Welche „Währung“ für Transportenergie wäre am besten für mobile Maschinen auf der Marsoberfläche geeignet?

Welche „Währung“ für Transportenergie (Methan, H2, Strom) wäre am besten für mobile Maschinen auf der Marsoberfläche geeignet?

Photovoltaik (PV)-Zellen oder Kernenergie werden wahrscheinlich die einzigen Energiequellen auf dem Mars sein, aber beide sind wenig mobil. Strom muss gespeichert werden, bevor er für den Transport und die schwere Konstruktion verwendet werden kann, die für die Marskolonisierung vorgeschlagen werden.

Die direkte Speicherung von PV-Strom in Batterien oder Superkondensatoren ist sehr attraktiv, aber sie haben eine viel geringere Energiedichte als chemische Kraftstoffe, was die Lebensdauer mobiler Maschinen verringert.

Aktuelle Pläne sehen eine groß angelegte ISRU-Flüssigmethan- und Sauerstoffproduktion für Raketentreibstoffe vor, daher ist es ein offensichtlicher Kandidat für den Transport und schwere Maschinen.

Ein praktisches Problem bei chemischen Brennstoffen, die molekularen Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden, sind die hohen Temperaturen, die erzeugt werden, wenn sie stöchiometrisch gemischt werden. Methan hat eine 1 bar Flammentemperatur von 1880 °C in Luft und 2750 °C in Sauerstoff https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/flame-temperature . Ein Motor mit Carnot-Zyklus (ICE, Turbine) hat deutlich höhere Drücke und Temperaturen, die den Schmelzpunkt vieler Materialien überschreiten.

Könnten Verbrennungsmotoren (Kolben oder Turbine) mit mehrstufiger Verbrennung (wie ein Raptor) für eine nettostöchiometrische Verbrennung mit „konventionellen“ Temperaturen betrieben werden? Durch den Betrieb einer Kraftstoff/Oxidationsmittel-Mischung bei einer Äquivalenz ungleich 1,0 sind die Temperaturen deutlich niedriger. Der unverbrannte Brennstoff (oder Oxidationsmittel) könnte im nächsten Verbrennungsschritt mit dem umgekehrten Äquivalenzverhältnis verwendet werden. https://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_flame_temperature

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Eine andere Option wäre ein ECE wie ein Sterling Engine. Die NASA hat einen isotopenbetriebenen Freikolben-Sterling-Generator, der seit 2003 ununterbrochen mit voller Leistung läuft https://www.spaceflightinsider.com/space-centers/glenn-research-center/it-keeps-going-and-going -stirling-motor-test-stellt-langdauerrekord-bei-nasa-glenn auf . Da es Strom ausgibt, würde es sich gut mit PV und Batteriespeichern kombinieren lassen.

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Vielleicht ist der Heilige Gral eine Niedertemperatur-Methan-Brennstoffzelle. https://cen.acs.org/articles/93/i43/Best-Effort-Yet-Make-Direct.html

Abhängig davon, welche gasförmigen Abfallprodukte während der Produktion von Sauerstoff, Methan und was auch immer andere "chemische Fabriken" auf dem Mars produzieren könnten, erzeugt werden, kann es möglich sein, die Sauerstoffmenge zu verdünnen, indem einige der Abfallgase eingeschlossen werden, wodurch die Verbrennungstemperatur gesenkt wird innerhalb von ICE, ECE oder Turbinen.
Guter Punkt. Ich denke, das am leichtesten verfügbare nicht brennbare Abgas ist das Abgas des Motors (CO2 + H2O). Verbrennungsmotoren verwenden manchmal eine Abgasrückführung zur Verringerung der Frühzündung.
Ein interessantes Thema bei der irdischen CO2-Abscheidung ist die Oxycombustion zur Stromerzeugung. Die Ansaugluft wird verarbeitet, um N2 zu entfernen, sodass die Verbrennung nur mit Kohlenwasserstoff und Sauerstoff stattfindet. Der Auspuff ist reines H2O und CO2, was die CO2-Abscheidung kinderleicht macht. Herkömmliches Abgas besteht hauptsächlich aus N2, das aus dem heißen, nassen Abgas konzentriert werden muss. N2 lässt sich leichter aus der kalten, trockenen Ansaugluft entfernen. Dieser Prozess leidet unter dem gleichen Problem wie diese Diskussion: Wie man Methan und Sauerstoff verbrennt, ohne den Motor zu schmelzen. ieaghg.org/docs/General_Docs/Reports/…
Als zweiter Gedanke. Eine technologische Lösung könnte darin bestehen, den Motoren periodisch gemessene Sauerstoffmengen über ein noch zu entwickelndes Sauerstoffeinspritzsystem zuzuführen.
Guter Punkt. Die Strategie würde nicht auf Kolbenmotoren (ein Batch-Prozess) angewendet werden, könnte aber in einer Turbine verwendet werden, um eine kontinuierliche Verbrennung bereitzustellen, wenn das Brenngas durch die Arbeitsturbine strömt. Die Erforschung der Technologie hätte hier auf der Erde eine sofortige Anwendung für die Oxycombustion-Stromerzeugung. Hochgeschwindigkeitsgeneratoren werden an Turboladerwellen von F-1-Autos ohne Untersetzungsgetriebe verwendet. Ein ähnlicher Aufbau für den Mars-Buggy würde eine leichte, kompakte und zuverlässige Energiequelle bieten.
Wie kühle ich diese Turbine? Der Mars ist kalt, aber es gibt nicht viel Atmosphäre für konvektive Kühlung. Seine Betriebstemperatur könnte etwa die gleiche wie bei einer Zero-Bypass-Turbine sein.

