Лёд и атом: генератор для холодных миров на фазовом переходе жидкости +5


Добыча ресурсов довольно убогая мотивация для колонизации Солнечной системы, но есть и другая – звездное небо над головой. Только представьте себе светило в 25 раз больше Солнца и 80 спутников вокруг, три из которых размером с Луну – примерно так будет выглядеть небо Европы, спутника Юпитера. Определенно, это лучший вид Солнечной системы. Плохая новость – чтобы построить там отель нужно много энергии. Хорошая новость – там есть много воды, то есть половина энергии уже на месте.

Прямо сейчас

Прямо сейчас человеку нечего делать на спутниках Юпитера, как, впрочем, и на других объектах в космосе. Жизнеобеспечение гуманоидов обойдется слишком дорого. Очевидное системное решение – нужны команды роботов-строителей, которые из местных материалов построят системы жизнеобеспечения. Подсчитано, что на Марсе потребуется 90кВт на жизнеобеспечение одного человека. Представьте, что может сделать робот с такой энерговооруженностью. С точки зрения энергетики задача миссии сводится к созданию сети зарядных станций.

Сегодня в космосе, в качестве источника тепла используется изотоп плутоний-238. Он наиболее эффективен в качестве источника тепловой энергии для термоэлектрических модулей. Но очень дорог и сложен в производстве. При этом атомная энергетика уже наработала значительное количество материалов попроще, например, стронций-90. В качестве продукта распада тяжелых ядер он присутствует в отработавшем ядерном топливе и извлекается относительно легко. В принципе, стронций-90 и плутоний-238 хороши тем, что они чистые излучатели – бета и альфа соответственно. Это означает, что от их ионизирующего излучения легко защититься просто поместив в контейнер. Радиоизотопные источники тепла не могут сломаться, «забиться», или сделать еще что-нибудь непотребное, чтобы выйти из строя. Радиоактивный распад неуправляем и не зависит ни от каких внешних факторов. Это свойство изотопа, такое же неотъемлемое, как его масса.

Для генерации какой-то осмысленной и управляемой формы энергии из тепла, которое хаотично по своей природе, нам потребуется еще один процесс, основанный на свойствах материалов. Одним из таких процессов может быть кристаллизация жидкостей.

Поехали

Для созданий генератора электрической мощности используем:

  • объемное расширение жидкости при замерзании (например, воды - на 11%);

  • значительные отрицательные температуры внешней среды для заморозки;

  • тепло РИТЭГ для плавления.

Принцип действия

В рабочем объеме находится двухкомпонентная жидкость:

Жидкость А – например, вода;

Жидкость Б – что угодно, лишь бы температура замерзания была не меньше чем на 40С0 ниже чем у Жидкости А.

Жидкость А замерзает и вытесняет Жидкость Б через обратный клапан в рабочий цилиндр, при этом совершается работа по условному поднятию тяжелого груза. При достижении предельной точки открывается клапан сброса и Жидкость Б под давлением поднятого ранее груза сбрасывается на электрогенератор. Жидкость А плавится ритэгом и цикл повторяется.

Оценочно для 1 кубометра воды в качестве Жидкости А

При замерзании вода «пухнет» на 11%, то есть в рабочий цилиндр вытесняется 110 литров Жидкости Б. Большой вопрос, какое принять у этой системы рабочее давление сброса, то есть условную «мощность замерзания». На фазовой диаграмме воды лед Ih, то есть наш обычный лед, который легче воды, все еще образуется при давлении 2058 атмосфер, правда для этого требуется крепость мороза минус 21 С0. Но, чтобы привыкнуть к мысли, используем сначала бытовую наглядность. Из практики известно, что вода при замерзании гарантировано рвет трубы в системе отопления. По техническим характеристикам, самая слабая труба должна держать внутреннее давление 25 атмосфер. Это значение мы можем принять как «точно существующее».

Итак, мы имеем 110 литров Жидкости Б под давлением 25 атмосфер. Причем давление будет сохраняться постоянным, поскольку мы используем «гравитационный привод», а не упругие элементы.

Для приблизительной оценки используем следующие формулы.

