Kraftstoffe mit überschüssiger Energie synthetisieren

Das erste, was mir in den Sinn kommt, ist$2 H_2O <-> H_2 + O_2$Die Elektrolyse ist ziemlich effizient, ebenso wie die Brennstoffzellen.

Wahrscheinlich wären solche Prozesse noch besser, wenn wir FTL bekommen.

Andere chemische Prozesse können verwendet werden, falls und wenn geeignet effiziente reversible Umwandlungen entwickelt werden (mögliche Kandidaten schließen ein: Ethylen, Kohlenwasserstoffe und Aluminiumoxide). Sie können eine bessere Lagerung, erg/gr oder andere praktische Vorteile bieten.

Von elektrischer oder kinetischer Speicherung rate ich wegen der hohen Gefahr der sofortigen Umwandlung in Rohwärme im Falle einer Fehlfunktion ab; OTOH-Chemikalien können sicher in separaten, abwerfbaren Containern außerhalb des Schiffes gelagert werden.

Wenn dies kein Problem darstellt, ist ein großes Schwungrad mit reibungsfreien Magnetlagern die beste Lösung sowohl für die Umwandlungseffizienz als auch für Leistung/Gewicht.

Betrachten Sie die Power-to-Gas- Technologie. Eine Variante davon, derzeit im Versuchsstadium , nutzt überschüssigen Strom, um Wassermoleküle per Elektrolyse zu spalten, und kombiniert dann das erzeugte H ₂ mit CO ₂ zu Methan. Da Erdgas im Wesentlichen Methan mit Spuren anderer Gase ist, kann das erzeugte Methan wie Erdgas verwendet werden. Laut Wikipedia hat das Verfahren einen Gesamtwirkungsgrad von 30 % - 40 %, je nachdem, wie das Gas letztendlich verwendet wird.

Offensichtlich kann diese Technologie die umfangreiche Transport- und Speicherinfrastruktur für Erdgas nutzen, die bereits heute in vielen Ländern vorhanden ist. Dazu gehört die Verwendung von komprimiertem Erdgas (CNG) als alternativer Kraftstoff für Autos.

Hier ist etwas, was wir jetzt tun könnten. Verwenden Sie Aluminiummetall, um Energie zu speichern, und oxidieren Sie das Metall zurück zum Oxid, um Energie zu erzeugen.

Ich habe das Konzept hier vorgeschlagen: http://www.halfbakery.com/idea/Thermite_20powered_20steam_20car#1379964483

1: Raffinieren Sie Aluminium aus reichlich vorhandenem Erz mit überschüssiger elektrischer Energie (oder billiger Energie aus Wasserkraft). Das ist fertig.

2: Aluminium für Energie oxidieren. Die Thermit-Reaktion ist ein bekanntes Beispiel für die im Aluminiummetall gespeicherte Energie: Bei dieser Reaktion entzieht das Aluminium Eisenoxid Sauerstoff und bildet dabei Aluminiumoxid, wobei viel Wärme freigesetzt wird. Einige Leute denken, dass diese Reaktion, wenn sie wirklich in Gang kommt, auch den Sauerstoff aus dem Wasser entfernen kann.

3: GOTO 1: Veredle Aluminiumoxid zurück zu Metall unter Verwendung von reichlich Elektrizität.

Die Erdkruste enthält viel Aluminium als Oxide und Erz. Raffiniertes Aluminiummetall hat eine enorme Energiedichte (der Grund dafür, das Metall zu recyceln, nicht neu zu raffinieren – es braucht viel Energie, um das Metall herzustellen). Aluminium ist stabil und explodiert nicht, wie leere Getränkedosen und Strandkörbe beweisen. Wenn Sie es heiß genug machen, oxidiert es mit einer enormen Wärmeabgabe - die Thermit-Reaktion. Thermit verwendet Eisenoxid als Sauerstoffquelle, aber Sie können Druckluft oder vielleicht sogar Wasser verwenden, sobald es heiß genug ist.

Dies würde auf der Erdoberfläche, wo reichlich Sauerstoff vorhanden ist, besser funktionieren als im Weltraum, wo man den Sauerstoff mitbringen muss.

