ответов, это будет здорово! 2) Я мог бы отметить, что в Stack Exchange место для комментариев предназначено в первую очередь для улучшения вопроса, а не для того, чтобы просто публиковать материал. Этот вопрос тщательно изучен; первый комментарий под ним пытается начать другое обсуждение.
@CuteKItty_pleaseStopBArking В лучшем случае это отвлекает, а в худшем может сбить с толку некоторых читателей, что может привести к ответам, которые не касаются вопроса. Если вы хотите обсудить радиоизотопные нагреватели в новом вопросе, это здорово! Конечно, у вас может быть лучший заголовок, чем тот, который я предложил выше. Здесь и здесь упоминаются технологии, но я думаю, что их действительно можно изучить подробнее в новом вопросе.
«Тепловая батарея» имеет несколько значений (к сожалению), причем то, к которому я привык, полностью отличается от того, как вы его используете. См., например, pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.1c01864 для другого использования.
Интересно, дело только в массе и пространстве? Вам по-прежнему нужно электричество, чтобы управлять самолетом, поэтому фотоэлектрическая панель остается. Вам нужна еще одна солнечная панель, чтобы улавливать тепло. Тогда вам понадобится циркулирующая специальная жидкость, а именно трубы. И эти трубы должны выдерживать отрицательные температуры, чтобы замерзшая жидкость не лопнула. По теме: space.stackexchange.com/questions/51257/…
@NgPh эти «обязательства» могут быть нетвердыми, это, безусловно, самые простые, наиболее традиционные решения, но давайте посмотрим, нет ли и более креативных решений. Мы не строим здесь солнечный дом.
Самое простое и очевидное (и, может быть, поэтому нетрадиционное) решение — для Изобретательности вести себя как утенок. Ночью или когда слишком холодно, заберитесь под утку и согрейтесь на основе плутония. Все, что вам нужно, это вилка... так творчески!
Я сказал "уйти" образно. Что было бы намного проще, намного эффективнее, намного безопаснее: Изобретательность приземляется в 100 м от Настойчивости; Настойчивость приближается к Изобретательности; с помощью одной из своих рук, оснащенной штепсельной вилкой, Perseverance подключает Ingenuity к своей электрической цепи. Я понимаю, что эта схема не будет иметь смысла, если Изобретательность — это всего лишь приятное дополнение к основной миссии Настойчивости (что, похоже, так и есть, что также сводит на нет подход «пойти ко дну»).
Тепловые трубки работают как термодиоды. И они любят передавать тепло. не вниз. Дневная температура на поверхности Марса может достигать 70 градусов по Фаренгейту. Смотрю на эти веретенообразные ноги, тянущиеся от земли к тепловым батареям в животе...
и «усики», которые распространяются и неглубоко проникают в реголит. Я люблю это!
@JonCuster да, в данном случае стоит того, чтобы Википедия была на «моей стороне», поэтому я добавил их вступление. Для высокотемпературных батарей, которые обеспечивают электричество (в отличие от тепла), как та, на которую вы ссылаетесь, Википедия отсылает нас к батарее с расплавленной солью .

Ответы (1)

Вопрос: Как будет выглядеть система солнечной тепловой батареи?

Ответ: Это будет выглядеть так же, как Изобретательность!

введите описание изображения здесь

Что ж, это может выглядеть немного иначе, поскольку фотоэлектрические панели могут быть меньше. Потребуется меньше энергии для обогрева в ночное время. Емкость батареи будет ниже, но уменьшенный объем батареи будет (хотя бы частично) заменен объемом тепловой батареи.

Если заменить четыре посадочные опоры на тепловые трубки, а центральный сердечник батареи на фазово-переходную тепловую батарею, внешний вид вертолета изменится очень мало.

Тепловые трубы передают тепло, используя поглощенное тепло на одном конце для фазового перехода рабочей жидкости из жидкости в газ. Газ диффундирует по трубке до тех пор, пока не сконденсируется на другом конце, высвобождая аккумулированное скрытое тепло. Сконденсированная рабочая жидкость возвращается самотеком. Тепловые трубки не имеют движущихся частей и работают вечно или до тех пор, пока не потекут, в зависимости от того, что наступит раньше. Они работают в большом диапазоне температур (которые должны быть выше тройной точки рабочей жидкости). Например, заполненные аммиаком тепловые трубки хорошо работают от 200 К до 350 К https://llis.nasa.gov/lesson/698 .

Тепловые трубки распространены на космических кораблях (обычно с использованием аммиака в качестве рабочего тела). В нашем приложении конструкция упрощена, поскольку космический корабль работает в условиях гравитации. Гравитация позволяет тепловым трубкам действовать как тепловой диод: тепло проводится «вверх», а не «вниз» по трубе, предотвращая потерю накопленного тепла обратно вниз к ногам.

Рабочая жидкость будет выбрана таким образом, чтобы оптимизировать разницу температур между дневной температурой «ног» и максимально допустимой температурой батареи. Viking измерил температуру реголита от -107 C до -17,2 C. Температура тройной точки рабочей жидкости должна быть ниже температуры источника тепла во время передачи тепла. Ничего страшного, если ночью жидкость замерзнет в ногах. Атмосферная температура Марса может достигать 20°C летом, но теплопередача от разреженной атмосферы будет минимальной по сравнению с реголитом.

Выбор материала для трубок тепловых трубок требует определенных размышлений. Необходимо учитывать механические требования к напряжению при посадке. Теплопередача на обоих концах тепловой трубы будет максимально увеличена за счет алюминиевых профилей с внутренними ребрами, которые используются в тепловых трубах космических кораблей. Средняя часть может быть изготовлена ​​​​из композита, чтобы минимизировать вес и теплопроводность.

Существует много материалов, доступных для хранения скрытой теплоты термальных батарей. В крайнем случае может подойти льняное масло (MP-24*C), но, скорее всего, есть что-то более подходящее в продаже

Тепловые батареи, а не обогреватели с батарейным питанием для небольших кораблей на Марсе; сколько массы это добавит, сколько заменит?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v