Wäre es möglich, einen Venus-Lander mit einem Temperaturunterschied anzutreiben?

Die Venus hat eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von 735 K. Wäre es möglich, diese extreme Temperatur zu nutzen und daraus Strom zu erzeugen? Das ist schließlich das Prinzip, nach dem ein radioisotopischer thermoelektrischer Generator (RTG) läuft. Und ein großer Teil des RTG-Stroms wird zum Heizen des Raumfahrzeugs verwendet, um seine Elektronik und Instrumente funktionsfähig zu halten. Sonnenkollektoren könnten nicht verwendet werden, um einen Venus-Lander mit Strom zu versorgen, da sie von der Atmosphäre zerstört würden, und RTGs sind teuer. Aber wenn es eine Möglichkeit gibt, die atmosphärische Wärme in Strom umzuwandeln, könnten wir eine längere Venus-Mission durchführen, ohne uns um die Stromversorgung kümmern zu müssen.

Das Problem ist das "Differenzial". Einen Eisbrocken mitzubringen würde kaum länger halten als eine geladene Batterie mit gleicher Masse. Es ist einfach heiß, nicht viel von Temperaturgradienten zu nutzen. Die dicke Atmosphäre gleicht die Temperatur an der Oberfläche aus, keine ewig beschatteten Polarkrater. Aber einige verrückte Physiker erfinden vielleicht einen Ballon mit einem Draht, der durch verschiedene Temperaturschichten nach unten hängt und irgendwie ...
@LocalFluff Ich wollte gerade den gleichen Kommentar abgeben: "Welcher Unterschied?" Der Lander heizt sich schnell auf, um sich seiner Umgebung anzupassen.
Ich sehe, das macht sehr viel Sinn. Daran hätte ich wohl denken sollen. Oder lesen Sie die Wikipedia-Seite für Thermoelectric Generator genauer.
Danke, aber ich würde es nicht als Antwort akzeptieren! Lassen Sie uns von jemandem hören, der sich wirklich mit diesem Zeug auskennt. Ich kopiere nur und vergleiche, was andere sagen. Ich antworte oder kommentiere nur, wenn ich zuversichtlich genug bin, dass andere zuversichtlich genug sind, dass es fast wahr ist. Und manchmal zu versuchen, Dinge, die andere sagen, auf eine Weise zu erklären, die einer breiteren Öffentlichkeit zugänglicher ist, weil ich auf ihrer Seite bin. Ich produziere nicht, ich konsumiere Wissenschaft.
Die einfachste Antwort wäre, eine Sonde zu entwickeln, die bei 863F arbeiten könnte. Es gibt Keramiken und Metalle, die bei dieser Temperatur existieren können. Die Vakuumröhrentechnologie könnte verwendet werden, um Elektronik zu entwickeln, die bei dieser Temperatur arbeiten könnte. Es ist heiß genug, um Materialien zu verwenden, die Elektronen direkt emittieren, anstatt elektrisch betriebene Filamente zu benötigen. Es könnte notwendig sein, Gold für die Verdrahtung zu verwenden, da Silber nahe am Schmelzpunkt wäre. Vielleicht gibt es also eine Möglichkeit, eine Sonde herzustellen, die die Umgebungstemperatur für zumindest einen Teil der benötigten Energie nutzen kann.
@LocalFluff ein Stück Eis? Es würde schnell in Dampf umgewandelt werden, was es zum ersten Steampunk-Lander machen würde! Wäre großartig :)

Antworten (3)

Hohe Temperatur an sich ist nutzlos. Sie benötigen eine Temperaturdifferenz, genau wie das RTG die Differenz zwischen der Temperatur des Plutoniums und der des Weltraums ausnutzt. Bewegungsenergie (Wärme) fließt aus dem Hochtemperaturbereich in den Niedertemperaturbereich und kann dabei Arbeit verrichten.

