Mögliche Hochtemperatur-Energiequellen für einen Venus-Lander

Welche Energiequellen sind für einen „langfristigen“ Venus-Lander geeignet?

Ein RTG ist auf eine Temperaturdifferenz angewiesen und mit einer „kalten Seite“ von 457 ° C wahrscheinlich nicht machbar.

Basierend auf dieser Antwort gibt es nicht genug Licht, damit ein Solarpanel funktioniert.

Soweit ich weiß, bleiben Batterien übrig, aber NiMH wird bei etwa 65 ° C ausfallen .

Und Wasserstoff-Brennstoffzellen gibt es in vielen Varianten, aber mindestens eine scheint in der Lage zu sein, im Bereich von 500 bis 1000 °C zu arbeiten.

Da die Arbeiten an Hochtemperatur- Chips voranschreiten , scheint ein Hochtemperatur-Rover zumindest möglich.

Wenn der Venus-Lander die Temperatur und den Druck an der Oberfläche nicht sehr lange überstehen würde, ist keine für einen längeren Betrieb geeignete Energiequelle erforderlich.
Ich habe klargestellt, dass ich an den langfristigen Hochtemperaturoptionen interessiert bin. Entschuldigung, dass ich das nicht von vornherein aufgenommen habe.
@Uwe Ich nehme an, der Punkt ist, dass Sie einen Lander haben würden, der bei Umgebungstemperatur arbeitet. Dies würde eine spezielle Technologie erfordern, einschließlich einer speziellen Stromquelle, aber es gibt keinen Grund, dies für unmöglich zu halten - es wäre wahrscheinlich nur eine enorme Investition, da die meisten von uns gebauten Technologien darauf ausgelegt sind, bei Raumtemperaturen und nahe am normalen Atmosphärendruck zu arbeiten. Sie können beispielsweise kein Bleilot verwenden, Sie möchten wahrscheinlich Hohlräume vermeiden, die vom Umgebungsdruck getrennt sind, und viele andere Einschränkungen. Die Bedingungen sind hart, aber nicht so hart.
Ich frage mich, ob es nicht möglich wäre, die chemische Umgebung vor Ort auszunutzen. Schwefelsäure könnte sicherlich ein großartiger Elektrolyt sein.
Wofür steht RTG ?
@PavelPetrman Ich habe das Akronym zu einem Link in der Frage gemacht.
Wenn Sie eine Wärmepumpe betreiben können, können Sie einen Elektronikhohlraum kühlen.

Antworten (3)

Danke an @MarkAddler für seine Suchvorschläge

Ich habe versucht, Länge gegen Vollständigkeit abzuwägen, und beide haben hier verloren. Ich habe jedoch genügend Material beigefügt, um zu versuchen zu überzeugen, dass RTGs, Einweg-Speicherbatterien und wiederaufladbare Batterien für Veranstaltungen mit höherer Leistung untersucht wurden und Lösungen existieren, um zumindest die elektrische Energie für einen Langzeit-Lander oder Rover bereitzustellen Venus.

Die Angst vor Batterien rührt von der Idee her, Verbraucherbatterien bei 460 °C in einen Venus-Lander zu stecken. Natürlich ist das die falsche Art von Batterie, an die man denken sollte, und es gibt bereits mehrere Arten, die bei diesen Temperaturen funktionieren, einige werden sogar in geringem Umfang auf der Erde verwendet.

RTGs funktionieren gut auf der Venus. Tatsächlich beträgt die hohe Dichte der Atmosphäre ~67 kg/m^3 oder 6,7 % flüssiges Wasser; kühlt das sinkende Ende des RTG viel viel effektiver als die RTGs im Weltraum oder auf dem Mond oder Mars. Mit einem Source (Hot) End bei 1200 ° C wäre der thermodynamische Wirkungsgrad besser als die Hälfte eines RTG im Weltraum.