Die Antwort

Supraleitende Materialien mit hoher Elektronendichte sollten (oder würden, nachdem wir die Technologie verfeinert haben) die meisten Ihrer Anforderungen erfüllen. Auf Ta-Nb-Hf-Zr-Ti (Tantalium-Niob-Hafnium-Zirkonium-Titan) basierende Legierungen sind solche Materialien und eines davon ist [TaNb] ₁ – _x (ZrHfTi) _x . Ich werde nicht einmal vorgeben, genug über die spezifische Dynamik dieser Materialien zu wissen, um weiter zu kommentieren, außer darauf hinzuweisen, dass sie als Supraleiter (a) Stabilität und (b) eine sehr hohe Valenzelektronendichte haben.

JEDOCH

Ihre Frage fühlt sich an wie eine Technologie-Dichotomie. Sie haben die Technologie, um Masse zu synthetisieren (im Grunde Umkehrung von e=mc ² , wenn ich Ihre Frage verstehe), aber Sie haben nicht die Technologie, um Reaktoren abzuschalten, die Sie nicht verwenden? Wir tun das heute, indem wir je nach Strombedarf Erdgas, Kohle und sogar Kernkraftwerke verfeuern.

Die Erzeugung von Masse zur Energiespeicherung hätte erhebliche Auswirkungen auf die Betriebsfähigkeit des Schiffes, da sich seine Masse und sein Schwerpunkt während der Erzeugungs- und Nutzungsphase dieser Materialien verschieben. Ja, Sie können das Schiff (theoretisch) so konstruieren, dass es dies kompensiert ... aber warum überhaupt die Schwäche haben, wenn Sie nicht verwendete Reaktoren einfach abschalten können?

(Ich verstehe aus Ihrer Frage, dass die Reaktoren "immer in Betrieb" sind, aber das ist die Dichotomie.)

Dies beantwortet Ihre Frage nicht genau, kann aber eine nützliche Idee sein.

IMHO wird jede Art von chemischer Energiespeicherung nicht kompakt genug sein, um einen FTL-Antrieb mit Strom zu versorgen.

Sie könnten Ihre überschüssige Energie jedoch als kühles Plasma in ein paar Magnetflaschen (Tokamak) speichern.

Verwenden Sie die Energie Ihrer Stromquelle, um zwei ausgeglichene Plasmaströme zu erzeugen. Eine stark positiv geladen (Protonen aus ionisiertem Wasserstoffgas), die andere negativ geladen (meistens die Elektronen aus dem ionisierten Wasserstoff). Sie leiten jeden Plasmastrom in eine andere Magnetflasche (oder abwechselnde Flaschen). Mit HF-Generatoren „kühlen“ Sie das Plasma, so dass es eine geringere Seitengeschwindigkeit hat und sich einfach weiter um die Schleife bewegt. Sie könnten auch mehr Energie hinzufügen, indem Sie die Geschwindigkeit des Plasmas um die Schleife herum erhöhen.

Dies ist sehr grob das, was im Large Hadron Collider passiert. Nur der LHC beschleunigt eine kleine Menge Plasma sehr sehr schnell.

Wenn es darum geht, Ihren FTL-Antrieb zu zünden, öffnen Sie ein magnetisches Ventil und lassen die beiden Plasmaströme aufeinander prallen und ihre übermäßige Anziehungskraft füreinander antreiben, treibt Ihren Antrieb an und 'blip' Sie an einem neuen Ort.

Die Begrenzung der Energiemenge, die Sie speichern können, ist:

1. Stärke des magnetischen Containments (gelöstes Problem bei der Entwicklung von Fusionsgeneratoren)
2. Die Stabilität des HF-Kühl-/Beschleunigungssystems
3. Bremsstrahlung (Röntgenstrahlen von beschleunigenden Elektronen (um eine Schleife))

Punkt 1 & 2 sind ziemlich offensichtlich, sagte nuf.

Die Bremsstrahlung führt dazu, dass Ihr Magnetkondensator mit der Zeit Energie verliert. Aus diesem Grund möchten Sie, dass sich viel Plasma langsam bewegt (eher als der LHC, der sich ein wenig schnell bewegt).

Weitere Gedanken :

Anstelle von Wasserstoffgas könnten Sie die Helium-'Asche' aus Ihrem Fusionsgenerator in den Plasma-Containment-Ringen verwenden.

