תכנון מערכות כוח חיוניות עבור פעילות פני הירח והמאדים

סביבת ההפעלה Harsh: מדוע פתרונות טרנססטרימליים נכשלים

עיצוב מערכת חשמל גמיש חייב להתחיל בהבנה ברורה של הסביבה.הירח ומאדים לעתים קרובות מקובצים יחד כסביבות "מחוץ לכדור הארץ", אך האתגרים ההנדסת חשמל שלהם שונים במידה ניכרת.

תנאי Surface

הירח אין אווירה, שדה מגנטי, ותקופה סיבובית של כ 29.5 ימי כדור הארץ.זה מביא לתקופה של כ-14 ימי כדור הארץ לאחר לילה של 14 ימים בלילה, טמפרטורות פני השטח צנחו בסביבות 173 מעלות צלזיוס ליד הקטבים ואפילו קר יותר בעיכובים לצמיתות, כל מערכת כוח סולארית מבוססת השמש חייבת לאחסן מספיק אנרגיה במשך שבועיים של חושך או להסתמך על זרם חשמלי מתמשך, כמו גם חשוף אלקטרוסטרופלי, כמו גם חשוף, כמו גם אטמוספירה גרעינית, כמו גם חשוף, כמו גם רית, הוא חשוף, כמו גם סגסוגת אטומית, כמו גם סגסוגת אטומית, כמו אטומית, הוא חשוף, כמו גם סגסוגת רית, הוא חשוף היטב, כמו גם חשוף, כמו גם סגסוגת ותרמית, חשוף, 000 חשוף, כמו גם סגסוגת ותרמית חשוף ותרמית ותרמית, 000 ותרמית חשוף חשוף ותרמית ותרמית, כמו רית לחלוטין.

המונחים: Martian Surface Conditions

למאדים יש אווירה פחמן דו-חמצני דק (כ-0.6 אחוזים מהלחץ של כדור הארץ), יום 24.6 שעות ביממה, מחזורי עונתיים דומים לכדור הארץ, בעוד לילות קצרים יותר, מאדים סובל מסערות אבק המגבילות את כדור הארץ אשר יכול להפחית את השמש הישירה על ידי יותר מ-99 אחוזים במשך שבועות ב-73 שעות ביממה, גם סערות אלה מופקדות היטב, אבק פעיל מבחינה חשמלית על פני פני השטח הממוצע בטמפרטורות מימי הביניים, אך ניתן להפחית את רמת ה- 50 מעלות צלזיוס נמוכה, אך בטווח של כדור הארץ (אך בטווח של פחות מ- 50 מעלות צלזיוס) אך בטווח של זמן קצר יותר מטווח הטמפרטורות בינוני, אך בטווח של זמן, אך בטווח של פחות מ- 50 מעלות צלזיוס, אך בטווח של פחות מ- 50 מעלות צלזיוס, אך בטווח של זמן, אך בטווח של זמן, כולל של זמן קצר יותר מטווח חום, אך בטווח של זמן קצר יותר מ- 50 מעלות צלזיוס, ללא טמפרטורות קבוע, עם טמפרטורות קבוע, עם קרינת חום בינוני, עם טמפרטורות בינוני, עד 40 מעלות צלזיוס, עם קרינת חום, לעומת 40 מעלות צלזיוס, ללא קרינת חום, אך בטווח של זמן, בטווח של זמן קצר יותר מטווח נמוך, כולל קרינת חום, כולל קרינת חום, 000

טכנולוגיות הדור הראשוני: התאמת מקור למשימה

שום טכנולוגיה של דור יחיד אינה מתאימה לכל שלבי המשימה.אדריכלות מערכת גמישה חייבת להיות שכבה מקורות מרובים, כל אחת מהן משרתת מחזור חובה ספציפי ופרופיל סיכון.

קרינת Photovoltaic עם Concentrator Optics

(הפאנלים הסולאריים נותרו הנמוך ביותר, הקיבולת הגבוהה ביותר של שני פני השטח; עם זאת, מערך ארצי סטנדרטי עם לוחות כיסוי זכוכית הם כבדים מדי ושבריריים, מהנדסים מפתחים FLT:0 גמישים של תמונות סרט דק (PV) משקף תאים חשמליים בגודל של 10 עד 4 מעלות צלזיוס, באמצעות חומרים מטווח גבוה יותר של כדור הארץ (למשל, InGaP/G) אשר מציעים ביעילות נפחים חשמליים (DV) גבוה יותר מ-R2, לעומת 30 קומפקטיים, לעומת 3.

