Wie kann Atomkraft im All Strom erzeugen, wenn Energie anders umgewandelt werden muss?

Hören Sie mich an, bevor Sie ablehnen; Es ist nicht so einfach , wie es scheint .

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.

Wie würde also ein nuklearbetriebenes Raumschiff ohne künstliche Schwerkraft aus roher Wärmeenergie und der mit Kernreaktionen verbundenen Strahlung effektiv Strom erzeugen?

Energie wird freigesetzt, wenn ein Atom gespalten wird, diese Energie wird von den Wassermolekülen in den meisten Kernkraftwerken absorbiert. Stellen Sie sich vor, diese Energie wird von einem bestimmten Material absorbiert, was dazu führt, dass es seine Valenzelektronen abgibt, wodurch eine Stromflussanalogie zum Solarpanel entsteht.
@ user6760 Dies ist wissenschaftlich fundiert - ein Unobtanium, das Strahlung direkt in Elektrizität umwandelt, hilft mir nicht. - Es sei denn, Sie haben ein Beispiel aus der realen Welt, das sich in eine Antwort verwandeln lässt.
Ja, siehe Nanomaterial, muss aber NASA in Ihrem Suffix/Präfix enthalten.
@ user6760 Oh wow, das ist wirklich sehr hilfreich, danke. Wenn Sie das zu einer Antwort machen, werde ich sie höchstwahrscheinlich akzeptieren
In Anbetracht der Tatsache, dass die Menschheit bereits Kernreaktoren im Weltraum eingesetzt hat ... en.wikipedia.org/wiki/SNAP-10A und en.wikipedia.org/wiki/BES-5 ... ist Ihre Frage irgendwie umstritten. Aber wie andere betont haben: Heizkörper ... so erhalten Sie den Temperaturunterschied, den Sie für die Verwendung einer Wärmekraftmaschine benötigen.
en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple werden in en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator verwendet, von denen es derzeit viele im Weltraum gibt. Sie müssen nicht an Flüssigkeiten oder beweglichen Teilen hängen bleiben

Antworten (4)

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.

MHD-Objekt der gleichen Regel, nur die Hot-End-Temperatur kann viel höher als üblich sein, aber in der Praxis ist die MHD-Temperatur nicht viel höher, aber 90% sind (irgendwie) mit konventionellen Materialien möglich.

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.

Tatsächlich besteht das eigentliche Problem bei Dampfturbinen im Weltraum darin, die Hitze loszuwerden. Ausgehend von der grundlegenden Thermodynamik benötigen Sie eine Temperaturdifferenz, um eine Wärmekraftmaschine zu betreiben. Auf der Erde ist Ihre kalte Seite normalerweise ein Gewässer oder die Luft (wie beim Kühler Ihres Autos). Im Weltraum kann man nur Wärmestrahlung nutzen, um Wärme loszuwerden, weshalb die ISS diese großen Radiatoren nur für die Abwärme von Geräten und menschlichem Stoffwechsel hat: nasa.gov/mission_pages/station/structure/elements/…
Bearbeitete Frage, um mein Argument nicht auf Auftrieb zu stützen, danke für den Hinweis
Wasser könnte etwas knifflig sein - es ist einfach, genauso wie Zyklon-Staubabscheider funktionieren. Aber am einfachsten verhindern Sie es, indem Sie genug heizen.

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.

Sie tauschen diese höhere Effizienz jedoch gegen bewegliche Teile ein, weshalb RTGs wahrscheinlich der Standard sind