Sie könnten kleine Ströme dieses Plasmas verwenden, um "Impuls"-Raketen zu treffen und anzutreiben, wenn Sie sich im realen Raum bewegen möchten.

Sie könnten Plasmastöße als Kurzstreckenwaffe verwenden (das Plasma löst sich schnell im Weltraum auf / wenn es nicht magnetisch eingeschlossen ist. (Dies könnte eine unkonventionelle / letzte Nottaktik sein; da es die FTL-Ladung, die Sie aufbauen, verbrauchen würde)

Sie könnten mehrere Containment-Einheiten kaskadieren, so dass die Entladung von einer verwendet wird, um das Plasma in der nächsten zu beschleunigen, das dann verwendet wird, um die nächste zu beschleunigen usw Trampolin. Der Verlust durch Bremsstrahlung wäre kein Problem, da Sie nicht versuchen, Hochgeschwindigkeitsplasma zu speichern, sondern schnell für einen FTL-Sprung zu kaskadieren. Das Muster der Bremsstrahlungsausbrüche während einer Kaskade wäre eine charakteristische "Sprungsignatur" jedes (Klasse von?) Schiffs.

Warnung vor coolen Schlagworten :

Eine sorgfältige Konstruktion des Plasmabehälters könnte es Ihnen ermöglichen, das Speichersystem als Synchrotronlaser zu verwenden (ja, das ist eine echte Sache) oder die Bremsstrahlung von einem Speicherring könnte als Teil eines Klystrons verwendet werden (ja, das ist auch eine echte Sache). um den HF-Generator der nächsten Stufe der FTL-Kaskade mit Energie zu versorgen.

eeStor hatte einen Prototypen oder Betrug (je nachdem, mit wem Sie sprechen), der behauptete, 50 kWh in einer Kiste von der Größe eines Bar-Kühlschranks zu speichern. Es wurde unter Verwendung von Bariumtitanat-basierten Kondensatoren durchgeführt. Es wurden Energiedichten angegeben, die besser als die der besten Li-Ionen-Batterien nach Gewicht und vergleichbar nach Volumen sind. Da es auf Kondensatoren basiert, konnte es viel höhere Lade-/Entladeraten bewältigen als eine Batterie und war nicht der kurzen Lebensdauer von Batterien ausgesetzt (Millionen von Zyklen gegenüber Hunderten). Es könnte möglich sein, mit Mikrofabrikation etwas wirklich Interessantes zu tun.

Angesichts von Materialien mit viel stärkerer Zugfestigkeit als heute sieht die Schwungradlagerung attraktiv aus. Potenziell steigt die Energie mit dem Quadrat der Zugfestigkeit des für den Rotor verwendeten Materials.

Velkess versuchte, Mittel für ein Schwungradsystem zu sammeln, das sich durch eine Konstruktion mit geringer Präzision auszeichnete, was die Produktionskosten deutlich senken würde. Derzeit brauchen sie Finanzierung. http://www.velkess.com/flywheel.html

Es gibt viele Verdienste in einer Methanolwirtschaft. Verwenden Sie überschüssige Energie, um Methanol herzustellen; Methanol in bestehenden Verbrennungsmotoren verbrennen. Die erforderlichen Modifikationen sind ziemlich trivial. Methanol wird in Rennwagen verwendet. Die derzeitige Methanolreaktion ist nur zu etwa 60 % effizient, was eine schreckliche Round-Trip-Effizienz ergibt. https://en.wikipedia.org/wiki/Methanol_economy

Die Aufspaltung von Wasser in H2 und O2 und die anschließende Rekombination in einer Brennstoffzelle oder/oder in einer MHD-Turbine ergibt eine bessere Effizienz, aber die Speicherung ist voluminöser und hat nicht den Vorteil, die vorhandene Infrastruktur zu nutzen.

Es gibt verschiedene Batterietechnologien, die zu schwerfällig sind, um sie in Fahrzeugen zu verwenden, die jedoch für die Stromversorgung im Versorgungsmaßstab Aufmerksamkeit erregen. Natrium-Schwefel, Eisen-Nickel sind zwei. Letzteres ist ziemlich alt, hat aber den Vorteil, dass es viel mehr Lade-/Entladezyklen toleriert.

