Methan-Verbrennungsmotoren für Rover auf Mars und Mond. Durchführbarkeit?

Es scheint möglich, Methan und Sauerstoff aus atmosphärischem CO 2 und eisigem Boden auf dem Mars sowie aus eisigem Regolith in den Polarkratern des Mondes herzustellen . Es wurde vorgeschlagen, dass CH 4 +O 2 nicht nur als Raketentreibstoff, sondern auch für Verbrennungsmotoren (ICE) in Rovern und anderen Industriemaschinen auf Mond und Mars verwendet werden könnte. Der Vorteil gegenüber solar- oder RTG-betriebenen Elektromotoren wäre, dass ein ICE im Verhältnis zu der für ein System erforderlichen Masse eine große Wirkung erzielen kann. Elektrische Rover sind ohne vorgeladene Batterien bzw. Kernreaktoren langsam und mit ihnen an Bord schwer.

Aber würde ein ICE im Vakuum des Mondes nicht überhitzen? Würde die dünne Marsatmosphäre ausreichen, um einen leistungsstarken ICE in der Größe eines Autos zu kühlen? Oder wäre ein Methan-Sauerstoff-Verbrennungsmotor ganz anders aufgebaut als ein herkömmlicher Benzin-Verbrennungsmotor, vielleicht mit einem Heißgasauspuff wie bei einer Rakete?

Nicht wärmebezogene Kommentare zur Machbarkeit von lokal bereitgestellten „Methan-Rovern“ auf Mond und Mars wären ebenfalls willkommen.

Sie verwechseln Energieerzeugung mit Energiespeicherung. Solar, RTG und Kernkraft sind Mittel zur Energieerzeugung für ein Raumfahrzeug. Batterien und CH4/O2 sind Mittel zur kurzfristigen Energiespeicherung. Der Vergleich wäre also zwischen der Verwendung von Batterien und CH4/O2, einschließlich aller zugehörigen Ausrüstungen (Tanks, Druckbeaufschlagung oder kryogene Wartung usw.) und Ineffizienzen (Umwandlung von Energie von Solar-/Kernenergie in CH4/O2, Umwandlung in mechanische mit einer EIS).
Sie verwechseln auch die Mittel zur Umwandlung von Energie in mechanische Bewegung mit Geschwindigkeit. Elektrofahrzeuge können genauso schnell oder schneller sein und Energie effizienter umwandeln. (Machen Sie mit einem Tesla eine Probefahrt und treten Sie aufs Gaspedal, um zu sehen, was ich meine. Ich habe, und es ist eine ziemliche Erfahrung.) Tatsächlich wäre es wahrscheinlich effizienter, Brennstoffzellen zu verwenden, um das CH4 und O2 zu verbrennen, um Strom zu erzeugen und damit Elektromotoren antreiben, als einen ICE zu verwenden. Der Hauptgrund, warum Sie nicht viele Autos mit Brennstoffzellen sehen, ist, dass sie teuer sind. (Aber ich habe einen gesehen.)
anders, aber verwandt mit Verbrennungsmotoren und/oder der Nutzung von Methan zur Energiegewinnung auf andere Weise: Wie könnte ein Verbrennungsmotor einen erheblichen externen Schub erzeugen? und Gibt es Brennstoffzellen für Methan + Sauerstoff? Könnte es sein? im Zusammenhang mit der Kaltlagerung von Kryokraftstoffen: Wie plant SpaceX, mit dem Abkochen auf der Reise zum Mars umzugehen? ...

Antworten (5)

Die konvektive Wärmeübertragung innerhalb schwacher Atmosphären würde nicht funktionieren, die Mondexosphäre befindet sich in der Nähe des Vakuums und wäre auf dem Mars mit einem Durchschnitt von ~ 0,6% des mittleren atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe der Erde ziemlich begrenzt, also müssten ICE-Blöcke neu gestaltet werden um entweder Brennstoff und Oxidationsmittel auch als flüssige Kühlmittel mit geschlossenem Kreislauf zu ermöglichen (und sie dabei auch vorzuwärmen, um die Verbrennung zu verbessern) oder separate Kühlmittel zu verwenden ( z feste Form CO 2 ). Unabhängig davon, welche Option verwendet würde, würden diese Kühlmittel überschüssige Wärme in wahrscheinlich große und schwere Kühler transportieren und Wärme hauptsächlich durch Wärmestrahlung verlierenallein. Da Sie jedoch zusätzlich zum Kraftstoff Oxidationsmittel in den ICE pumpen müssen, müssten sie sowieso neu gestaltet werden.