PAPIER I. RTG AUF VENUS doi:10.1016/j.actaastro.2006.12.031 Paywall

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Für den Analysefall haben wir thermoelektrische Wandler angenommen, die denen ähnlich sind, die bei Cassini [Ref] verwendet werden. Während die hohe Temperatur der Abwärmeabgabe an die Venusatmosphäre den theoretischen Carnot-Wirkungsgrad jedes Wärmewandlers verringert, bedeutet die Dichte der Atmosphäre, dass die Wärmeübertragung sehr effizient ist und daher die erforderliche Fläche der Konvektionsstrahler klein ist.

Die angenommene Temperatur der heißen Seite (Th) beträgt 1350 K, und die Temperatur der kalten Seite (Tc), die an den Kühler abgegeben wird, beträgt 870 K. Der berechnete thermische Nettowirkungsgrad betrug 0,05 (5 %). Eine GPHS-Wärmezufuhr Qh von 594 W war erforderlich, um 30 W elektrische Ausgangsleistung zu erzeugen. Die gesamte abgegebene Wärme beträgt 564 W (Tabelle 2).

Für 100 W elektrische Leistung werden drei solcher Einheiten benötigt ...

Tabelle 1: Kompromisse im Stromversorgungssystem

Energiequelle für Radioisotope

  • Im Weltraum demonstriert
  • Dynamische [14] oder thermoelektrische [refs] Umwandlungsansätze sind möglich
  • 460◦C ist eine höhere Wärmeabgabetemperatur als herkömmliche dynamische Umwandlungsansätze Radioisotope wurden als Basistechnologie für den Venus-Rover gewählt

Mikrowellenstrahlleistung

  • Station in der Atmosphäre erzeugt Solarstrom; Energie wird durch Mikrowellen an die Oberfläche übertragen [Ref] In der Venusumgebung nicht nachgewiesen
  • Viele technische Fragen müssen beantwortet werden
  • Als Backup-Ansatz gewählt – nicht im Detail analysiert

Solarenergie

  • Solarenergie ist aufgrund der geringen Lichtverhältnisse an der Oberfläche schwierig [Ref]
  • Eine hohe Temperatur an der Oberfläche macht die photovoltaische Umwandlung ineffizient
  • Der Ansatz würde die Entwicklung neuer Technologien erfordern [ref]

Chemische Lagerung (Batterie oder Brennstoffzelle).

  • Erfordert Hochtemperaturtechnologie
  • Praktischer Ansatz für kurze Missionen oder niedrige Kräfte

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

PAPIER II. BATTERIEN AUF VENUS DOI: 10.2514/1.41886 Paywall .

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Thermische Batterien (Einmalgebrauch):

Basierend auf Schmelzsalz-Eutektika bei niedriger Temperatur sind dies Batterien für den einmaligen Gebrauch, die nicht aktiv werden (oder sich selbst entladen), bis sie die Betriebstemperatur erreichen und der Elektrolyt schmilzt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Natrium-Schwefel-Batterie (wiederaufladbar):

Eine alternative Hochtemperatur-Batterietechnologie ist die Natrium-Schwefel-Batterie [refs]. Natrium-Schwefel-Batterien wurden zunächst als hochspezifische Energie-Akkusysteme mit geringer Selbstentladung für Elektrofahrzeuge entwickelt. Sie werden derzeit in Anwendungen von Stromversorgungsunternehmen [ref] demonstriert, um als Energiespeichersystem zu dienen, um Energie für die Verwendung während Spitzenbedarfszeiten zu speichern. Solche Batterien haben Hunderte von Lade-/Entladezyklen mit einer geringen Kapazitätsabnahme demonstriert.

[...]

Aktuelle Natrium-Schwefel-Batterien verwenden einen Beta-Aluminiumoxid-Festoxidelektrolyten. Dieser Elektrolyt dient auch als Separator zwischen der flüssigen Natriumanode und der flüssigen Schwefelkathode. Bei Betriebstemperaturen über etwa 300°C sind Natriumionen in dem Festelektrolytmaterial mobil. Aufgrund der relativen Dichtheit des Festelektrolyten ist die Selbstentladungsrate der NaS-Batterie extrem gering. Ein Schema der Batterie ist in Abb. 2 dargestellt.

