Thermische Batterien statt batteriebetriebener Heizungen für kleine Raumschiffe auf dem Mars; Wie viel Masse würde es hinzufügen, wie viel würde es ersetzen?

Zum Beispiel lädt der Ingenuity-Hubschrauber auf dem Mars seine Batterien an jedem sonnigen Tag (das ist jeden Tag, außer wenn es nicht so ist ) und entlädt sie im Wesentlichen jede kalte Nacht (das sind alle), um sich vor Frostschäden zu schützen und zu halten andere kritische Leckereien, wenn es zu kalt wird. Solarbetriebene Mars-Rover und Lander auf dem Mars tun dasselbe, mit Ausnahme der mit MMRTG ausgestatteten Curiosity und Perseverance, die eine erwärmte Flüssigkeitszirkulation verwenden.

Eine thermische Batterie ist:

... im Allgemeinen etwas, das Wärmeenergie speichern kann, und während eine elektrische Batterie diesen Zweck erfüllen kann, kann ein Topf mit Wasser, Wachs oder einem anderen Material, das innerhalb eines nützlichen Temperaturbereichs mit einer ausreichenden Änderungsenthalpie eine Art Phasenänderung erfährt, dies tun möglicherweise als thermische Batterie verwendet werden.

Aus der thermischen Batterie von Wikipedia :

Eine Wärmeenergiebatterie ist eine physikalische Struktur, die zum Speichern und Freisetzen von Wärmeenergie verwendet wird – siehe auch Wärmeenergiespeicherung. Mit einer solchen thermischen Batterie (auch bekannt als TBat) kann die zu einem Zeitpunkt verfügbare Energie vorübergehend gespeichert und zu einem anderen Zeitpunkt wieder abgegeben werden. Die Grundprinzipien einer thermischen Batterie treten auf atomarer Ebene der Materie auf, wobei entweder einer festen Masse oder einem flüssigen Volumen Energie zugeführt oder entnommen wird, wodurch sich die Temperatur der Substanz ändert. Bei einigen Wärmebatterien wird auch bewirkt, dass eine Substanz thermisch durch einen Phasenübergang übergeht, wodurch aufgrund der Delta-Fusionsenthalpie oder Delta-Verdampfungsenthalpie noch mehr Energie gespeichert und freigesetzt wird.

Aber in diesem Fall wurde es aus irgendeinem Grund eher als "thermischer Kondensator" als als "thermische Batterie" bezeichnet.

Zu den schönen Dingen an einer thermischen Batterie gehören

  • Man "lädt es" mit Wärme auf und es gibt ungefähr fünfmal so viel Wärme im Sonnenlicht wie Strom daraus zu gewinnen ist; Solar-Photovoltaik wird nicht viel besser als 20 %, wenn alle realen Effekte berücksichtigt werden (optische Übertragung und Staub, Herabsetzung für nicht optimale Temperatur, Leistungsumwandlung und Ladeeffizienz der Batterie usw.)
  • Phasenänderungen wie Schmelzen/Gefrieren „verschleißen“ ein einfaches Schüttgut nicht so wie wiederholte Lade-/Entladezyklen eine energiedichteoptimierte elektrische Batterie verschleißen. Sie werden kein "müdes Wasser" bekommen.

Frage: Wie würde ein solarthermisches Batteriesystem für ein Flugzeug auf dem Mars aussehen? Wie viel Masse würde es ungefähr hinzufügen? Wie viel würde es ersetzen?

Denken Sie daran, dass die Masse und die Energiekapazität der Batterie von Ingenuity von der Notwendigkeit angetrieben werden, sowohl einen nützlich langen und zufriedenstellenden Flug zu haben als auch genug Energie zu haben, um über Nacht warm zu bleiben, zusammen mit einem guten Sicherheitsspielraum.

Das Hinzufügen einer thermischen Batterie kann die erforderliche Energiekapazität und damit die Masse der elektrischen Batterie erheblich reduzieren, so dass das Hinzufügen der thermischen Batterie nicht alles „ Untergang und Finsternis “ ist.