Flüssigelektrolytfluss durch Batterien erregt derzeit Aufmerksamkeit. Die Reaktanten werden als Lösungen gelagert und reagieren in einer Zelle. Die Kapazität der Batterie wird durch die Größe der Tanks bestimmt, die Leistung durch die Größe der Batterieplatten. Aktuell sehr teuer.

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

Wenn wir die 20 Minuten in Zukunft lockern:

Silizium-Lithium verspricht eine 10-fache Erhöhung der Batteriedichte, ist aber wahrscheinlich 10 bis 20 Jahre entfernt. Li-Air und Aluminiumluft haben eine ähnliche Potentialdichte. Al-Air wäre billig, da Al viel häufiger vorkommt als Li. http://www.visualcapitalist.com/future-battery-technology/

Du bist im Weltraum. Viel Platz. Wie wäre es mit sehr großen supraleitenden Spulen? Sie speichern Energie im Wesentlichen als Magnetfeld. Dies kann auch an der Oberfläche funktionieren, aber die Magnetfelder können ein ernsthaftes Ärgernis sein. (Das Überqueren eines Magnetfelds mit einem leitfähigen Objekt induziert Wirbelströme im Leiter, wodurch der Leiter heiß wird.)

Larry Niven spricht in einer seiner Geschichten über Batterien mit „molekularer Verzerrung“. Energie wird gespeichert, indem die Form eines steifen Moleküls verändert wird. Es werden keine weiteren Details angegeben.

Robert Heinlein hat 'Shipstones' Es wird an verschiedenen Stellen erwähnt, kommt aber in "Friday" in den Vordergrund. Es wird keine Technik gegeben.

Hier gibt es viele großartige Antworten zu den Besonderheiten, wie Sie die überschüssige Energie chemisch speichern können. Lassen Sie mich ein paar zusätzliche Gedanken einwerfen ...

Erstens ist die chemische Speicherung von Energie ein Puffer , keine vollständige Lösung. Sie haben nur so viel Aluminium oder H2O oder Methan an Bord. Was passiert, wenn alles aufgebraucht ist und Ihr Reaktor noch auf Hochtouren läuft?

Vielleicht sollten Sie andere Möglichkeiten zur Leistungsbegrenzung in Betracht ziehen.

Ist Ihr Reaktor so ausgelegt, dass Sie den Brennstoff dafür drosseln können? Dies hilft, die Zeit zu verlängern, die zum „Auffüllen“ Ihres Chemikalienwaschbeckens benötigt wird.

Beinhaltet Ihr Design die Möglichkeit von Steuerstäben? (Unter der Annahme eines Kernreaktors hier) Sie absorbieren einige der unberechenbaren Neutronen und dämpfen die Reaktion. Ihr normaler Betrieb könnte Steuerstäbe haben, die halb in die Reaktionskammer extrudiert sind, was eine moderate Reaktion und einen moderaten Energiefluss ermöglicht. Bei Spitzenbedingungen können Sie die Stangen zurückziehen, um den maximalen Durchfluss zu erzielen. Lassen Sie die Stäbe im Notfall ganz hineinfallen und unterdrücken Sie die Reaktion insgesamt. Sie brauchen einen solchen Mechanismus sowieso zur Vermeidung von Katastrophen. Warum verwenden Sie es nicht auch, um Ihr anderes Problem zu lindern?

Worst-Case-Szenario ...

Ihr gesamtes überschüssiges H2O wird aufgeteilt. Steuerstäbe funktionieren in Ihrem Reaktor nicht. Sie können den Reaktor nicht mit Brennstoff aushungern. Was kannst du tun?

Nun, vielleicht kannst du ... mit dieser Energie arbeiten . Haben Sie Banken von schweren Mühlsteinen; Drehen Sie sie, um die überschüssige Energie zu nutzen. Sie werden von selbst langsamer, sodass Sie sie erneut drehen können. Grundidee hier: Sie müssen Ihre Langlebigkeitsanforderung als ultimatives Backup vermeiden und Energie auf eine Weise speichern, die sich nicht einfach anhäuft.