Auf der Venus gibt es keinen Gradienten. Alles hat die gleiche Temperatur. Sie möchten Ihr Raumfahrzeug viel kühler als die Umgebungstemperatur halten, aber das bedeutet, dass Sie viel Energie aufwenden müssen, um die Wärme abzupumpen. Das Betreiben eines Peltier-Elements mit der Differenz zwischen Raumfahrzeug und Umgebungstemperatur würde nur die Wirksamkeit Ihres Kühlsystems verringern, da Sie die Wärme durch das Peltier-Element zurücklassen würden.

Möglicherweise können Sie so etwas wie OTEC tun: https://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_thermal_energy_conversion . Angenommen, Sie befestigen einen Anker an der Oberfläche und verbinden einen Ballon damit. Lassen Sie den Ballon in einer Höhe von 5 km an einem Seil schweben, was Ihnen einen Temperaturunterschied von etwa 38 ° C gibt (etwa das Doppelte dessen, was OTEC erreichen könnte). Der atmosphärische Druck beträgt etwa das 70-fache des Drucks auf der Erde, sodass Sie keinen sehr großen Heliumballon benötigen, um ein ziemlich großes Gewicht zu tragen. Auf einer logarithmischen Skala ist der Auftrieb in der venezianischen Atmosphäre dem Auftrieb in Wasser ähnlicher als der Auftrieb in der Erdatmosphäre.

Der schwierige Teil ist dann derselbe, der es schwierig macht, OTEC zum Laufen zu bringen. Sie müssen eine Wärmekraftmaschine zwischen Wärmespeichern betreiben, die durch eine große Entfernung voneinander getrennt sind, und der thermodynamische Wirkungsgrad wird ziemlich niedrig sein, weil Δ T / T beträgt nur etwa 5 %. Dies ist wahrscheinlich eher ein Hightech-Szenario der fernen Zukunft als etwas, das in absehbarer Zeit für Sonden genutzt werden könnte.

Windkraft aus Oberflächenwinden ist wahrscheinlich viel praktischer, obwohl sie genau wie bei Windkraft auf der Erde wegfallen würde, wenn es keinen Wind gäbe.

Außerdem gibt es das Problem, einen Ballon herzustellen, der in der Atmosphäre der Venus überleben kann.
@Phiteros: Ich nehme an, Sie visualisieren einen Mylar- oder Gummiballon. Auf der Venus sind die Auftriebskräfte 70-mal größer als auf der Erde, eine mit Helium gefüllte Kaffeekanne würde also schweben.
Nein, ich verstehe, dass es ein Metallballon wäre. Aber die Kombination aus Schwefelsäure, intensiver Hitze und Druck würde bedeuten, dass ein solcher Ballon sowie das Kabel, das ihn mit dem Lander verbindet, extrem robust sein müssten. Es ist schwierig genug, einen Lander zu bauen, der auf der Oberfläche der Venus überleben kann.

Ich bin vor kurzem auf „spezifische Energie“-Prüftour, also lasst uns die Eiswasser-Energiespeicherung für die Venus-Anwendung testen.

Mal sehen, wie viel Energie wir als Temperaturgradient auf der Venus speichern können.

Überraschenderweise ist Wasser ein Material mit etwa der höchsten spezifischen Wärme über einen Temperaturbereich. Sie können es durch Zusätze um etwa ein halbes Prozent erhöhen, aber nehmen wir zur einfacheren Berechnung reines Wasser.

Eiswasser: 2,108 kJ pro Kilogramm pro Kelvin Schmelzwärme: 334 KJ/kg bei 273,15 K Flüssiges Wasser: 4,184 KJ pro Kilogramm pro Kelvin Verdampfungswärme: 2264,76 KJ/kg bei 373,15 Wasserdampf: 1,996 kJ pro Kilogramm pro Kelvin

Wir kühlen den Eisblock auf 77,2 K herunter, während wir Kaltgas-Triebwerke – flüssigen Stickstoff – verwenden, um die Wiedereintrittsverbrennung durchzuführen. Das ist die Anfangstemperatur.