Power (FSP)

עבור שעת הלילה ולוחמת אבק, כוח גרעיני הוא הדרך האמינה ביותר לדור עומס כוח גבוהה כוח כוח גדול.נאס"א ומשרד האנרגיה של ארה"ב מתקדמים FLT:0Fission Surface Power Project (FLT:1), מיקוד כור דלק 40-kWe שיכול לפעול לפחות 10 שנים.

רדיואיזוטופים Thermoelectric Generators (RTGs) ו- Dynamic Systems

(הופנה מהדף RTG) הפעילו כל משימה עמוקה במרחב במשך עשרות שנים (למשל, וויאג'ר, קאסיני, פרסי, פרסי, פרסיוורנס) הם אמינים, אין להם חלקים נעים, ומייצרים כוח במשך עשרות שנים, אך הם מציעים כוח ספציפי נמוך (כ-5 W/kg) ומייצרים רק עשרות עד מאות וואטים קריטיים (עבור פעולות על פני השטח, RTGs מתאימים ביותר עבור מערכות הפעלה מרחוק:0, 000 תחנות כוח) מתחנות רדיו מרוחקות (4%) או בינוניות (4%)

אחסון אנרגיה: בריחת הפער האפל

גם עם עומס בסיס גרעיני, אחסון אנרגיה חיוני עבור עומס, צמחים בעלי כוח גבוה (למשל, קידוח, טעינה, ריבור), וגיבוי במהלך תחזוקה הכור או השבתות עקביות.

Lithium-ion Batteries with Lunar/Mars-Grade אלקטרוליטטס

(ל-of-the-art Lithium-ion תאים עם קטודות עשיר ניקל יכול להשיג 250-300 Wh / ק"ג בטמפרטורת החדר, אבל הביצועים שלהם מקשקשים באופן חמור מתחת ל- 20 מעלות צלזיוס להישרדות של לילה הירח, סוללות חייבות להיות שוכנות בתוך מחסניות מבודדות עם ליממים משולבים, אשר צורכים אנרגיה מאוחסן.

תאים של דלק

מערכת דלק רגנרטיבית (RFC) משתמשת באלקטרוליטיזה מים כדי לייצר מימן וחמצן במהלך תקופות אור השמש, ולאחר מכן recombines אותם בתא דלק לייצר חשמל במהלך החושך. RFCs מציעים אנרגיה מסוימת גבוהה (600-800 Wh / ק"ג) ולא לעשות טעינה עצמית, מה שהופך אותם אידיאלי עבור מחזורי לילה רב-יומיים או רב-שבוע.

אחסון אנרגיה תרמית

גישה תת-מהפכה היא אחסון של כוח כמו חום.שלב חומרים (PCMs) כגון ליתיום פלואוריד או חומרי מלח ניתן להתמוסס על ידי אור שמש מרוכז או חום פסולת מכור, ולאחר מכן משמש כדי להניע גישה סטרלינג או גנרטור תרמואלקטרי ישירות במהלך החושך.מערכת אחסון תרמית הם פשוט יותר, זמן ארוך (ללא הידרדרות כימית), וניתן להגדיל את הגדלה לקיבולת גבוהה מאוד, כלומר, 000 זה יכול להיות מטבולית מים חמים, 000.

אדריכלות: The Microgrid Concept

חוסן אינו רק על דור ומחסן – תלוי באופן ביקורתי כיצד הכוח מופץ, מנטר ומבוקר על בסיס מבוזר גיאוגרפי.

High-Voltage DC (HVDC) מיקרוגרואידים

שידור חשמל למרחקים ארוכים על פני הירח או מאדים הוא הטוב ביותר מושג עם זרם גבוה (HVDC) ב 1200 V או גבוה יותר HVDC מקטין מסה כבלים (המכונה הנוכחית התחתונה יותר) ומבטלת אובדן כוח תגובתי.כל בית גידול, מעבדה, תחנת טעינה של דאעש, ותחנת טעינה מהירה קשורה באמצעות FROM:0intelligent Power noFalrated, כלומר: mallygent Power nophicial ReLTericial ReLTer, IRicial ReLTer, IRicial ReLT, ו-R.