Aufgrund der hohen spezifischen Energie besteht trotz der hohen Temperaturen ein gewisses Interesse an der Verwendung von Natrium-Schwefel-Batterien für den Weltraumbetrieb [refs]. Eine potenzielle Schwierigkeit der NaS-Batterietechnologie ist die Zerbrechlichkeit des Beta-Aluminiumoxid-Elektrolyten. Ein Demonstrationstest der Natrium-Schwefel-Batterie im Weltraum wurde im November 1997 auf dem Space-Shuttle-Flug STS-87 durchgeführt. Dies ist in Abb. 3 dargestellt. Das Experiment dauerte 10 Tage und zeigte, dass die NaS-Batterie erfolgreich für den Weltraumbetrieb qualifiziert werden konnte und unter Weltraumbedingungen betrieben werden. (Betonung hinzugefügt)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Natrium-Metallchlorid-Batterie:

Sowohl die Na=NiCl2- als auch die Na=FeCl2-Chemie wurde demonstriert, obwohl die NiCl2-Chemie wegen des breiteren Betriebstemperaturbereichs von 200–400 °C bevorzugt wird [ref]. Das Schema der Na=NiCl2-Batterie ist praktisch identisch mit dem der in Abb. 3 gezeigten NaS-Batterie, außer dass die Na-Anode typischerweise außen liegt, während die NiCl2-Kathode in der Mitte liegt. Die Zellenspannung Vo ist etwas höher als die der NaS-Batterie. Spezifische Leistung wurde bis zu 143 Wh = kg nachgewiesen.

Der technologische Entwicklungsstand dieser Batterie für terrestrische Anwendungen ist hoch, mit einer Erfahrungsbasis von Tausenden gebauten Batterien und vielen Demonstrationsprojekten mit über 15 Jahren Erfahrung. Allerdings arbeiten terrestrische Batterien typischerweise am unteren Ende des Temperaturbereichs, typischerweise 270°C, obwohl Pistoia [ref] berichtete, dass ein Betrieb der Na=NiCl2-Batterie bei 450°C möglich ist. Jüngste Arbeiten des US-Energieministeriums [ref] haben einzellige Na-FeCl2-Batterien bei Temperaturen von 500 und 600 °C getestet, ohne Ausfälle nach 7 h Betrieb bei 500 °C, und Na-ZnCl2 für bis zu 50 h Betrieb bei 425C. Für den Betrieb im höheren Temperaturbereich wurde jedoch vergleichsweise wenig Entwicklungsaufwand betrieben, da der Hochtemperaturbetrieb für terrestrische Anwendungen nicht von Interesse ist.

Neue Batterietechnologie: Lithium/Lithiumkarbonat-Batterie

Für den Betrieb bei Venus-Umgebungstemperatur wird eine Salzschmelze als Elektrolyt verwendet. Die offensichtliche Wahl sind entweder Halogenidsalze oder Carbonatsalze.

Der optimale Elektrolyt wäre ein geschmolzenes Karbonat. Dies macht die Batteriestruktur sehr ähnlich zu der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, und ein Großteil der Technologieentwicklung für Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen wird direkt anwendbar sein. Dies ist eine Vorrichtungsstruktur, die eine beträchtliche technologische Entwicklung für terrestrische Anwendungen erfahren hat.

Obwohl reines Lithiumcarbonat mit einem Schmelzpunkt von 723 ° C bei Venustemperatur nicht flüssig ist, ist es ein eutektisches gemischtes Carbonat. Das ternäre Eutektikum Li0:44Na0:30K0:262CO3 hat einen Schmelzpunkt von 393 °C [refs], niedrig genug, um bei Venusoberflächentemperaturen an allen Orten auf dem Planeten flüssig zu sein.