„ Wie würde ein solarthermisches Batteriesystem für ein Flugzeug auf dem Mars aussehen? „.. für ein Flugzeug würde es sehr wie ein Anker aussehen, da es zu schwer ist, damit zu fliegen. Thermische Speicherung, selbst über Phasenwechsel, erfordert ein beträchtliches Volumen, um effektiv zu sein (um das Masse/Oberflächen-Verhältnis zu verbessern). Die "erledigte" Sache auf dem Mars ist die Verwendung winziger Radioisotop-Heizeinheiten für die lokalisierte Erwärmung von thermisch empfindlichen Geräten. en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_heater_unit
Gibt es einen Grund, warum die thermische Batterie Teil des Flugzeugs sein muss? Es könnte (zusammen mit seinem "Ladesystem") im Basislager bleiben und der Hubschrauber könnte für die Nacht in sein Nest zurückkehren.
Zugehörige SBIR von Masten Space Systems für ihr MOWS-Projekt: sbir.gov/node/1670587 .
@Woody es gibt zwei Arten von Camping; Autocamping, wo Sie Tageswanderungen unternehmen können, und Rucksackreisen, wo Sie (fast) alles mitnehmen. Bisher macht Ingenuity Letzteres; Es verfolgt Ausdauer während seiner Reisen, nähert sich aber aus Sicherheitsgründen nie zu nahe. Bleiben wir bei dem Beispiel, mit dem ich führe. Wie lange könnte der Marshubschrauber Ingenuity mit dem Rover Perseverance mithalten, wenn er wollte? und Welcher NASA-Marsrover fuhr bei den ersten 100 Sols am weitesten und welcher am wenigsten?
@CuteKItty_pleaseStopBArking Atomwaffen sind keine Option, die von meiner Frage zugelassen wird, und wenn Sie Zahlen darüber haben, was "sperriger" oder schwerer ist - ein kJ in einer elektrischen Batterie im Vergleich zu einem kJ in einer guten thermischen Phasenwechselbatterie - geben Sie sie bitte an um deinen Punkt zu untermauern.
@uhoh Ich bin vielleicht dumm, aber wo schließt Ihre Frage die Verwendung von Radioisotop-Heizeinheiten aus? Sie werden häufig auf Satelliten, Weltraumsonden und Rovern zur lokalisierten thermischen Kontrolle eingesetzt. Die Cassini-Mission verwendete EINHUNDERTSIEBZEHN von ihnen (Cassini 82, Huygens 35).
@CuteKItty_pleaseStopBArking Die Frage lautet: "Wie würde ein solarthermisches Batteriesystem aussehen ..." und definiert, was eine thermische Batterie für die Zwecke dieser Frage ist, die tägliche Lade- / Entladezyklen umfasst, die durch Wärme von der Sonne angetrieben werden. Da ist alles in Ordnung! Ich nehme mir Zeit, meine Fragen sorgfältig zu formulieren und zu formulieren.
@uhoh ok, also muss dein Fahrzeug ohne Strom betrieben werden, weil deine Frage keine Stromquelle angibt? Und keine Isolierung, denn darauf wird auch nicht verwiesen? Alles, was ich sagte (in einem Kommentar, keine Antwort!), War, dass das normale Verfahren für das Wärmemanagement kleiner oder empfindlicher Geräte darin bestand, Radioisotop-Heizeinheiten zu verwenden. Sie sind auf kleinen Geräten in kalten Umgebungen ungefähr so ​​allgegenwärtig wie Schrauben und Muttern.
