Kompakte mechanische Energiequelle

Zusammenfassung:

Ein mit Ethanol betriebener Heißluft-"Stirlingmotor" mit externer Verbrennung

Etwa 3 Liter Ethylalkohol pro Tag liefern etwa die gleichen Energieniveaus, die von einem Menschen verbraucht werden, der sich mit sitzenden und mäßig anstrengenden Aktivitäten beschäftigt. Ein kleinerer Roboter mit weniger Masse und der Fähigkeit, den Stromverbrauch in Zeiten ohne Aktivität auf ein Minimum zu reduzieren, sollte weniger Kraftstoff benötigen.

Detail.

Ein Kohlenwasserstoffbrennstoff und eine Verbrennung oder vielleicht nur eine katalytische Oxidation sind wahrscheinlich so dicht wie möglich.

Endwirkungsgrade im Bereich von 5-10 % sind wahrscheinlich angemessen - und mehr bis viel mehr ist möglich*.

Kohlenwasserstoffe liefern ~= 10 kWh/kg.
Also 10% Wirkungsgrad ~= 1 kWh/kg.

Um eine Vorstellung von den erforderlichen Energieniveaus zu erhalten, benötigt eine Person in sitzender oder leichter bis leichter Aktivität etwa 2000 kCal oder etwas weniger als 10 MJ/Tag.
1 kWh = 3,6 MJ
, also benötigen Sie bei 10 % Wirkungsgrad etwa 3 kg Kohlenwasserstoffbrennstoff.

Dies könnte Benzin / Kerosin / Öl / Holz / Kohle sein, aber Ethanol ist attraktiver, da es relativ geruchsfrei gemacht werden kann. Außerdem ist Ethanol aus Fermentationsprozessen + Destillation erhältlich, die fast überall verfügbar sind, während Kohlenwasserstoffe möglicherweise nicht lokal verfügbar sind. Es gibt immer Fisch- oder Pflanzenöle oder tierische Fette, aber in allen Fällen ist die Verbrennung wahrscheinlich "geruchsintensiv".

Um ethanolbetriebene mechanische Leistung bereitzustellen, ohne Dampf oder Verbrennungstechnologie zu benötigen, könnten Sie einen dampffreien Stirlingmotor mit externer Verbrennung implementieren. Der Stirlingmotor wurde 1816 erfunden – eine Umsetzung in einer spätviktorianischen Umgebung wäre also durchaus machbar.

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* Theoretischer absoluter maximaler Wirkungsgrad des Stirlingmotors ist
Max. theoretischer Wirkungsgrad = Carnot-Wirkungsgrad = Z
Z = (Thot-Tcold)/Thot
wobei Thot und Tcold die Temperaturen des kalten Endes des heißen Endes in absoluten Graden sind.
Tatsächliche Wirkungsgrade von sagen wir 50 % des theoretischen Maximums sind erreichbar.

Unter Verwendung der viktorianischen Metallurgie haben Thot = 200 C = 473 K und tcold = sagen wir 50 C effektiv = 323 K
Carnot-Effizienz Z = (473-323) / 473 = ~ 32%, also vielleicht 16% tatsächlich.
10 % scheinen ein vernünftiges anfängliches Ziel zu sein.

Arbeitsgas kann Luft, Helium oder Wasserstoff sein – mit zunehmender Energiedichte.
Wasserstoff ist gefährlich und hat Umsetzungsprobleme.
Helium wurde 1868 entdeckt – allerdings als Sonnen-Spektrallinie.
Die Massenverfügbarkeit erfolgte nach der Entdeckung von Gasfeldern in den USA im Jahr 1903.
Helium ermöglicht eine erhebliche Größenreduzierung - aber ein beispielsweise 250-Watt-Stirlingmotor, der Luft verwendet, sollte akzeptabel sein und in einen Automaten eingebaut werden können.

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"Vickie" - Ein mit Ethanol betriebener Heißluft-"Stirlingmotor" im viktorianischen Stil mit externer Verbrennung

Eine Modellimplementierung eines Stirlingmotors im Look der "viktorianischen Ära":

Von hier

• Stirlingmotoren haben keine Ventile, Vergaser, Zündanlage oder Kessel und laufen fast gespenstisch leise. Richtig hergestellt, laufen sie jedes Mal einwandfrei, wenn eine Wärmequelle angewendet wird!

• "Vickie" ist ein Stirlingmotor vom modifizierten Heinrici-Typ mit elegantem viktorianischen Stil, der für ein angenehmes Aussehen entworfen wurde, wie er für Motoren und Maschinen des 18. und 19. Jahrhunderts verwendet wurde. ...

