Miljøvenlig og effektiv: Sådan ændrer termoakustiske Stirling-motorer luftfartsverdenen

Thermoakustiske Stirling-motorer (TASE) kan lyde som meget at fordøje på én gang. Men i princippet er de akustiske ækvivalenter til Stirling-motorer. Derfor skal vi, før vi dykker dybere ned i TASE’er, starte med Stirling-motorer.

Hvad er en Stirling-motor?

Navnet stammer fra opfinderen, præst Robert Stirling, som udviklede en ekstern varmemaskine, der er meget anderledes end de traditionelle forbrændingsmotorer, der bruges i biler. Den adskiller sig ved sin rørcyklus, som har tre kernefunktioner. 

• Gasser, der bruges inde i en Stirling-motor, forlader aldrig motoren. I modsætning til benzin- eller dieselmotorer, har disse motorer ingen udstødningsventiler til at lede højt tryk gasser ud. Der forekommer heller ingen eksplosioner. Som følge heraf er Stirling-motorer meget stille.
• Da den ikke er en forbrændingsmotor, kræver den en ekstern varmekilde. Og den varmekilde kan være solstråler, geotermisk varme, benzin eller solenergi. Varmen kan endda komme fra en nedbrydende plante. 
• Endelig behøves kun en svinghjulpropel med en blid rotation for at starte motoren. 

I denne tradition for at bygge Stirling-motorer opstår Thermoacoustic Stirling Engines eller TASE’er, de akustiske ækvivalenter til Stirling-motorer. 

TASE’er: De akustiske ækvivalenter til Stirling-motorer

Thermoakustiske Stirling-motorer har fået momentum og opmærksomhed inden for videnskabelig forskning på grund af deres lave produktionsomkostninger, høje effektivitet, vedligeholdelsesfri egenskaber og selvstartende kapacitet. 

En af de mest populære kategorier af Thermoacoustic Stirling Engines er Thermoacoustic Stirling Heat Engines eller TASHE’er. Disse enheder kan omdanne varme til akustisk kraft med en meget høj effektivitet. Potentialet ligger i, at de ikke involverer bevægelige dele, og komponenterne er relativt simple. Disse systemer er billigere at fremstille og vedligeholde. De foretrækkes af mange som en måde at generere ren og effektiv energi på. 

Hvordan fungerer TASHE’er?

Energikonverteringsprocessen i disse motorer foregår i regeneratoren. En regeneratør er en porøs metallisk blok mellem en varm varmeveksler (HHX) og en kold eller omgivende varmeveksler. Sådanne placeringer i de to ender hjælper med at opretholde et gennemsnitligt temperaturgradient i den aksiale retning. Akustiske bølger, der bevæger sig igennem den – med den rette fase – kan forstærkes af en termodynamisk proces, der ligner en Stirling-cyklus. 

Hvorfor er termoakustiske Stirling-motorer gavnlige?

Mangel på fossile brændstoffer er en udfordring, som menneskeheden står over for på kort sigt. Fossile brændstoffer er også ikke gavnlige for planetens sundhed og medfører en række bæredygtighedsproblemer. 

Videnskabelige samfund har overvejet brugen af alternative brændstofkilder, herunder solenergi, geotermisk energi, biobrændstoffer/biomasse, radioisotoper og mere. 

I dette scenarie har Stirling-motorer vist gode resultater på grund af deres høje effektivitet, lukkede termodynamiske cyklus, stille drift, lave vibrationer, lange levetid og lave vedligeholdelse. 

Der kan være to typer af Stirling-motorer: den konventionelle og den avancerede.

Udviklingen af termoakustiske Stirling-motorer: Innovationerne og gennembruddene

At kende historien om TASE’er er afgørende for at forstå, hvordan de tjener deres formål, og hvilken karakter teknologien har haft. 

Vi har allerede talt om akustiske bølger, der passerer gennem gradienten mellem varme og kolde eller omgivende varmevekslere på to sider. 