@CuteKItty_pleaseStopBArking es gibt zwei Möglichkeiten zu antworten; 1) Ich könnte Ihnen empfehlen, eine neue Frage zu Ihrem Thema zu stellen, etwa „Warum hat die NASA vergessen, eine Radioisotopen-Wärmequelle zu verwenden, um Ingenuity warm zu halten? Schließlich sind sie so allgegenwärtig wie Schrauben und Muttern?“ Es wird mehrere gute Antworten geben, es wird großartig! 2) Ich könnte darauf hinweisen, dass der Kommentarbereich in Stack Exchange hauptsächlich dazu dient, die Frage zu verbessern, es ist keine Gelegenheit, nur Dinge zu posten. Diese Frage ist sorgfältig abgegrenzt; Der erste Kommentar darunter versucht, eine andere Diskussion zu beginnen.
@CuteKItty_pleaseStopBArking Es lenkt bestenfalls ab und kann im schlimmsten Fall einige Leser verwirren, was möglicherweise zu Antworten führt, die die Frage nicht ansprechen. Wenn Sie Radioisotopenheizungen in einer neuen Frage verfolgen möchten, ist das großartig! Natürlich haben Sie vielleicht einen besseren Titel als den, den ich oben vorgeschlagen habe. Es gibt einige Erwähnungen der Technologie hier und hier , aber ich denke, sie können in einer neuen Frage wirklich weiter untersucht werden.
"Wärmebatterie" hat (leider) mehrere Bedeutungen, wobei die, an die ich gewöhnt bin, völlig anders ist, als Sie sie verwenden. Siehe beispielsweise pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.1c01864 für eine andere Verwendung.
Ich frage mich, ob es nur um Masse und Raum geht. Sie brauchen immer noch Strom, um das Flugzeug zu fliegen, also bleibt das PV-Panel. Sie benötigen ein weiteres Solarpanel, um die Wärme einzufangen. Dann benötigen Sie eine zirkulierende Spezialflüssigkeit, dh Rohre. Und diese Rohre müssen den negativen Temperaturen standhalten, damit die gefrorene Flüssigkeit sie nicht zum Platzen bringt. Verwandte: space.stackexchange.com/questions/51257/…
@NgPh diese "Musse" sind vielleicht nicht fest, das sind sicherlich die einfachsten, konventionellsten Lösungen, aber mal sehen, ob es nicht auch kreativere Lösungen gibt. Wir bauen hier kein Solarhaus.
Die einfachste und naheliegendste (und vielleicht gerade deshalb unkonventionelle) Lösung besteht darin, dass sich Ingenuity wie ein Entlein verhält. Nachts oder wann immer es zu kalt ist, gehen Sie unter Motherduck und holen Sie sich etwas Plutonium-basierte Wärme. Alles, was Sie brauchen, ist ein Stecker ... so kreativ!
Ich sagte im übertragenen Sinne „untergehen“. Was viel einfacher, viel effizienter, viel sicherer wäre, ist: Ingenuity landet 100 m von Perseverance entfernt; Beharrlichkeit nähert sich Einfallsreichtum; mit einem seiner Arme, die mit einem männlichen Stecker ausgestattet sind, verbindet Perseverance Ingenuity mit seinem Stromkreis. Ich verstehe, dass dieses Schema keinen Sinn ergibt, wenn Ingenuity nur eine schöne Hauptmission für Perseverance ist (was der Fall zu sein scheint, was auch den "Go Under" -Ansatz zunichte macht).
Heatpipes arbeiten als Thermodioden. Und sie übertragen gerne Wärme. nicht runter. Die Tagesoberflächentemperaturen auf dem Mars können bis zu 70 ° F erreichen. Ich schaue auf diese dürren Beine, die sich vom Boden bis zu den Wärmebatterien im Bauch strecken ...
und "Ranken", die sich ausbreiten und sich flach in den Regolith eingraben. Ich liebe es!
@JonCuster ja, in diesem Fall ist Wikipedia auf "meiner Seite", also habe ich ihr Intro hinzugefügt. Bei Hochtemperaturbatterien, die Strom (im Gegensatz zu Wärme) liefern, wie die von Ihnen verlinkte, verweist Wikipedia auf Salzschmelzenbatterien .