• Der Motor besteht hauptsächlich aus Aluminium mit Akzenten aus poliertem Messing und Edelstahl und ist in dunkelgrüner und kastanienbrauner Farbe gehalten. Ein riemengetriebener Messinglüfter konkurriert mit der Stangen- und Traversenbewegung um Aufmerksamkeit. Vickie wird von einem attraktiven horizontalen Spiritusbrenner aus Messing angetrieben, der über ein integriertes Schauglas für den Kraftstoffstand verfügt.

Ein Satz großer Zugfedern .

Die Federn könnten wie moderne Batterien durch Aufwickeln „aufgeladen“ und modular austauschbar sein.

Federn neigen jedoch dazu, groß zu sein, besonders wenn die gesamte „Ladung“ aufgebraucht ist, daher bezweifle ich, dass dies eine sehr gute Lösung ist.

Obwohl die Technik schwierig gewesen wäre, sollten Sie die Möglichkeit einer winzigen Dampfmaschine in Betracht ziehen, die durch die Zersetzung von Wasserstoffperoxid angetrieben wird, einer Chemikalie, die den Viktorianern sicherlich bekannt ist. Hochkonzentriertes Peroxid kann über einen geeigneten Katalysator (z. B. einen Silberdraht) geleitet werden und zerfällt ziemlich energisch in Wasserdampf und Sauerstoff. Die Herstellung entsprechend robuster und langlebiger Dichtungen für ein solches System sei dem Leser als Übung überlassen.

Lecks von High-Test-Peroxid sind potenziell ziemlich gefährlich, da es schnell alle möglichen Dinge entzünden und für Menschen ziemlich giftig sein kann. Ich bin mir nicht sicher, welche Mindestkonzentration erforderlich ist, damit diese Technologie funktioniert, und daher kann ich Ihnen nicht genau sagen, wie gefährlich sie sein könnte, aber sie wird nicht ganz idiotensicher sein.

Die Idee hat zwei interessante Folgeeffekte:

Erstens liefert es eine Rechtfertigung für die endlos wiederverwendete viktorianische Steampunk-Trope. Sie können dies für eine gute Sache halten oder auch nicht.

Zweitens könnte es die Entdeckung von Flüssigkeitsraketen um Jahrzehnte vorziehen, was eine ziemlich interessante Auswirkung auf Ihre zukünftige Geschichte des 20. Jahrhunderts haben wird; nicht nur in der Kriegsführung, sondern auch in der Weiterentwicklung von Flugtechnologien.

Als Referenz beträgt die geschätzte Energiedichte einer Hauptfeder 1,5 KJ / l (aus dieser Antwort von physics.se ). 60 % Peroxid sind eher 3 M J/l, das würde Ihnen also eine ungefähre Zahl dafür geben, wie viel besser die kleine Dampfmaschine sein könnte (ohne Berücksichtigung aller möglichen Ineffizienzen, die Legion sein werden, aber es wird immer noch kommen voraus) Zum Vergleich: Benzin (oder Benzin, wenn Sie es vorziehen) liegt über 34 MJ/l, und Blei-Säure-Batterien liegen bei etwa 0,5.

Schwere

Ihre Automaten haben einen Mechanismus, der die Gravitationskraft z. B. in die Drehung von Zahnrädern übersetzt, genau wie der Pendelmechanismus in einer traditionellen Kuckucksuhr , der Gewichte verwendet, die an einer Schnur oder Kette als Energiequelle hängen (die eigentliche Kraft wird von einer Kurbel erzeugt , nicht durch das Pendel).

Das erfordert solche Ketten, die am Körper des Automaten hängen, aber ich bin sicher, Ihre Leute könnten sie als Leinen oder Zierbänder in die allgemeine Ästhetik integrieren.

Das größere Problem ist, dass Sie entweder mehrere solcher Mechanismen benötigen, um genügend Energie zu erzeugen, oder dass das Gewicht ziemlich schnell sinken muss, um die Zahnräder schneller zu drehen (was in mehr Kraft übersetzt werden kann). Jemand muss sie "aufziehen" (oder vielmehr an der Kette ziehen, damit das Gewicht wieder höher angehoben wird), bevor ihre Gewichte den Boden erreichen und alle Zahnräder einfach aufhören sich zu drehen.

Heiße radioaktive Elemente treiben einen Äthermotor an.