Indtil 1980’erne oversteg effektiviteten af de fleste designs i dette felt typisk ikke 5 %. Et vendepunkt i 1979 blev markeret, da Ceperley opnåede et betydeligt gennembrud. Han viste, at rejse‑bølger kan udtrække akustisk energi mere effektivt, hvilket førte til designkonceptet for rejse‑bølge‑TASHE’er, der bruges i dag. 

Hvad der sker i dette mere effektive setup, er, at en del af den genererede akustiske kraft går tilbage til regeneratoren via en form for feedback‑sløjfe og delvist ledes mod en resonator for energiekstraktion.

Det første årti af det nye årtusinde så yderligere forbedringer i teknologien bag TASHE’er. I 2011 designede Tijani & Spolestra en rejse‑bølge‑TASHE, der opnåede en bemærkelsesværdig samlet effektivitet på 49 % af Carnot‑grænsen. For at give kontekst fastsætter Carnot‑grænsen en absolut grænse for, hvor effektivt varmeenergi kan omdannes til nyttigt arbejde.

I den seneste udvikling inden for TASE‑feltet har Kina for nylig udviklet en høj‑effektiv termoakustisk Stirling‑generator, som kan levere 140 hk eller 102 kW strøm fra en varmekilde på 986 grader Fahrenheit. Udviklingen kom fra forskerne ved Det Tekniske Institut for Fysik og Kemi ved den Kinesiske Akademi for Videnskab. Det var første gang, at en sådan Stirling‑generator kunne overstige 134 hk eller 100 kW effekt. 

Denne kinesiske innovation betragtes af mange som en potentiel game‑changer på grund af dens alsidighed. Den kan fungere med en række forskellige varmekilder og kan ændre, hvordan energi genereres, hvilket giver løsninger til forskellige energibehov.

Ifølge holdet, der udviklede den, kan dens pålidelighed, simple design og kompatibilitet med diverse varmekilder gøre den konkurrencedygtig med damp­turbiners effektivitet. Motorens design fjerner vibrationer fra systemet og hjælper med at opretholde en lufttæt forsegling. Innovationen kunne hjælpe med at gøre Kinas ultralydløse, ikke‑atomare ubåde mulige. 

En anden undersøgelse fra 2017 foreslog termoakustisk Stirling‑strømproduktion fra LNG‑kold energi og lavtemperatur‑affaldsvarme. Undersøgelsen resulterede i designet af en termoakustisk Stirling‑generator, der opererer med 4 MPa heliumgas og kan generere 2,3 kW elektrisk effekt med den højeste exergi‑effektivitet på 0,253, når de kolde og varme ender holdes ved henholdsvis 110 K og 500 K. 

Udviklingen af den termoakustiske Stirling‑motor som en løsning til at introducere højere energiefektivitet er blevet studeret nøje af forskere og højtstående teknikere verden over. Og meget arbejde er derefter blevet udført på store virksomhedsløsninger. 

Organisationer, der udnytter termoakustiske Stirling-motorer

1. NASA

NASA har gjort betydelige fremskridt inden for området termoakustiske Stirling-motorer. Løsningen, kendt som Stirling Thermoacoustic Power Converter og Magnetostrictive Alternator, eliminerer alle bevægelige dele for maksimal effektivitet og pålidelighed. 

Ny teknologi udviklet af NASAs Glenn Research Center

Denne teknologi gør Stirling-motorer mere effektive og mindre omkostningsfulde. Den udnytter termoakustiske kraftkonvertere, hvor lyd bruges til at omdanne varme til elektrisk energi. Systemet bruger varme‑drevne tryk‑ og volumenoscillationer fra termoakustiske kilder til at drive piezoelektriske alternatorer eller andre kraft‑konverterings‑teknologier. Denne enhed er i stand til at generere elektricitet med uovertruffen effektivitet. 

Indvirkningen af NASAs innovation har været vidtrækkende. Den termoakustiske kraftkonverter har hjulpet med at omforme den konventionelle Stirling‑motor fra en toroid form til en lige kollinear opsætning. Denne innovation sikrer, at fremtidige systemer ikke behøver at afhænge af fejl‑udsatte mekaniske inertans‑ og compliance‑rør. Målet kan opnås ved at bruge akustisk resonans ved hjælp af elektroniske komponenter. 