Wenn Sie schließlich immer noch zu viel Strom erzeugen, verwenden Sie ihn, um so viele Kühlschranklaser anzutreiben, wie Sie brauchen, um all diese Energie loszuwerden. Ich habe eine Diskussion gesehen, in der sie zu glauben schienen, dass es funktionieren würde ( https://www.physicsforums.com/threads/is-a-refrigeration-laser-thermodynamically-possible.313229/ ). Äh. Tun Sie dies nicht, wenn Sie an einer Raumstation angedockt sind.

Laut dieser Seite sieht der Druckluftspeicher (CAES) am sichersten, langlebigsten und nützlichsten aus (Notluftversorgung, Schub):

Nicht gefragt, aber Sie könnten eine Ladebucht oder eine Doppelhülle verwenden, um die Luft zu recyceln, beides würde eine Lecksuche vor der Rekompression ermöglichen.

Niemand scheint die Antimaterie-Synthese bisher erwähnt zu haben. Antimaterie gewinnt zweifellos für die höchste Energiedichte und ist auch stabil, obwohl sie zugegebenermaßen schwierig zu speichern ist und zu spontaner Detonation neigt, falls ihr Speichersystem ausfällt. . . .

Wie auch immer, es ist heute möglich, kleine Mengen Antimaterie zu produzieren (mit derzeit ziemlich schlechter Effizienz), also ist es eine Option, wenn Sie wirklich nichts Besseres mit der Energie Ihrer immer laufenden Reaktoren zu tun haben. Und als Bonus wäre es eine extrem leistungsstarke Energiequelle für einen FTL-Antrieb.

Wenn Sie sich wirklich für Kernsynthese interessieren, sollten Sie sich überlegen, was Brutreaktoren tun.

Der größte Teil der historischen Anstrengungen zur Züchtung bestand darin, U-239 durch Neutroneneinfang in Pu-239 umzuwandeln (nach einigen Zwischenzerfällen). Insbesondere U-238 + n -> U-239 -> Np-239 -> Pu-239. Pu-239 ist spaltbar, während U-238 fruchtbar ist – Sie haben jetzt nützlichen Brennstoff für Reaktoren (oder Bomben).

Th-232 ist ebenfalls fruchtbar, wird aber nach dem Einfangen eines Neutrons schließlich zu spaltbarem U-233, einem weiteren nützlichen Reaktorbrennstoff.

Neutroneneinfang kann direkt durch Einwirkung eines aktiven Kernreaktors erfolgen, und es ist ziemlich schwierig, Neutronen zu beschleunigen, da es sich um neutrale Teilchen handelt. Sie können also kritisieren, dass dies nicht das Ergebnis der Nutzung der überschüssigen Energieproduktion eines Kernreaktors ist.

Freie Protonen lassen sich leicht beschleunigen, sind aber für das Wachsen größerer Kerne schwierig zu verwenden, da sie vom Kern stark abgestoßen werden.

Wenn Sie eine praktische Kernsynthese in Betracht ziehen möchten, sind diese beiden Reaktionen wirklich die einzigen praktischen Optionen, die Sie haben. Jede Reaktion könnte in einem ziemlich großen Maßstab zum Laufen gebracht werden, obwohl Th-232 erheblich einfacher ist, weil es einen relativ großen Neutronenquerschnitt im thermischen Bereich hat.

Sie müssen oder wollen jedoch keine großen Lagerbestände der umgewandelten Elemente anlegen, da Sie die spaltbaren Materialien nach Bedarf synthetisieren können (mit genügend Extra in der Pipeline, um den erzeugten Brennstoff zu verarbeiten). Ein Flüssigbrennstoffreaktor ist wünschenswert, da Sie das gewünschte Produkt kontinuierlich extrahieren können, anstatt zusätzliche Neutronen absorbieren zu lassen (Sie wollen kein Pu-240 oder U-234).

Viele Länder haben mit Brutreaktoren (hauptsächlich zur Erzeugung von Pu-239) experimentiert und sie schließlich aufgegeben. Der Thoriumkreislauf ist aus physikalischer und technischer Sicht eigentlich praktischer, war aber historisch gesehen nicht beliebt für die Zucht, obwohl in den letzten Jahren ein erneutes Interesse am Thorium-Brennstoffkreislauf besteht.