Die Daten der Hochtemperaturbatterien sehen gut aus, aber alle anderen Teile des Landers sollten auch bei 450 oder 480 °C arbeiten können. Die Elektronik soll in einem sehr weiten Temperaturbereich von Minusgraden bis 450 °C arbeiten. Aber Batterien, die bei 450 °C gut funktionieren, sind bei niedrigen Temperaturen inaktiv. Um einen so großen Temperaturbereich abzudecken, wäre eine Kombination verschiedener Batterietechnologien notwendig. Die für niedrige Temperaturen geeigneten Zellen würden sterben und explodieren, wenn die Temperatur im Inneren des Landers steigt. Aber der Lander benötigt während des Abstiegs-, Lande- und Oberflächenbetriebs kontinuierliche elektrische Energie.
@Uwe (alias Dr. No) dein (n+1)ter "geht nicht"-Kommentar gehört zur Frage. Diese Antwort bezieht sich nur auf "Potenzielle Hochtemperatur-Stromquellen für einen Venus-Lander", dh die vom OP gestellte Frage. Niemand hier hat gesagt, dass es keine anderen technischen Überlegungen gab - Ihr Kommentar ist überflüssig. Wenn Sie so weitermachen, wird dem Stack-Austausch das ASCII ausgehen!
@Uwe OK, lass uns das versuchen - wenn ich nach Hause komme, werde ich fragen: "Was sind die größten Herausforderungen für einen Venus-Lander mit verlängerter Lebensdauer?" Art der Frage. Mal sehen, ob wir herausfinden können, was die am schwierigsten zu lösenden Probleme sind! PS Ich wurde gerade per PM benachrichtigt, SE wird ASCII nicht ausgehen, sie werden nur mehr vom Stackoverflow bekommen, diese Jungs haben Endlosschleifen, damit sie nie ausgehen.
@Uwe: Es scheint vernünftig, eine Eintritts- / Abstiegsstufe zu haben, die bei niedrigeren Temperaturen funktioniert und einen Lander fallen lässt, der erst zu funktionieren beginnt, wenn er sich erwärmt. (Was mich wundert: Würden Sie angesichts der Dichte der Atmosphäre der Venus überhaupt einen Fallschirm brauchen?)
Wenn das RTG wegen der dicken Atmosphäre auf der Venus kleine Strahler hat, wie soll es dann die Reise zur Venus überleben?
Ich dachte an das Missionskontrollteam. Es wäre sehr schwierig, einige Daten von der Eintritts- und Abstiegsphase zu erhalten und dann einige Stunden zu warten, bis der Lander warm genug für den Betrieb wäre. Wenn der Lander nicht sendet, wissen Sie nichts darüber, was schief gelaufen ist. Einige Telemetriedaten unmittelbar nach der Landung zu haben, könnte helfen zu entscheiden, ob die Landungen erfolgreich waren, aber der Hochtemperaturteil des Landers ausfiel.
@Schlusstein: Die RTGs für den Einsatz an der Oberfläche benötigen nicht die Stromquelle für den Einsatz unterwegs und wären es wahrscheinlich auch nicht.
@NathanTuggy Sie können den radioaktiven Zerfall jedoch nicht ausschalten. Irgendwo muss die Hitze ja noch hin.
@Schlusstein das ist ein wirklich guter Punkt. Wie wäre es mit "Flossenverlängerungen", die schmelzen und einfach abspringen? Das klingt nicht unüberwindbar. Tatsächlich müssen die Flossen auf der Venus möglicherweise nicht kleiner sein als im Weltraum, aber es muss berechnet werden.

Ein RTG kann und würde auf der Venus sicherlich funktionieren, da die heiße Seite etwa 1200 ° C beträgt. Es wäre einfach nicht so effizient wie mit einer kälteren kalten Seite. Suchen Sie hierzu nach Artikeln von Geoff Landis.