Oberflächentemperatur der Venus: 735 K

Erhitzen Sie zuerst das Eis auf 0,273,15-77,2 = 195,95 K. Mal 2,108 = 413 KJ. Dann schmelzen: 334 KJ. Dann Wasser erhitzen: 4,184 mal 100 K = 418,4 KJ Dann verdampfen: 2264,7 KJ Dann Dampf erhitzen: 735-373,15 = 361,85 mal 1,996 = 722,2 KJ.

4,152 MJ pro Kilogramm.

Das ist nicht schlecht. Etwa die gleiche Energiedichte wie Thermit und etwa 8-mal mehr als Li-Ion-Batterien.

Leider liegt es damit unter Li-Ion-Batterien als elektrische Energiequelle.

Thermoelemente sind zwar sehr zuverlässig und langlebig, aber sehr ineffizient; Wirkungsgrade über 10 % wurden noch nie erreicht und die meisten RTGs haben Wirkungsgrade zwischen 3–7 %. Quelle

Mit großzügigen 10 % sind wir also bei 0,4 MJ – der spezifischen Energie von Alkalibatterien auf Verbraucherebene. Arm!

SONDERN! Der Rest der Energie wird nicht verschwendet. Es wird verwendet, um das Fahrzeug zu kühlen, wie ein Sublimator. Die Idee ist also nicht ganz schlecht - sie könnte der Sonde ein paar Stunden Leben einbringen! Als Stromquelle allein ist es einfach nicht gut.

...und natürlich sind meine Berechnungen aufgrund des Venusdrucks viiielen falsch. Die tatsächliche Leistung wird schlechter sein. Aber ich kann die Daten für Wassertemperaturen bei 90 bar nicht wirklich finden, und was wir haben, sollte Ihnen einen Hinweis geben, womit wir es zu tun haben.

Ein Thermoelement oder eine Thermosäule ist eine Art Wärmekraftmaschine, daher wird seine Effizienz durch den 2. Hauptsatz der Thermodynamik bestimmt. Der Wirkungsgrad hängt von der Temperaturdifferenz ab. Ihre von WP zitierten Zahlen beziehen sich auf RTGs auf Raumfahrzeugen. Beim Cassini RTG beträgt die Temperaturdifferenz etwa 1500 K. In Ihrem Beispiel beginnt die Temperaturdifferenz bei etwa 700 K und geht bis auf Null zurück. Wenn also die durchschnittliche Temperaturdifferenz etwa 350 K beträgt, würden wir erwarten, dass der Wirkungsgrad etwa 1/4 so gut ist wie der von Cassini.
Sie haben die Energiedichte als Energie pro Masseneinheit geschätzt, aber es wäre interessant zu sehen, was sie pro Volumeneinheit ist. Selbst bei 90 Atmosphären nimmt ein Kilogramm Dampf viel Platz ein.
@BenCrowell: Wenn es sich ausdehnt, würde es offensichtlich entlüftet werden ... dennoch könnte es erst entlüftet werden, nachdem es das Ziel von 700 K erreicht hat, was entweder ein übermäßiges Volumen oder einen übermäßigen Druck bedeuten würde.
Nun, dieses erhöhte Volumen könnte verwendet werden, um eine Turbine oder so etwas anzutreiben.
@Phiteros: Das ist wahrscheinlich praktikabler als Thermoelemente, wenn einigermaßen leichte Turbinen den Raumflug und den Wiedereintritt überleben können. Die Dampfdichte bei Venusbedingungen beträgt 31 kg/m^3, also 3 % der Dichte von Wasser. Das ist ein ziemlich guter Ausdehnungskoeffizient, der sicher genutzt werden kann.
Wäre es möglich, einen Venus-Lander mit einem Temperaturunterschied anzutreiben?
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