קרינה - Power Electronics

(הופנה מהדף "כל הממירים" (TID) ו-"Dregear" חייבים להיות מיועדים לכמויות הכוללות של 50-100 krad(Si) ואפקטים חד-קרקעיים (SEE) מקרניים קוסמיים גלקטיים.רחב-bandgap Semiconductors כגון TransFLT-FLT-FLT2 סיליקון-Fide (החליפה) ו-Flastic (n-Flastic)

עמידות באמצעות Redundancy ו- Modularity

עקרון ארכיטקטוני מרכזי הוא (FLT:0) +2 RedundancyFLT:1 עבור כל הרכיבים הקריטיים: לפחות שני מקורות כוח נוספים (מערךים מפוזרים, כורים, יחידות אחסון) מעבר למינימום הדרישה.מודולריות מאפשר יחידות כושלות להתנתקות ומבודדות מבלי להפריע לשאר הממשקים הסטנדרטיים - בדומה ל-LTF:2Lunaral Ungated growth באמצעות כלי פיתוח קידוד של נאס"א-F - או קידוד רק באמצעות כלי אסטרונאוטי-F - רק באמצעות שימוש ב-Power-F - 3.

עקרונות עיצוב עבור מערכות אנרגיה קיצוניות

בהתבסס על עשרות שנים של מורשת חלל וחוויה מיקרוגרידית של כדור הארץ, עקרונות העיצוב הבאים מהווים את הבסיס של מערכת גמישה:

קרינה ואבק

כל משטחים חשופים חייבים להיות מוגנים או מוגנים. ⁇ השמש ניתן לחבוש עם אלקטרודות מוליכים:0cerium-doped GlassFLT 1 אשר מתנגד לחשיכה מקרינה ואבק אלקטרוסטטי באמצעות אלקטרודות מוליכים שקוף. Power אלקטרוניקה צריך להיות סגור במודולים חסומים, מתוחים או מאוישים עם ציפוי תואם למנוע דליפות אבק.

ניהול תרמי ללא Cooling Loops

לולאות מואצות עם קורנטורים הן כבדות ופגיעות למיקרו-מיקרו-מיקרו-מיקרו-מיקרו-מיקרו-אורואיד וכריתת אבק.שליטה תרמית עוברית באמצעות FLT:0התחממות צינורות FLT:1 עם מים טיטניום-מים או נתרן של נוזל עבודה יכול להעביר מאות וואט מעל עשרות מטרים ללא מתחים נעים (למשל, כור חום) אפילו מגובה חום-מדומים (Flasticial) מ-Fericial) יכול לשמור על פני מאות טמפרטורות חום (מדומים).

גילוי אוטומטי ושיקום

עיכובים בתקשורת (1.3 שניות לירח, עד 40 דקות למאדים) משמעים כי שליטה מבוססת קרקע אינה יכולה להגיב במהירות לפגמים.כל צומת חייב לרוץ:0 גרם לאבחון מחוספס:0 גרם לאבחון של 1 שמפקח על מתח, עומס, טמפרטורה, והתנגדות אינסטלציה של מכונות למידה על אלגוריתמים מטלמט יכול לחזות כישלונות בלתי אפשריים (למשל, סוללת דלק, באופן אוטומטי).

שמירה על קשר ללא גבולות

מכיוון שחלונות הנשפים הם חודשים (Moon) לשנים (Mars) בנפרד, רכיבי מערכת החשמל חייבים להיות מיועדים עבור FLT:0on-orbit או משטח תיקוןFLT:1EV באמצעות ייצור תוספים (3D הדפסה) והחלפת קו-מודול משותף.ד.ד.ד.ד. תוכניות לקשורים, חזיונות ואפילו לוחות מעגלים פשוטים ניתן לאחסן בספריה דיגיטלית ומצטברות של ציוד חשמלי של נאס"א.