Die Äthermaschine war Mitte des 19. Jahrhunderts eine echte Sache; dies unter anderem nach dem Prinzip der Dampfmaschine arbeitende Arbeitsflüssigkeiten mit niedrigerem Siedepunkt als Wasser.

Ich schlage vor, Ihre Automaten haben an Bord Äthermotoren, die von einem Klumpen eines radioaktiven Elements erhitzt werden - Actinium könnte funktionieren, oder Thorium, Radium, sogar komprimiertes Radon. Viele dieser radioaktiven Elemente wurden in den späten 1800er Jahren entdeckt und die Verwendung radioaktiver Dinge auf diese Weise riecht für mich nach Steampunk. Bei der Reinigung geben viele von ihnen Wärme durch radioaktiven Zerfall ab. Gereinigtes Actinium kann heiß genug werden, um sich selbst zu schmelzen. Automaton (krebssichere) Mühlenarbeiter würden die Reinigung dieser Elemente sicherer machen.

Verschiedene Automatenhersteller könnten ihre eigenen proprietären Motoren haben (Actinium und Äther, Radium und Chloroform, Ultimum und Benzol usw.). Jedes wirbt für die Vorzüge seines eigenen Systems und die Gefahren der anderen. Ich kann mir vorstellen, dass Heimanwender keinen Radionuklidbrennstoff kaufen und ihre Automaten hacken wollen, um sie mit Thermit oder übersättigtem Natriumacetat zu betreiben.

Schwungräder

Schwungräder wurden in der Vergangenheit als „Batterien“ für Elektrobusse verwendet und werden heute in kinetischen Energierückgewinnungssystemen für Rennwagen sowie als Netzenergie verwendet. Heute können wir 0,5 MJ/kg mit Schwungrädern aus Kohlefaserverbundwerkstoffen erreichen , die im Vakuum bei 60.000 U / min mit Magnetschwebelagern betrieben werden. Ein großer Vorteil von Schwungradsystemen ist, dass sie relativ schnell wieder aufgeladen werden können. Auch eine sehr schnelle Entladung ist möglich.

Die Energiedichte des Schwungrads ist ungefähr proportional zum Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht der Materialien, aus denen wir unser Schwungrad herstellen, und ist gegeben durch Energiedichte = K*MaxStress/Dichte. K ist der Formfaktor, der beschreibt, wie effizient wir das Material in unserem Schwungrad verwenden, um Energie zu speichern, und reicht von 0 bis 1, wobei 0,5 ziemlich vernünftig ist. Die maximale Belastung ist die maximale Belastung, die unser Material aushalten kann, und die Dichte ist die Dichte des Schwungradmaterials. Für die Energiedichte in J/kg verwenden Sie Pascal für die Belastung und kg/m^3 für die Dichte.

Lassen Sie uns also herausfinden, wie hoch die Energiedichte sein könnte, wenn wir davon ausgehen, dass wir keine Kohlefaser haben. Unter der Annahme eines Maraging-Stahls mit einer Streckgrenze von 2400 MPa und einem Sicherheitsfaktor von 1,3 (max. Spannung ~1800 MPa) erhalten wir bei einem Formfaktor von 0,5 eine Energiedichte von 0,11 MJ/kg. Dies ist angesichts der Tatsache, dass Blei-Säure-Batterien eine Energiedichte von etwa 0,14 MJ/kg haben, einigermaßen vernünftig .

Diese beiden Energiedichtezahlen sind jedoch mit einem Sternchen versehen. Für eine lange Energiespeicherung müssen wir unser Schwungrad in eine Vakuumkammer stellen, um den Luftwiderstand zu eliminieren, der das Gewicht erhöht. Das größere Problem ist, dass der Schwungrad-Energiespeicher zu einer sehr effizienten Bombe wird, sollte das Schwungrad ausfallen, wird ein Großteil der gespeicherten Energie mehr oder weniger direkt in fliegende Splitter umgewandelt. Also müssen wir unser Schwungrad panzern. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Energie aufgrund der Lagerreibung langsam abfließt. Dies kann ziemlich niedrig sein, wenn wir Magnetschwebelager verwenden, aber ich glaube nicht, dass eine Steam-Punk-Welt dies haben wird. Für eine maximale Energiedichte sollten wir unser Schwungrad so schnell wie möglich drehen, aber das erzeugt mehr Verschleiß.