Chemische Reaktionen scheitern in der Kompaktheitsabteilung. Die Energieabgabe des Kernreaktors liegt um Größenordnungen über jeder chemischen Reaktion.

Sie könnten meine Antwort auf Was ist der stärkste nichtnukleare Sprengstoff, den ich mit Nanotechnologie herstellen kann, berücksichtigen? und Meine Frage zur Entwicklung dieser Technologie der nahen Zukunft . Beide Beiträge haben denselben xkcd-Cartoon, der meine Aussage im ersten Absatz veranschaulicht.

^{178 m2} Hf speichern beispielsweise 2,446 MeV pro Atom, verglichen mit über 200 bei der Uranspaltung. Wenn wir dem obigen Diagramm einen Balken für 1 330 000 MJ/kg hinzufügen (der Balken wird 260 m hoch sein), sehen wir, dass er selbst bei 1 % des nuklearen Niveaus etwa 10 000-mal energiereicher ist als jede chemische Energie .

Die „beste“ Speicherung, die einer Verlangsamung des Reaktors abzüglich Effizienzverlusten entspricht, besteht darin, die Energie aufzuwenden, um die für die Stromversorgung verwendete Reaktion umzukehren. ZB spaltet He wieder in Wasserstoff auf. Wenn Sie den He-Abfall gespeichert haben, kehren Sie das um, um zu Ihrem Brennstofflager zurückzukehren.

Die normale Lösung dieser Frage wird eher aus wirtschaftlicher als aus technischer Sicht behandelt.

Die Gründe dafür sind ziemlich einfach zu sehen. Betrachten Sie ein paar Fakten, dann ergibt sich ein wirtschaftliches Bild:

1. Skaleneffekte machen ein einzelnes großes Kraftwerk pro erzeugter Energieeinheit in der Regel billiger als eine große Anzahl kleiner Kraftwerke.
2. Die Kosten pro Stromeinheit steigen tendenziell, wenn die Anlage nicht mit einem erheblichen Prozentsatz ihrer Kapazität betrieben wird.
   Unabhängig davon, ob Sie zu 50 % oder zu 80 % ausgelastet sind, fallen für Sie immer noch die gleichen Schuldendienst- und Wartungsarbeiten an. 80 % bedeuten also mehr Einnahmen für die gleichen Kosten.
3. Die Gesetze der Thermodynamik gelten nach wie vor für jede verwendete Speichertechnologie – Sie haben also Effizienzverluste beim Speichern und Effizienzverluste bei der Rückgewinnung gespeicherter Energie.

Das Gesamtbild besteht also darin, Kraftwerke zu bauen, die so skaliert sind, dass sie mit einer Kapazität von 70-80 % in einer Menge betrieben werden, die für den laufenden Spitzenbedarf sorgt, indem sie nahe an der Kapazität laufen. Oder indem Sie vier Kraftwerke nahe der Spitzenlast betreiben und regelmäßig ein Kraftwerk mit Spitzenbedarf in Betrieb nehmen, das ebenfalls nahe an der Kapazitätsgrenze läuft.

Zugegeben, ein Raumschiff ist ein Anwendungsfall, der sich völlig von den Anforderungen der Erzeugung und Verteilung von Energie in großem Maßstab an eine Bevölkerung unterscheidet. Dort müssen die technischen Probleme dafür sorgen, dass eine Worst-Case-Nachfrage kontinuierlich verfügbar ist, sodass die besten Wirkungsgrade von Dollar pro Watt/Stunde aus dem Fenster fliegen. Auch die Weisheit, eine Menge Kosten und zusätzliche Masse hinzuzufügen (was einen größeren Schub erfordert, um das Schiff zu bewegen), fliegt aus dem Fenster. Die direkten und indirekten Kosten eines Speichermechanismus für eine Energiequelle mit niedriger Exirgie überwiegen den Nutzen.

Geld und Physik können eine ganze Menge darüber aussagen, was jemals versucht oder nicht versucht wird, selbst wenn es möglich ist.

Die Steverino-Paraphrase der drei Gesetze lautet also:

1. Es gibt ein Spiel.
2. Du kannst nicht gewinnen.
3. Du kannst nicht brechen.