Antworten (1)

Frage: Wie würde ein solarthermisches Batteriesystem aussehen?

Antwort: Es würde genauso aussehen wie Ingenuity!

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Nun, es könnte etwas anders aussehen, da die PV-Module kleiner sein könnten. Es würde weniger Strom für die Nachtheizung benötigt. Die Batteriekapazität wäre geringer, aber das reduzierte Batterievolumen würde (zumindest teilweise) durch thermisches Batterievolumen ersetzt.

Wenn die vier Landebeine durch Heatpipes und der zentrale Kern der Batterie durch eine Phasenübergangs-Wärmebatterie ersetzt würden, würde sich das Aussehen des Hubschraubers kaum ändern.

Wärmerohre übertragen Wärme, indem sie absorbierte Wärme an einem Ende für den Phasenwechsel des Arbeitsmediums von flüssig zu gasförmig nutzen. Gas diffundiert entlang des Rohrs, bis es am anderen Ende kondensiert und die gespeicherte latente Wärme freisetzt. Das kondensierte Arbeitsfluid kehrt durch die Schwerkraft zurück. Wärmerohre haben keine beweglichen Teile und funktionieren für immer oder bis sie undicht werden, je nachdem, was zuerst eintritt. Sie arbeiten über einen großen Temperaturbereich (der über dem Tripelpunkt des Arbeitsmediums liegen muss). Beispielsweise funktionieren mit Ammoniak gefüllte Heatpipes gut von 200 K-350 K https://llis.nasa.gov/lesson/698

Wärmerohre sind bei Raumfahrzeugen üblich (normalerweise unter Verwendung von Ammoniak als Arbeitsmedium). In unserer Anwendung wird das Design vereinfacht, da das Raumfahrzeug in einer Schwerkraftumgebung betrieben wird. Die Schwerkraft macht es Heatpipes leicht, als Wärmediode zu fungieren: Wärme wird „nach oben“, aber nicht „nach unten“ geleitet, wodurch verhindert wird, dass gespeicherte Wärme zurück zu den Füßen verschwendet wird.

Das Arbeitsfluid würde so gewählt werden, dass es für die Temperaturdifferenz zwischen der „Fuß“-Temperatur am Tag und der maximal tolerierten Batterietemperatur optimiert wird. Viking hat Regolith-Temperaturen von -107 ° C bis -17,2 ° C gemessen. Die Tripelpunkttemperatur des Arbeitsmediums muss während der Wärmeübertragung unter der Temperatur der Wärmequelle liegen. Es ist kein Problem, wenn die Flüssigkeit nachts in den Füßen gefriert. Die atmosphärischen Temperaturen auf dem Mars können im Sommer bis zu 20 ° C erreichen, aber die Wärmeübertragung aus der dünnen Atmosphäre wäre im Vergleich zu Regolith minimal.

Die Materialwahl für die Heatpipe-Rohre erfordert einige Überlegungen. Mechanische Anforderungen für die Landespannung müssten berücksichtigt werden. Die Wärmeübertragung an beiden Enden des Wärmerohrs würde durch Aluminiumextrusionen mit inneren Rippen maximiert, wie sie in Wärmerohren von Raumfahrzeugen verwendet werden. Der Mittelabschnitt könnte aus Verbundstoff hergestellt sein, um Gewicht und Wärmeleitfähigkeit zu minimieren.

Für die Latentwärmespeicherung von thermischen Batterien stehen viele Materialien zur Verfügung. Zur Not könnte Leinöl (MP -24 * C) funktionieren, aber es gibt wahrscheinlich etwas Geeigneteres im Handel erhältlich https://www.dynalene.com/heat-transfer-fluids/?gclid=EAIaIQobChMIyO61la_n9AIVQ0FyCh3o7AO9EAEYASAAEgLj7vD_BwE

Thermische Batterien statt batteriebetriebener Heizungen für kleine Raumschiffe auf dem Mars; Wie viel Masse würde es hinzufügen, wie viel würde es ersetzen?
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