По формуле Бернулли скорость истечения составит:

v= (2gh)1/2 = (2 х 9,8 х 250)1/2 = 70,0 м/с

Здесь за h (высота столба жидкости) мы принимаем эквивалент постоянного давления 25 атмосфер – 250 метров водяного столба.

Кинетическая энергия при истечении Жидкости Б объемом 110 литров при плотности 0,95 (помним, что Жидкость Б должна отличаться от воды), под давлением 25 атм. составит:

E= mv2/2 = 110х0,95х702/2= 256286,25 Дж.

Генераторы ГЭС имеют КПД за 90%, поэтому примем, что за один такт мы сгенерировали 250 кДж чистой электрической энергии.

Много это или мало вопрос относительный, но это 250 секунд работы киловаттного двигателя взятые, по сути, из морозного воздуха. А вот дальше уже применяем тепло изотопов.

Оптимизировать можно много пунктов. В первую очередь, Жидкости А и Б. Поскольку, чем быстрее мы разморозим Жидкость А, тем быстрее повторим цикл. А вода в этой роли требует на фазовый переход лед-вода энергии больше любая другая жидкость. Если нам удастся найти или синтезировать жидкость, которая замерзала бы в заданном температурном диапазоне и имела бы коэффициент объемного расширения, например, больше 20%, то она могла бы стать отличной «Жидкостью А» вместо воды.

Однако мы должны понимать, что высокая теплоемкость процесса смены агрегатного состояния для воды это обратная сторона того, что «мощность замерзания» преодолевает уровень давления 2000 атмосфер. Таким образом, многое зависит от нашей способности сконструировать систему высокого давления. В этом случае, идеальной Жидкостью А, скорее всего окажется вода, которой на спутниках Юпитера настоящее изобилие.

Кроме того, нужна существенная оптимизация по объемам и теплопередаче – чтобы выйти на максимальную частоту тактов. В любом случае, система, конечно, будет тяжелее  GPHS-RTG, но не потребует плутония 238 и, в принципе, может быть мощнее.

Тактовая частота

Давайте оценим «тактовую частоту» на небольших объемах. Небольшой объем хорош тем, что здесь можно гораздо проще сделать прочную конструкцию под высокое давление.

Оптимизируем индикаторные формулы

v= (2gh)1/2

E= mv2/2

В формулу энергии подставим скорость и будем помнить, что h это давление, выраженное в метрах водяного столба:

E= mv2/2 = m ((2gh)1/2)2/2 = mgh

То есть на энергетику системы в одном такте в чистом виде влияет только масса и давление. Привяжем стандартный ритэг по балансу энергии.

Существует некоторая стандартная форма дешевого РИТЭГ – 85 ватт/0,2 литра. То есть некоторый изотопный состав, который в объеме стакана излучает 85 ватт тепловой энергии, которую нам надо пустить на плавление льда, чтобы потом запустить новый такт заморозки.

Теплота плавления льда =3,35·105Дж/кг, теплоемкость льда – 2100 Дж/кг.

Для наглядности возьмем количество воды 10 кг (10 литров). Чтобы поднять температуру льда от минус 20С0 и сменить агрегатное состояние с твердого на жидкое, нам потребуется:

Eв = 10 кг х (3,35·105Дж/кг) + 10 кг х(2100 Дж/кг С0) х 20С0 = 3,35·106Дж + 420000 Дж = 3,77 МДж

С помощью одного РИТЭГ мощностью 85 ватт, это количество энергии мы будем добывать 12 часов. Выглядит не очень продуктивно. Но если мы возьмем 72 ритэга, то нужное количество тепла мы будем получать за 10 минут. В объемном выражении 72 ритэга это меньше 15 литров. К слову сказать, что этот объем можно сократить, если использовать плутоний-238. Его потребуется всего 11 килограмм. В объемном выражении  - примерно 0,7 литра.

Сделаем допущение, что мороз на улице достаточен для того, чтобы заморозить 10 литров воды за один час. Помним, что 10 литров воды при заморозке вытеснят 1,1 литров Жидкости Б. Тогда для системы:

Количество баллонов с 10 л. воды

Количество ритэг

Давление в системе

 

(Дж/час)

7

72

200 атм.