Innovationen har resulteret i noget effektivt, pålideligt, lav‑omkostnings, kompakt og alsidigt. Man kan bruge den i distribueret generation og bolige‑strømsystemer, kombineret varme‑og‑kraft‑systemer, koncentreret solenergi‑produktion, hybride elektriske køretøjer, kølesystemer, varmepumper, undervands‑ og marine‑kraftsystemer samt hjælpe‑kraftenheder. 

2. SpaceX

Der er en høj sandsynlighed for, at SpaceX (SPCX ), en anden gigant inden for rum‑ og luftfartsteknologi, snart vil udforske TASE’er. Det kunne hjælpe dem med at opnå øget effektivitet i omdannelsen af varme til mekanisk arbejde. 

Lave produktions‑ og vedligeholdelsesomkostninger kunne føre til lettere rumfartøjer til lavere omkostninger. Det ville også hjælpe SpaceX med at håndtere varme effektivt, med forbedrede kraftgenereringsmuligheder i dybe rum‑missioner. 

Ifølge rapporter publiceret i midten af august 2023 har SpaceX’s stigende omsætning gjort virksomheden profitabel i Q1 2023 efter to årlige tab. Elon Musk‑ejede selskab genererede 55 millioner dollars i profit på 1,5 milliarder dollars i omsætning i perioden januar‑til‑marts. Det blev værdiansat til næsten 150 milliarder dollars ved et nyligt medarbejder‑aktiesalg.

3. Sierra Lobo, Inc.

Baseret i Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc., leverer specialiserede rum‑ og luftfarts‑test‑, evaluerings‑ og ingeniørtjenester verden over. De har udviklet fuldt udbyggede termoakustiske Stirling‑varmemaskiner, som kan operere med en række forskellige kraft‑/varmekilder, med høj effektivitet og pålidelighed, uden bevægelige dele. De er kompakte og skalerbare og kan bruges i rumapplikationer på grund af deres tyngdekraft‑uafhængige drift. 

Disse varmemaskiner forventes at finde anvendelse i mange områder, herunder akustisk kraft‑ og trykbølge‑generering samt elektrisk generation for jord‑, undervands‑ og rumapplikationer. De kan samtidig producere elektrisk og køle‑kraft, drive en lineær alternator til elektrisk kraftgenerering samt køle‑ og kryokøleanordninger til køle‑generering. 

Udfordringer og muligheder på vejen frem

Thermoakustiske Stirling‑varmemaskiner (TASE’er), en specifik kategori af Stirling‑motorer, har vist stort potentiale i udviklingen af kraftkilder, der er egnede til dyb‑rumrejser. NASA, især gennem deres Glenn Research Center, har været i front med at udnytte teknologiens effektivitet og vedligeholdelsesfri egenskaber. Denne teknologi forventes at udvikle sig yderligere og støtte kraftsystemer, der kan blive afgørende i adskillige rumforskningsprojekter, potentielt inklusiv at forsyne baser på Månen og Mars.

Disse motorer foretrækkes for deres evne til at levere meget høj termisk‑til‑elektrisk effektivitet sammenlignet med andre varmemaskiner. Fraværet af lejesystemer og bevægelige dele i TASE’er reducerer markant risikoen for fejl og produktionsomkostninger.

Dog er der stadig væsentligt arbejde at gøre for at forfine teknologien, så den kan blive det foretrukne valg. TASE’er står i øjeblikket over for udfordringer med volumen og vægt, primært fordi deres design, der involverer varmevekslere både ved varme‑ og kolde punkter, resulterer i en mere voluminøs og tung konstruktion end traditionelle forbrændingsmotorer med tilsvarende effekt.

Derudover udfordres TASE’er ofte af en langsommere opstart på grund af iboende termisk inerti. Deres anvendelse er begrænset i scenarier, der kræver hurtig start eller hurtige hastighedsændringer. Ikke desto mindre sigter igangværende teknologiske innovationer mod at overvinde disse udfordringer, hvilket positionerer TASE’er som en afgørende komponent for højteknologiske rumoperationer og videre.

Klik her for listen over de top 10 teknologiaktier, der er klar til fremtidig vækst.