Das Design kann sich also erheblich von dem unterscheiden, was wir hier auf der Erde gewohnt sind, möglicherweise abhängig davon, wie Sie Ihr Oxidationsmittel (kryogenes LOX ?) Lagern, wie viel Wärme Sie produzieren und wo Sie es sonst im System verwenden möchten es. Mars hat offensichtlich einen Vorteil beim Kühlen von ICE-Blöcken mit immer noch einem nicht zu vernachlässigenden atmosphärischen Druck und einer Durchschnittstemperatur von ~ -55 ° C, aber das kann auch bedeuten, dass Sie das System zuerst aufheizen müssen, bevor Sie es überhaupt starten. Überschüssige Wärme könnte auch umgeleitet werden, um den Kabinenraum aufzuheizen, oder anderweitig nutzbar gemacht werden. Aber die Designs wären für jeden Himmelskörper völlig unterschiedlich, selbst nur für die lokale Umgebung auf jedem von ihnen. Zum Beispiel würdest du auf Titan wirklich nur das Oxidationsmittel benötigen, da es '

Unsere ICE-Designs würden sich anpassen und weiterentwickeln, wie sie es hier auf der Erde für alle Arten von Umgebungen getan haben, von trockenen und heißen Wüsten bis hin zu arktischen Bedingungen. Wie? Nun, ich erwarte viele neue Innovationen, und einige davon werden in großen Buchstaben in die Geschichte jeder der neuen Welten geschrieben, die wir kolonisieren würden. Und diese Innovationsprozesse haben bereits begonnen, zum Beispiel hat Wickman Spacecraft & Propulsion Co. (WSPC) mit ihrem Mars Jet Engine eine Möglichkeit entwickelt, atmosphärisches CO 2 des Mars direkt zu verbrennen . Kein ICE, aber es könnte andere geben, die das Ziel haben, ein für den Mars geeignetes Airbreather- ICE zu entwickeln. Der Wettlauf um das beste Design hat gerade erst begonnen. Würden sie CH 4 + O 2 , Trisilan Si verwenden3 H 8 + CO 2 , etwas ganz anderes? Wer weiß ...

Wäre die Kühlung für leistungsstarke Elektromotoren viel weniger ein Problem? Würde ein Tesla-Auto auf dem Mond überhitzen?
@LocalFluff Oh ja, auf jeden Fall. Es ist einfach nicht darauf ausgelegt, all diese überschüssige Wärme allein durch Strahlung abzugeben, und verfügt nicht über ausreichend Radiatorflächen. Aber vielleicht noch wichtiger ist, dass sich die Physik des Ganzen ändert (Schwerkraft, Widerstand, tägliche Temperaturzyklen, Gelände, ...) und die Motoren, die wir hier verwenden, für eine völlig andere Umgebung ausgelegt sind. Es wäre, als würde man einen Motor nehmen, der für den Betrieb im Wasser ausgelegt ist, und ihn in der Luft betreiben. Nun, noch unterschiedlicher.
Die Kühlung ist für leistungsstarke Elektromotoren weit weniger ein Problem – grob gesagt, pro Watt Nutzleistung erzeugt ein effizienter Verbrennungsmotor 4 Watt verschwendete Energie, während ein effizienter Elektromotor nur 0,1-0,2 Watt Abwärme erzeugen würde.

Wen interessiert es, schnell zu sein? Das Hauptanliegen ist einfach zu gehen . Schnell gehen? Diese Marsrover zum Beispiel sind alles andere als schnell.