טכנולוגיות מתפתחות: מה יש ב-Horizon

העשור הבא יראה כמה טכנולוגיות מבטיחות מעבר ממעבדה להפגנת טיסה:

Transmission (WPT)

WPT באמצעות גלי מיקרוגל או לייזר דבורים יכול לחסל את הצורך של כבלים בין היתרים סחף, המקיף נכסים, או מכשירים מרוחקים.של נאס"א:0unar Wireless Power ChallengeFLT:1 הוא מימון עבור מזחלות מבוססת קרקע למקבל על לוגיה על ריבונית עדיין נמוכה (20–40 אחוזים) למרחקים ארוכים, אך עבור לטווח קצר (100 ⁇ ) ולהפחית נזק לוגיסטי ממטרוני (PTist) ולהפחית את הנזק הלוגיסטי).

In-Situ Resource Utilization (ISRU) עבור דלק ותאים סולאריים

באמצעות regolith לייצור תאים סולאריים הוא אתגר גדול.ירוק מכיל סיליקון, ברזל, אלומיניום וחמצן; pyrometallurgical או molten-salt אלקטרוליזה תהליכים יכול לחלץ מתכות, וטכניקות מחיקה vapour יכול ליצור תאים סיליקון דק-סרטוני - יעילות נמוכה מאוד (20%), אבל שימושי עבור מגוון רחב של פחמן-אווירה הם פשוט יותר פתוח עבור תאים פחמן-מסוגים (MO) חמצן (xable) פשוט יותר, כמו תאים פחמן-אווירהחמצן-אופטיים (MO) פשוט יותר, כמו תאים סיליקון פחמן-אווירהחמצן-אווירהחמצן) ואווירהחמצן (MO) פשוט יותר מוגבל (xiOS) פשוט יותר חזק יותר, כמו תאים פחמן-אווירהחמצן-אווירהחמצן-או יותר (Modernpable) ואווירהחמצן-אווירהחמצן (xiOS) ואווירהחמצן (xiOS) פשוט יותר, כמו תאים פחמן-אווירהטווח פחמן-אווירהשדה) פשוט יותר חזק יותר חזק יותר, כמו תאים פחמן-אווירהת-אווירהאמין (MO-אווירהתיקים) ואווירהתיקים-אווירהתיקים- ample) ואווירה

מיקרוקטורים גרעיניים מתקדמים

[קרא] כוח (NASA/DOE) הוכיח את הרעיון של כור 1-10 kWe fission באמצעות הליבה של אורניום-מו-מו-מו-מחדש וממירים סטרלינגים. הדור הבא של המיקרולוגיים, כגון:0-00:0 ווסטינגהאוס של eVincivFLT:1 ו-FLT:2 אטומים של EM2FLT3, שימוש חום-Weoughating הם כלי קיבולת גבוהה ביותר ל-R.

מסקנה

תכנון מערכות כוח מתמשכים עבור פעילות פני הירח ומאדים דורש גישה מערכת-of-מערכות שמשלבת דור, אחסון, הפצה ושליטה בארכיטקטורה חד-משמעית אחת.שמש ומקורות גרעיניים משלימים זה את זה: השמש מספקת שפע של כוח במהלך מחזורי היום, בעוד גרעיני מציע עומס בסיס קבוע לאורך הלילה והאבק.

כל החידושים הללו מפותחים ונבדקים באמצעות תוכניות כגון פרויקט ה-FLT:0 (הפרויקט של נאס"א) של נאס"א:2A’s Space Reactor ResearchFLT 3:0, ו-(FLT:4 ESA’s פני השטח של ESA 10:5 מערכות הכוח שאנו בונים היום יקבעו אם חוקרי המחר יכולים לשרוד את העולם, ובסופו של דבר, לשגשג על פני האדמה.

(FLT:0Engineers ומתכננים המשימה חייבים להתחיל עכשיו כדי סטנדרטיזציה ממשקים, להעפיל מכשירים פס רחב, ולבדוק תאי דלק סגורים בתאי ואקום.FLT:1 הירח ומאדים אינם סלחניים - אבל עם עיצוב זהיר מושרש בחוסנות, אנו יכולים להביא כוח אמין לגבול.