Antworten (1)

Die beste „Währung“ für Transportenergie ist wahrscheinlich die Kilowattstunde. Power on Mars ist wahrscheinlich der Flaschenhals für alle Aktivitäten, da es für so viele Dinge benötigt wird. Für Wärme, Licht, Kommunikation, den Anbau von Nahrungsmitteln, die Herstellung von Treibstoffen für die Rückfahrt zur Erde und zum Aufladen aller Fahrzeuge oder die Herstellung der chemischen Brennstoffe und Oxidationsmittel, die sie verwenden werden.

Solar und Kernkraft sind derzeit die besten Konkurrenten, Kernkraft für den Mars hat politische Probleme und/oder Probleme mit der technischen Bereitschaft und Solar hat Größenprobleme und Probleme mit Staubstürmen. Keines davon ist ein Showstopper, wird aber wahrscheinlich zu einer sich langsam entwickelnden Mischung aus Stromquellen, Speicher- und Backup-Systemen führen. Der gemeinsame Nenner der Kosten wird wahrscheinlich sein, wie viel Strom benötigt wurde.

Auf dieser Grundlage wäre die effizienteste Option batterieelektrisch, und das würde wahrscheinlich wo immer möglich bei Rovern mit relativ kurzer Reichweite und leichteren Nutzfahrzeugen verwendet werden. Für sehr schwere Beanspruchung oder große Reichweite sind Batterien weniger geeignet und können daher mit anderen Optionen gesichert werden.

Methanol lässt sich relativ leicht aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff synthetisieren, ist selbst ein sehr nützliches chemisches Zwischenprodukt und wäre ein guter Kandidat für die Verwendung in einer Brennstoffzelle.

Wenn Verbrennungsmotoren erforderlich sind, wären Methan und Sauerstoff wahrscheinlich am einfachsten zu verwenden, da sie bereits benötigt werden, aber irgendeine Form von Verdünnungsgas wäre nützlich, um die Verbrennungstemperatur zu senken. Zu diesem Zweck könnte komprimiertes Kohlendioxid aus der Marsatmosphäre verwendet werden.

Die Frage spezifiziert "für mobile Maschinen". Mit anderen Worten, nach dem Ende des Verlängerungsakkords. Solar- und Kernenergie sind für die Oberflächenmaschinerie, von der die Ressourcengewinnung abhängig sein wird, von geringer Mobilität.
Ja, ich verstehe, die solaren und nuklearen Punkte waren ein Exkurs, sorry. Mein Punkt zielte darauf ab, welche "Währung" verwendet werden könnte, um verschiedene Transportmittel zu vergleichen. Bei einem batteriebetriebenen Rover und einem brennstoffzellenbetriebenen Rover würde ich fragen, wie viel Strom zum Laden der Batterie und wie viel Strom zum Bereitstellen von Reaktanten für die Brennstoffzelle verbraucht wurde. Diejenige, die am wenigsten Strom benötigt, ist die billigste. In einigen Fällen sind Batterien nicht praktikabel, daher muss eine "teurere" Lösung gefunden werden, aber der Vergleich erfolgt in kWh oder vielleicht in kWh pro zurückgelegtem Kilometer oder ähnlichem.
Guter Punkt. Aus physikalischer Sicht besteht eine reversible Umwandlungsäquivalenz zwischen verschiedenen Energieformen. X Btu Öl = Y Kilowattstunden Strom und umgekehrt. In der realen Welt hängt die Äquivalenz von der Verwendung ab. Öl hat null kWh Strom für den Betrieb meines Laptops. Strom hat für mein Fahrzeug ohne Speicher keinen Wert. Mit der Frage nach der „Währung“ der Energie bezog ich mich auf den universellen Nutzen im Gegensatz zur Äquivalenz. Wie die Art und Weise, wie die Leute eher von der „Wasserstoffwirtschaft“ als von der „Ölwirtschaft“ sprechen. Batterie verbraucht Strom, Brennstoffzelle H2.
Der Fragentext wurde bearbeitet, um ihn zu verdeutlichen. Danke schön.
Fair genug. Ich schlage vor, dass es nicht nur eine universelle „Währung“ geben muss. Elektrofahrzeuge für leichtere Aufgaben mit kürzerer Reichweite und einige andere Kraftstoffe für große Reichweiten oder sehr schwere Anwendungen. Brennstoffzellen mit Methanol oder Methalox-Motoren mit CO2-Verdünnungsmittel.
Welche „Währung“ für Transportenergie wäre am besten für mobile Maschinen auf der Marsoberfläche geeignet?
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