Der Hauptvorteil eines mit Methan betriebenen Rovers gegenüber einem mit Solarenergie betriebenen Rover besteht darin, dass der mit Methan betriebene Rover nachts fahren kann. Dieser Vorteil verschwindet praktisch für einen solarbetriebenen Rover, der in den fast ständig beleuchteten Polarregionen des Mondes operiert. Das Verbrennen von Methan und Sauerstoff könnte eine praktische Unterstützung für Solarenergie sein, falls der Rover versehentlich in einen der fast ständig im Schatten liegenden Bereiche am selben Ort fährt.

Der Hauptnachteil eines mit Methan betriebenen Rovers besteht darin, dass dieser „Ihr Saatkorn frisst“. Das Methan und der Sauerstoff, mit denen dieser Rover betrieben wird, wären äußerst wertvoll, wenn sie nur nicht zum Bewegen der Rover verwendet würden. Anfangs (und wahrscheinlich noch lange) wird es sinnvoller sein, diese wertvollen Ressourcen anderen Zwecken zuzuführen, als daraus ein schnelles Go-Kart zu bauen.

Wenn Sie Geologen auf dem Mond oder Mars landen, möchten Sie, dass sie ihre Erkundungszeit effizient nutzen. Ihre Arbeitsstunden sind zu teuer, um sie in einem elektrischen Golfwagen zu verschwenden, der sich langsamer als Schrittgeschwindigkeit bewegt. Und die Robotik benötigt möglicherweise Verbrennungskraft, um schweres Heben oder Bohren durchzuführen. Bis wir dort lokgroße Elektromotoren landen können.
@LocalFluff Eine andere Sache beim schnellen Fahren ist auch, dass es möglicherweise nicht zu sicher ist, dies zu tun. Wir sprechen hier wahrscheinlich von unberührten Landschaften, zB mit Trockeneistaschen, die in geysirähnlichen Fächern während Marsquellen platzen, unbesiedeltem Land, das einstürzt, Offroad-Gelände mit scharfen, nicht verwitterten Felsen, gut versteckt in Regolith-Lavaröhren und Höhlen Schornsteine, und so weiter und so fort. Wenn es schnell gehen soll, dann ist der Luftweg wahrscheinlich der beste Weg, dies zu tun. Maschinen der Schwerindustrie können auch langsam laufen und liefern lieber mit größerer Sicherheit.
@LocalFluff - Du erschaffst ein falsches Dilemma. Elektrofahrzeuge können heutzutage ziemlich verdammt schnell fahren. Ein Rover, der zwangsläufig Menschen transportiert, fährt nicht annähernd so schnell wie ein Prius. Sicherheitsbedenken haben Vorrang vor Produktivitätsbedenken. Bezüglich der Landung eines lokomotivgroßen Motors: Das ist ein Problem, das zukünftige Generationen lösen müssen. Das können wir nicht, und das werden wir noch Jahrzehnte lang nicht können. Der Versuch, die Zukunft zu erraten, ist eine Aufgabe für Science-Fiction-Autoren und Zukunftsforscher (auch bekannt als Science-Fiction-Autoren).

SpaceX hat einen CH 4 /O 2 ICE entwickelt: The Raptor. Wir denken normalerweise nicht an flüssigkeitsbetriebene Raketen als ICEs, aber sie sind: Kompression, Zündung, Expansion und all das. Aufgrund der extrem hohen Verbrennungstemperaturen bei stöchiometrischer Mischung und Verdichtung ist es sehr schwierig, einen ICE mit Sauerstoff (im Gegensatz zu Luft) zu betreiben. Raptors Lösung für die Kompressorturbinen ist aufschlussreich: Sie werden entweder sehr fett oder sehr mager betrieben, um die Verbrennungstemperatur zu senken. Die Abgase der beiden Turbinen werden dann gemischt, um den unverbrannten Brennstoff (von einer Turbine) und Sauerstoff (von der anderen) zu verbrennen.

Luftatmende kohlenwasserstoffverbrennende Verbrennungsmotoren (wie Automotoren) müssen sich nicht mit dieser Komplexität auseinandersetzen, da Luft zu 80 % aus N 2 besteht . Dies senkt die Verbrennungstemperaturen.