Danke für den Vorschlag – lassen Sie mich wissen, wenn Sie auffällige Fehler oder Auslassungen sehen .
Warum ist die heiße Seite auf 1200 C beschränkt? Ist es nicht praktikabel, das Pu bei höheren Temperaturen einzudämmen?
Ich nehme an, Sie könnten Heizkörper reduzieren und die Isolierung erhöhen, um die Temperatur zu erhöhen, aber irgendwann müssen Sie sich Gedanken über Materialien machen.

Für die meisten praktischen Sonden sind Batterien die einzige wirkliche Option. RTGs sind für Missionen gedacht, die Jahre dauern, und Venus ist eine Umgebung, in der "lange Dauer" mit "drei Stunden" übersetzt wird.

Für diesen Zeitraum müssen Sie nicht aufladen, und das Innere der Sonde kühl zu halten, kann so einfach sein wie eine Isolierung und vielleicht ein kleiner Vorrat an Eis.

Wenn Sie es schaffen, alle anderen Komponenten so zu konstruieren, dass sie langfristig überleben, wäre eine Windkraftanlage eine gute Wahl. Die Oberflächenbedingungen der Venus sind nicht extremer als im Inneren eines gewöhnlichen Düsentriebwerks, daher ist die Technik, die damit verbunden ist, ziemlich bekannt.

Welche Art von Batterie könnte verwendet werden?
@Schlusstein Jeder Batterietyp funktioniert. Lithiumbatterien zum Beispiel sind dafür bekannt, dass sie Feuer fangen, wenn sie deutlich unter der Temperatur der Venusoberfläche liegen, aber das passiert nur, wenn das Kühlsystem ausgefallen ist und die Sonde ohnehin tot ist.
Ja, aber das System kann länger mit einer Batterie arbeiten, die bei höheren Temperaturen arbeitet.
In Anbetracht der Arbeit an Hochtemperaturelektronik denke ich, dass der Plan ist, mit einem heißen Raumschiff und einer heißeren nuklearen thermischen Stromquelle zu gehen. Ich kann es gerade nicht finden, aber es gibt irgendwo hier in SXSE Links zu Venus-temperaturkompatibler RTG- oder Stirlingmotorforschung. Eine nukleare Wärmequelle löst auch das Problem der brennenden Batterie, da sie, abgesehen von einem Ausfall oder einer Anfälligkeit für G-Kraft, eine kontinuierliche Energiequelle sein kann.
@uhoh Es gibt viel zu tun, bevor ein heißer Lander mehr als theoretisch möglich ist, aber die Batterien sind nicht für dieses Szenario geeignet - angesichts der derzeit verfügbaren Technologie und ausreichender Isolierung sind sie leer, bevor sie zusammen mit dem Rest schmelzen die Elektronik.
@QuentinClarkson, für welche Missionen, die noch nicht budgetiert/geplant sind, gibt es nicht viel zu tun? Bei der Planetenerkundung ist alles schwer. Meinen Sie damit, dass es Probleme ohne offensichtliche Lösungswege gibt? Halbleiter mit hoher Bandlücke sind ein Weg für die Elektronik - obwohl ich nicht weiß, ob es Probleme mit unbeabsichtigter Dotierstoffmobilität gibt, wird das wahrscheinlich in Ordnung sein. Große Mengen an Datenspeicherung können schwieriger sein, aber das ist mit einem begleitenden Orbiter möglich.
„Die Oberflächenbedingungen auf der Venus sind nicht extremer als das Innere eines gewöhnlichen Strahltriebwerks“ – das ist mein Lieblingszitat aus dem SE-Netzwerk in dieser Woche.
Noch heißer ist es in den Brennkammern eines Düsentriebwerks, aber es gibt auch kühlere Stellen, an denen die Elektronik des Triebwerks den normalen Betrieb übersteht.
Habe ich den Teil verpasst, in dem die meisten Düsentriebwerke mit der Aufnahme beträchtlicher Mengen verdampfter Schwefelsäure fertig werden müssen?
Mögliche Hochtemperatur-Energiequellen für einen Venus-Lander
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v