Ein Trick, um Schwungräder zum Laufen zu bringen, besteht darin, anzunehmen, dass wir Zugang zu einem Material mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht haben, das ich Unobtainium nennen werde. Wir können davon ausgehen, dass das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht von Unobtainium lächerlich hoch ist, was bedeutet, dass unser Schwungradsystem nicht viel davon benötigt. Vielleicht brauchen wir für die praktische Energiespeicherung nur eine verschwindend kleine Menge wie Milligramm oder weniger. Dies bedeutet, dass wir den Schaden begrenzen können, den ein nahezu unzerstörbares Material wie Unobtainium anrichtet, indem wir es lächerlich teuer und nur für die Speicherung von Schwungradenergie praktisch machen.

Wärmekraftmaschinen

Da Sie angegeben haben, dass "die Feinmechanik fortgeschritten und zuverlässig genug ist, um integrierte Schaltkreise zu replizieren", sollte es möglich sein, ziemlich kompakte Wärmekraftmaschinen herzustellen, die Kohlenwasserstoffbrennstoffe verbrennen können. Als Beispiel dafür, wie wir dies auf die Spitze treiben können, wurden sehr kleine Gasturbinentriebwerke als Ersatz für Batterien vorgeschlagen.

Während oben der Brayton- Zyklus verwendet wurde, der derselbe thermodynamische Zyklus ist, der von Strahltriebwerken verwendet wird, können wir auch den Rankine- Zyklus verwenden, der ein thermodynamischer Zyklus ist, den jedes Kraftwerk mit einer Dampfturbine verwendet. Es wurde vorgeschlagen, ein Dampfturbinenkraftwerk auf einem Chip mit einem Wirkungsgrad von ~11% und einer Leistungsdichte von bis zu 12 KW/kg herzustellen . Dies ist in der Leistungsdichte vergleichbar mit einem GE90-115B Brayton-Turbofan-Strahltriebwerk bei 10 KW/kg.

Es wurde auch vorgeschlagen, winzige Organic-Rankine-Cycle-Turbogeneratoren mit Solarkonzentratoren als Ersatz für Silizium-Solarpanels in Satelliten zu verwenden . Was uns nun wirklich in die Lage versetzt, kompakte Rankine-Cycle-Kraftwerke herzustellen, ist die Möglichkeit, relativ kompakte Kessel und Kondensatoren herzustellen. Wenn wir komplizierte winzige Mechanismen herstellen können, können wir wahrscheinlich komplizierte Anordnungen winziger Rohre herstellen.

Hydraulik oder Pneumatik.

Noch heute führen viele unserer elektrischen Maschinen ein Kabel bis zur nächsten Steckdose. Bis vor ein oder zwei Jahrzehnten waren Batterien viel zu groß und zu schwer, um eine praktikable Alternative zu bieten.

Vor der Zeit der Stromversorgung war die hydraulische Stromversorgung eine Sache. Die London Hydraulic Company installierte starke Gusseisenrohre und hatte kohlebefeuerte Pumpstationen, um das Wasser darin auf einen weit höheren Druck als die Wasserversorgung zu bringen. (Die Rohre existierten noch lange, nachdem das System den Betrieb eingestellt hatte, und enthalten jetzt faseroptische Kommunikationskabel). Hydraulische Mechanismen werden immer noch verwendet, zum Beispiel in Erdbewegungsmaschinen, werden aber jetzt lokal von einem Verbrennungsmotor oder über eine elektrische Pumpe angetrieben.

Auch Druckluft kommt noch zum Einsatz, wiederum lokal erzeugt. Pneumatische Mechanismen sind weniger leistungsstark, können jedoch problemlos in Zehntelsekunden und weniger einfach in Millisekunden ein- und ausgeschaltet werden.

Ihre Automaten könnten also Versorgungs- und Abflussschläuche ablassen, die an Hochdruckwasser angeschlossen sind, oder ein Versorgungsrohr, das an Hochdruckluft (*) angeschlossen ist, die entweder von einer großen Dampfmaschine in einer Entfernung von bis zu einigen Kilometern erzeugt wird. Hätten wir nur ein paar Jahrzehnte später Elektrizität entwickelt, hätten die meisten Städte vermutlich ein hydraulisches Energieversorgungsunternehmen bekommen.

(*) Rücklaufrohr optional für Luft, aber es könnte den Geräuschpegel niedrig halten.

PS: Es hat immer meine Vorstellungskraft angeregt, dass, wenn Babbage jemals eine Person getroffen hätte, die sich mit Pneumatik auskennt, es möglich ist, dass er in seinem Leben einen binären pneumatischen Computer hätte bauen können, der irgendwo zwischen 10 Hz und 1 kHz arbeitet. Der Lauf der Geschichte wäre dann ein ganz anderer gewesen!