Ein CH 4 /O 2 -ICE auf dem Mars muss sich mit dem Problem der Verbrennungstemperatur auseinandersetzen. Es könnte mit der gleichen Strategie wie beim Raptor behandelt werden: gestufte Verbrennung. Ein Dreizylindermotor könnte 3 verschiedene Mischungen haben. Einer wäre CH 3 -reich, der zweite O 2 -reich. Abgas von jedem würde in den dritten Zylinder zur Vollendung der Verbrennung geleitet.

Die Zylindersteuerung und der Hubraum könnten zur thermodynamischen Optimierung gewählt werden.

Natürlich gibt es immer noch all diese Hitze zu entsorgen. Es ist keine atmosphärische Konvektion vorhanden. Heatpipe-Konvektion mit gerippten Aluminium-Heatpipes wäre wahrscheinlich eine leichte, billige und zuverlässige Option.

Wir müssen nur Strom erzeugen. Auch hier auf der Erde ist es manchmal praktischer, den Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung zu nutzen und die Räder mit Elektromotoren anzutreiben, als die Räder direkt mit dem Motor anzutreiben. Wie von @Fred angemerkt, werden beispielsweise sehr große Muldenkipper auf diese Weise konstruiert, da die mechanische Festigkeit von Komponenten wie der Antriebswelle eingeschränkt ist. Benzin-Elektro-Hybridfahrzeuge, die sich weltweit auf den Straßen durchgesetzt haben, verwenden einen ähnlichen Ansatz, um eine höhere Effizienz zu erzielen, obwohl das mechanische Drehmoment sowohl direkt vom Verbrennungsmotor als auch vom Elektromotor bereitgestellt wird.

Ein ICE-Elektro-Hybrid, der flüssiges H 2 und flüssiges O 2 verwendet , wurde vorgeschlagen (Methan/O 2 wird ebenfalls in Betracht gezogen) , um einen Mondrover ohne Sonnenenergie zu betreiben. Diese Zusammenfassung erwähnt Tests eines 2-Takt-Motordesigns, das unter Mondoberflächenbedingungen verwendet werden könnte.

Ein solches System ist flexibler als Direktantriebssysteme, da die elektrische Leistung aus mehreren Quellen stammen kann, darunter Solar, ein RTG oder der Motor. Wenn die Solarenergie ausfällt, verwenden Sie den Verbrennungsmotor als Backup. Darüber hinaus ermöglicht der Elektroantrieb eine größere Flexibilität bei der Auslegung des Motors. Die Leistungs-, Drehmoment- und Wärmeabfuhranforderungen des Verbrennungsmotors können bei einer Hybridbauweise einfacher eingestellt werden als bei einem Direktantrieb.

Bis zu einem gewissen Grad macht das Sinn; Ähnliches passiert mit sehr schweren Surface-Mining-Trucks. Alle Schwerlast-Muldenkipper haben einen Dieselmotor; Die größten verwenden einen Lokomotivmotor. Bis zu einer bestimmten Lkw-Größe, basierend auf der Tonnage, besteht das Antriebssystem aus einem herkömmlichen Motor, einem Getriebe und einer Antriebswelle. Über dieser Größe sind die mechanischen Eigenschaften von Metallen nicht stark genug, um diese Anordnung zu ermöglichen. Stattdessen versorgt der Lokomotivmotor bei den größten Lastwagen einen elektrischen Generator, der dann Elektromotoren in den Naben der Hinterachsen antreibt. ...
... Wenn es Gewichtsbeschränkungen zuließen, könnte ein Verbrennungsmotor oder eine kleine Gasturbine auf einem Rover verwendet werden, um einen kleinen elektrischen Generator anzutreiben, der dann Elektromotoren auf dem Rover antreiben könnte. Wie die Antwort vermuten lässt, könnte es als Backup-System oder als Nachtfahrsystem verwendet werden.

machbar, aber mit welchem ​​Sauerstoff? Die Marsatmosphäre ist nicht sehr dick oder sauerstoffreich. Ein luftatmender Motor funktioniert einfach nicht. Auf der anderen Seite, wenn es ein eigenes Oxidationsmittel wie flüssigen Sauerstoff usw.

Methan-Verbrennungsmotoren für Rover auf Mars und Mond. Durchführbarkeit?
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