Auf der Erde erzeugen Kernreaktionen Wärmeenergie. Dies wird verwendet, um Wasser zu erhitzen, Dampf zu erzeugen, Turbinen anzutreiben, die mit Generatoren verbunden sind - und voila, Elektrizität.
IM WELTRAUM:
Wenn Sie versuchen, Wärmeenergie zur Erzeugung von Dampf zu verwenden, „steigt“ dieser nicht, da kein Auftrieb vorhanden ist; außerdem vermischt sich flüssiges Wasser mit Dampf unter unordentlichen Umständen, was die Konstruktion von Drucksystemen komplexer macht. Herkömmliche Reaktoren können daher nicht auf herkömmliche Weise im Weltraum zur Stromerzeugung betrieben werden.
Außerdem benötigen Wärmekraftmaschinen (Dampfturbinen), wie jamesqf in einem Kommentar erwähnte, Temperaturunterschiede, die, anders als auf der Erde, im Weltraum nicht ohne weiteres ausgeglichen werden können . Um Turbinen effektiv laufen zu lassen, sind riesige Radiatoren notwendig, die überschüssige Wärme entsorgen.
Kernreaktoren können mit anderen Kühlmitteln gut funktionieren, und wirklich hocheffiziente Kernreaktoren hier auf der Erde sind so konzipiert, dass sie Helium im primären Kühlmittelkreislauf verwenden, um den Betrieb des Kerns bei einer viel höheren Temperatur zu unterstützen, als wassergekühlte Reaktoren im Allgemeinen laufen. Andere Problemumgehungen beinhalteten die Verwendung von Natrium (sehr gefährlich, da sich Natrium in Gegenwart von Wasser entzündet, sodass ein Leck zu einem flammenden radioaktiven Alptraum werden könnte) und Metallen wie Blei (das gegenteilige Problem ist aufgetreten, anscheinend einige U-Boote aus der Sowjetzeit, die Hochleistungs-, bleigekühlte Reaktoren wurden außer Betrieb genommen, weil die Betriebstemperatur zu stark absinken durfte, wodurch sich das Kühlmittel im Primärkreislauf verfestigte).
Der Hauptgrund, „Dampf“-betriebene Generatoren zu vermeiden, ist nicht technischer Natur, sondern eher die Gesetze der Physik. Dampfgeneratoren gelten als "Rankin"-Zyklusmaschinen und haben wie die meisten Wärmekraftmaschinen eine ziemlich harte Obergrenze für die Energiemenge, die extrahiert werden kann, bekannt als Carnots Theorem (Thermodynamik).
Der Satz von Carnot besagt:
Alle Wärmekraftmaschinen zwischen zwei Wärmereservoirs sind weniger effizient als eine Carnot-Wärmekraftmaschine, die zwischen denselben Reservoirs betrieben wird.
Jede Carnot-Wärmemaschine zwischen zwei Wärmespeichern ist gleich effizient, unabhängig vom verwendeten Arbeitsmittel oder den Betriebsdetails.
Die Formel für diese maximale Effizienz lautet:
Wirkungsgrad = 1 − TL/TH
wobei TC die absolute Temperatur des kalten Reservoirs ist, TH die absolute Temperatur des heißen Reservoirs ist und der Wirkungsgrad das Verhältnis der vom Motor geleisteten Arbeit zu der aus dem heißen Reservoir gezogenen Wärme ist.
Für Dampfmaschinen (worüber wir sprechen) sind 33 % ein hoher Wirkungsgrad ohne Zwischenüberhitzung oder andere zusätzliche Schritte (Kombisysteme erreichen einen viel höheren Wirkungsgrad, weil sie die Energie im Brennstoff mehrfach nutzen, dh ein Gasturbinengenerator, der verwendet den Auspuff, um den Dampf zu erhitzen).
Eine Sache, die im Weltraum gut funktionieren könnte, ist die Verwendung eines MHD - Generators, bei dem die Hitze des Reaktors ein Kühlmittel ionisiert, das dann durch ein Magnetfeld geleitet wird. MHD ist nicht durch die Carnot-Grenze eingeschränkt. Der letzte Ausdruck davon ist ein „ Spaltfragment “-Reaktor, bei dem das spaltbare Material in Form von feinem Staub in eine magnetische Kammer eingebracht wird. Die resultierende Spaltung des Materials wird in der hochenergetischen Bewegung der Spaltteilchen (bis zu 0,03 c , aber in der Praxis normalerweise 0,01 c aufgrund interner Kollisionen) erfasst, wodurch ein hochenergetischer Strom geladener Teilchen erzeugt wird, der elektrisch abgegriffen werden kann Energie oder als Raketentriebwerk verwendet werden. (Siehe auch das )
MHD- und Spaltfragmentreaktoren erfordern auch weniger "Rohrleitungen" und normalerweise kleinere Radiatoren für die Menge an Reaktorleistung, die alle von Vorteil sind, wenn ein Raumschiff oder eine Weltraumkolonie entworfen wird.
Du gehst von einer falschen Annahme aus. Dampfturbinen nutzen nicht den Auftrieb des Dampfes zur Stromerzeugung, sondern seinen Druck. Das funktioniert im Weltraum ganz gut – das Trennen des Dampfes vom Wasser könnte ein bisschen knifflig sein, aber das ist nur ein technisches Detail.
Wenn Sie sich nicht mit beweglichen Teilen beschäftigen möchten, können Sie alternativ einen thermoelektrischen Generator verwenden , um Wärme direkt in Strom umzuwandeln. Dies ist nicht so effizient wie eine Turbine, aber es ist auch weniger wahrscheinlich, dass es ausfällt.
Während Kernreaktoren keinen Dampf zum Aufsteigen benötigen, könnte es in der Mikrogravitation etwas schwierig sein, sicherzustellen, dass nur Dampf (und kein Wasser) zur Turbine gelangt.
1) Verwenden Sie, was wir jetzt verwenden - RTGs . Keine beweglichen Teile = kein Problem mit der Schwerkraft (oder deren Fehlen)
2) Erzeugen Sie mit einer Zentrifuge "künstliche Schwerkraft". (Da Zentrifugen keine Science-Fiction sind, vermute ich, dass dies nicht mit "keine künstliche Schwerkraft" gemeint war.) Es sollte ausreichen, den Wärmetauscher in die Zentrifuge zu platzieren - weder den Hochdruck-Primärkreislauf noch die Turbinen benötigen selbst die Schwerkraft, wodurch der Reaktorkern nicht gedreht werden muss.
Ich habe gelesen, dass Stirling-Engine -Designs für diesen Zweck untersucht werden, da sie viel effizienter und leistungsstärker sind als RTGs. Das ist wahrscheinlich das, wonach Sie suchen. Vielleicht finden Sie jetzt einige Informationen in echten Designs, aber ich vermute spontan, dass Sie ein Design verwenden können, das keine Phasenänderung wie Dampf ("Einphasen-Arbeitsflüssigkeit") hat. und verwendet eine aktive Zirkulation, sodass keine Konvektionsströme erforderlich sind.
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MichaelK
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