Ich habe kürzlich von ULAs ACES (Advanced Cryogenic Evolved Stage)-Oberstufe mit IVF (Integrated Vehicle Fluids) gelesen, die, so verrückt es klingt, zwei von Roush entwickelte Sechszylindermotoren hat, die das abgedampfte H 2 und O 2 als verwenden Kraftstoff. Diese Motoren liefern Druckflüssigkeit für die Triebwerke und Kraftstofftanks und erzeugen elektrische Energie, wodurch die Batterien ersetzt werden.
https://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Cryogenic_Evolved_Stage
Angeblich kann die obere Stufe dadurch viel länger mit Strom versorgt werden (was normalerweise die Batterien entladen würde).
Diese Idee erscheint mir ziemlich cool, aber verrückt klingend (da oben mit ULA-Fangmotoren zur Wiederverwendung mit einem Hubschrauber, aber das ist ein anderes Thema). Ein Brennstoffzellenstapel scheint diesen Anforderungen besser gerecht zu werden und wird seit langem in Raumfahrtanwendungen eingesetzt. Was sind die Vorteile der Verwendung eines Verbrennungsmotors gegenüber einer Brennstoffzelle? Ich weiß, dass ULA schon seit einiger Zeit an der IVF arbeitet. Haben Fortschritte in der Batterietechnologie die IVF obsolet gemacht?
Was für eine fantastische Frage! Ich habe viel gelernt, als ich dieses recherchiert habe.
Die Verwendung eines einfachen Kolben-in-Zylinder-Motors auf einer Ultrahochleistungsbühne im Weltraum scheint in einer Technologielandschaft, die von Hochgeschwindigkeits-Turbomaschinen, Brennstoffzellen und Solarmodulen dominiert wird, fehl am Platz zu sein.
Sind wir nicht im Jet-Zeitalter angekommen? Wie könnte dies möglicherweise eine gute Lösung sein? Auch wir fühlten uns zu Beginn in eine technologische Grauzone geraten. Der Schlüssel zum Verständnis liegt darin, dass die Aufgabe mit hoher Arbeitsbelastung für das System nicht darin besteht, Strom zu erzeugen oder eine Welle zu drehen, um eine Hydraulikpumpe anzutreiben. Die Tankdruckbeaufschlagung ist die vorherrschende Aktivität und erfordert die Abgabe von Enthalpie an die Leerräume des Haupttanks – unabhängig von der Quelle. Der IVF-Motor ist anderen Niedertemperatursystemen dadurch überlegen, dass seine Abwärme von hoher Qualität ist und ausreicht, um kryogene Flüssigkeiten in Dampf umzuwandeln.Die Hälfte der Ineffizienz einer Wärmekraftmaschine wird direkt eingesetzt, um Enthalpie in ein Arbeitsfluid zur Druckbeaufschlagung zu drücken, und der Rest wird verwendet, um die geringe Schubkraft zu erzeugen, die zum Absetzen von Treibmitteln erforderlich ist.
Eine Turbine könnte für eine solche Anwendung verwendet werden, aber sie wäre außerordentlich klein mit extrem hohen Rotationsgeschwindigkeiten, um nur 20 kW mit Wasserstoff niedriger Dichte als Arbeitsfluid zu erzeugen. Vorkehrungen für Wärme- und Wellenleistungsentnahme könnten getroffen werden, aber die gesamte Entwicklungskomplexität von Kühlung, Schmierung, Zündung, Steuerung und Kraftabnahme bei diesem sehr niedrigen Leistungsniveau schien im Vergleich zum Verbrennungsmotor entmutigend. Die Verwendung solch kleiner Turbinen auf bodengestützten Anlagen ist praktisch unbekannt. Es müsste praktisch eine völlig neue Technologie mit erheblichen Kosten und Risiken entwickelt werden.
In ähnlicher Weise könnte eine Brennstoffzelle verwendet werden, um IVF anzutreiben, mit dem Vorteil, dass keine Hochgeschwindigkeitsmaschinen und eine umfangreiche Geschichte der Raumfahrt vorhanden sind. Proton Exchange Membrane (PEM)-Zellen haben sich in den letzten Jahren als enorm vielversprechend erwiesen. 20 kW sind jedoch eine relativ große Brennstoffzelle für Fluganwendungen, und da die gesamte Leistung als Strom erzeugt wird (im Vergleich zu vielleicht 10 % beim Verbrennungsmotor), muss sie über Motoren in Wellenleistung mit den damit verbundenen Schaltsystemen und Verlusten umgewandelt werden. Dadurch wächst die Brennstoffzelle, um die Umwandlungseffizienzen anzugehen. Die Reaktanten werden nur bei einem Mischungsverhältnis von 8 verbraucht – was im Allgemeinen für eine regenerative Kühlung unzureichend ist. Wenn also kein sperriges und kostspieliges Kühlersystem verwendet wird, muss ein größerer Wasserstoffstrom zur Brennstoffzelle gebracht werden, um den thermischen Stillstand aufrechtzuerhalten.Verbrauchstechnisch verliert die Brennstoffzelle ihren Vorteil gegenüber dem Verbrennungsmotor. Die Effizienz der PEM-Zellen basiert auf einer niedrigen Betriebstemperatur, die kondensiertes flüssiges Wasser erzeugt, das entsorgt werden muss, ohne einen Vorteil für das Absetzen des Fahrzeugs zu bieten. Im Allgemeinen wäre die Verwendung eines Brennstoffzellensystems am vorteilhaftesten für bemannte Fahrzeuge, bei denen das erzeugte Wasser einen starken positiven Einfluss auf die Fahrzeugmasse hat. Für kryogene Antriebsstufen begünstigt der Kostenunterschied zwischen Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen wahrscheinlich erstere.
United Launch Alliance, Entwicklungsstatus eines integrierten Antriebs- und Antriebssystems für langzeitige kryogene Raumfahrt . Betonung von mir.
Kurzum: Brennstoffzellen sind zu teuer & produzieren zu wenig Wärme.
Masospaghetti
Uwe