123892 (34 Вт эл)

13

144

200 атм.

244170 (67 Вт эл)

7

72

300 атм.

184526 (51 Вт эл)

13

144

300 атм.

366256 (101 Вт эл)

Предельная точка для льда Ih

13

144

2000 (2058 – предел по фазовой диаграмме воды)

2441709 (678 Вт эл)

Последний вариант на постоянную электрическую мощность 678 Вт выглядит уже вполне пригодным для какой-нибудь миссии. 

По минимальным объемам размер системы будет складываться из трех систем:

  • система с Жидкостями А и Б - 200 литров;

  • система с ритэгами – 40 литров;

  • генератор + аккумуляторы – 30 литров.

То есть общий размер системы может быть 52х52х100 см. Если, конечно, нам удастся сделать в этих габаритах гидравлическую систему на 2000 атмосфер. 

В общем и целом 10 таких модулей обеспечат 6 КВт автономной электроэнергии, что вполне может хватить для зимовки в Антарктиде.

На Марсе, конечно, придется систему прятать в мерзлый грунт, поскольку разрежённость атмосферы явно не способствует быстрому замерзанию.  Но, в принципе, такая система хорошо подходит под идеологию эксплуатации – зарядная колонка на Марсе, к которой подъезжают марсоходы на заправку. По ритэгам такая колонка сможет работать минимум 15 лет практически не снижая мощности.  Если поставить сеть таких зарядных колонок, то это будет уже первичная инфраструктура для стройплощадки. Наличие такой инфраструктуры делает возможным миссию строительных роботов, которые могут начать строительство марсианской базы из местных материалов. Для спутников Юпитера, где наличие огромного количества воды является общепризнанным фактом, создание такой инфраструктуры может быть существенно упрощено за счет использования больших объемов местного материала.  

Стоит ли овчинка выделки

Остается последний вопрос - если тепло, которое дают РИТЭГ напрямую переводить в электричество через термоэлектрические модули, то не будет ли это эффективнее?  Самый эффективный на сегодняшний РИТЭГ стоит на «Курьезити». На 2000 Вт тепловых он вырабатывает 110 Вт электрических. То есть преобразует тепло в электричество с КПД 5,5%.

В нашем примере 3,77 МДж, которые требуются, чтобы растопить 10 кг воды от минус 20С0, в одном такте вырабатывают 0,205029 МДж (при давлении 2000атм.).  КПД 5,43%, то есть в теории сопоставимо по эффективности.

Но есть резервы, или, скажем так, надежды - значительно повысить эффективность за счет изыскания Жидкости А с выдающимися для этой задачи свойствами. И есть преимущество – пиковые значения мощности на порядки могут превышать все, что в принципе может предложить термоэлектрический преобразователь.

Остается только построить  отель на Европе или Ганимеде, чтобы продолжить удивляться моральному закону внутри нас и лучшему в Солнечной системе виду на звездное небо.




Комментарии (15):

  1. GoodWins
    /#24609998 / +5

    А чем плох широко используемый фазовый переход жидкость - газ?

    • Alex_Mtrskn
      /#24610286

      Может тем, что при 25 атм придется гонять воду через переход ~200С. Будет накладывать дополнительные требования на теплоизоляцию (хотя в вакууме существенно меньше) и конструкционные материалы. Плюс ко всему для перехода жидкость-твердое тело фазовая диаграмма вертикальна и даже небольшое смещение температуры ведёт к фазовому переходу. Но вот мне не понятно почему выбраны именно 25 атм, а не 10, к примеру.

      Не уверен, но что-то мне подсказывает, что газовое рабочее тело также будет больше 'теряться'.

      Upd. Ещё раз перечитал что предлагает автор. Выходит, что давление будет не фиксированное. Тогда вполне логично выглядит переход вода-твердое тело, так как нам не надо при изменении давления увеличивать температуру воды.

      Upd2. А так как мы на планете, где скорее всего холодно и нет атмосферы, то можно вообще гонять воду через переход газ-твердое тело: -50 - 0С, 1 мбар

      Upd3. Но все же газ является сжимаемым, в то время как вода условна несжимаемая.

      • BorisVR
        /#24612240

        Ну, меня всегда завораживала "механическая" мощность процесса кристаллизации воды. На переходе жидкость-газ это уже паровой двигатель:))

        По поводу 25 атм. - исключительно из соображений наглядности и для примера. Вода рвет трубы расчитанные на 25 атм., система с давлением жидкости 25 атм. - это обычная кофемашина:)). То есть техническое окружение в наличии.

        Но, конечно, давление должно быть на порядок больше и надо смотреть гидравлику серьезных машин

  2. kichrot
    /#24610072 / +2

    Добыча ресурсов довольно убогая мотивация для колонизации Солнечной системы, ...

    Крайне странное заявление и посыл статьи. :)

    Доступ к ресурсам, включая знания, это единственная объективная мотивация для любой экспансии, в том числе и экспансии в космосе. :)

    • Hardcoin
      /#24610234

      Не единственная. Развлечение ещё, интерес - тоже работает как мотивация.

    • vassabi
      /#24610464

      и экстерриториальность - уж вот где биткойномайнеры развернутся! /s

  3. azTotMD
    /#24610878 / +2

    Что-то у меня какие-то сомнения...

    Почему ускорение свободного падения взято для Земли?

    объемное расширение жидкости при замерзании

    Обычно жидкости так себя не ведут. И не уверен что так поведёт себя вода при давлениях и температурах сильно отличающихся от привычных.

  4. alcanoid
    /#24611262

    Вопрос: куда РИТЭГи будут сбрасывать тепло во время фазы охлаждения жидкости А? Если источники тепла поместить внутрь бака с водой, то её нагрев не прекратится, РИТЭГ не отключается кнопкой. Если же источник тепла держать снаружи, каковы будут теплопотери, и во что обойдётся прокачка теплоносителя?

    • BorisVR
      /#24612146

      Просто геометрически разносим. Условно - РИТЭГ растопил один стакан, бросил его замерзать и поехал к другому:)) Эту механику можно сделать неэнергозатратной

      • alcanoid
        /#24613700 / +2

        Может, РИТЭГу тогда лучше непрерывно ездить по кругу и вращать ворот? Ну, если это настолько незатратно.

        • BorisVR
          /#24614018

          Очень сложно, нужен круг и ворот:)))

  5. Radisto
    /#24611598 / +1

    Тут, мне кажется, критическая точка - замерзание воды. Теплоты она отдает много, а теплопроводность и у нее и у льда отвратительная, у автора замерзание необходимо, хотя кпд у у него не очень: маленькая механическая работа на большую энергию фазового перехода. То есть проблемой будет сбросить теплоту с рабочего тела даже при наличии холодильника. А чем двигатель Стингера не угодил? Термогенераторы на ритегах используют не потому, что альтернативы нет, а чтобы избежать движущихся частей. Если движения мы не боимся (а автор не боится), то стингер выглядит нормальным решением.

    • BorisVR
      /#24612088

      Двигатель Стирлинга прекрасен во многих отношениях. Но 15 лет (или много больше, если брать другие изотопы в РИТЭГ) он шуршать не будет, чай не газовая центрифуга на каскаде:)). И, кроме того, эта система, в любом случае, остается чемпионом по пиковой мощности.

      Здесь как бы просто принцип - использовать две пассивные субстанции - низкие внешние температуры и энергию распада. Конструкционно, конечно, не отработано, разве только жидкости А и Б. Но, принципиально все решаемо, и даже может быть красиво:))

  6. yri80
    /#24611690

    Тащить мешки с костями в дальнее внеземелье пока никак не оправданно кроме понтов. :( Роботы справятся лучше за меньшую цену.

    Если замороженный объем воды на первоначальном этапе подогревать не ритегом, а другим такимже обьемом, но который проходит цикл охлаждения удасться заметно поднять кпд?

    • BorisVR
      /#24612126

      Хмм, здесь скорее нужна динамика "один в растопке, а остальные уже замерзают". Потому что усилить мощность нагрева мы можем, а охлаждения не можем, иначе потеряем выгоду "пассивного" генератора. КПД лучше всего поднять за счет качества жидкости А, как мне кажется.