Weltraum
Umweltfreundlich und Effizient: Wie Thermoakustische Stirling‑Motoren das Luft‑ und Raumfahrtspiel verändern
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Thermoakustische Stirling‑Motoren (TASE) könnten auf den ersten Blick viel zu erfassen scheinen. Aber im Prinzip sind sie akustische Äquivalente von Stirling‑Motoren. Daher müssen wir, bevor wir tiefer in TASEs eintauchen, mit Stirling‑Motoren beginnen.
Was ist ein Stirling‑Motor?
Der Name stammt von seinem Erfinder, Reverend Robert Stirling, der einen externen Wärmemotor entwickelte, der sich stark von den herkömmlichen Verbrennungsmotoren in Autos unterscheidet. Er unterscheidet sich durch den Stirling‑Zyklus, der drei Kernmerkmale hat.
- Die im Stirling‑Motor verwendeten Gase verlassen den Motor niemals. Im Gegensatz zu Benzin‑ oder Dieselmotoren verfügen diese Motoren nicht über Auslassventile, um Hochdruckgase abzuführen. Es finden auch keine Explosionen statt. Folglich sind Stirling‑Motoren sehr leise.
- Da es kein Verbrennungsmotor ist, benötigt es eine externe Wärmequelle. Diese Wärmequelle kann Sonnenstrahlen, geothermische Wärme, Benzin oder Solarenergie sein. Die Wärme kann sogar von einer verrottenden Pflanze stammen.
- Schließlich benötigt man nur einen Schwungradpropeller mit einer sanften Drehung, um den Motor zu starten.
Aus dieser Tradition des Bauens von Stirling‑Motoren entstehen Thermoakustische Stirling‑Motoren oder TASEs, die akustischen Äquivalente von Stirling‑Motoren.
TASEs: Die akustischen Äquivalente von Stirling‑Motoren
Thermoakustische Stirling‑Motoren haben in der wissenschaftlichen Forschung an Schwung und Bedeutung gewonnen, weil sie niedrige Herstellungskosten, hohe Effizienz, wartungsfreie Eigenschaften und Selbststartfähigkeiten besitzen.
Eine der beliebtesten Kategorien von Thermoakustischen Stirling‑Motoren sind Thermoakustische Stirling‑Wärmemotoren oder TASHEs. Diese Geräte können Wärme mit einer sehr hohen Effizienz in akustische Leistung umwandeln. Ihr Potenzial beruht darauf, dass sie keine beweglichen Teile enthalten und die Komponenten relativ einfach sind. Diese Systeme sind kostengünstiger in Herstellung und Wartung. Viele bevorzugen sie als Mittel zur Erzeugung sauberer und effektiver Energie.
Wie funktionieren TASHEs?
Der Energieumwandlungsprozess in diesen Motoren erfolgt im Regenerator. Ein Regenerator ist ein poröser Metallblock zwischen einem heißen Wärmetauscher (HHX) und einem kalten oder Umgebungswärmetauscher. Diese Anordnung an beiden Enden hilft, einen mittleren Temperaturgradienten in axialer Richtung aufrechtzuerhalten. Akustische Wellen, die durch ihn propagieren – mit der richtigen Phase – können durch einen thermodynamischen Prozess, der einem Stirling‑Zyklus ähnelt, verstärkt werden.
Warum sind Thermoakustische Stirling‑Motoren vorteilhaft?
Die Knappheit fossiler Brennstoffe ist eine kurzfristige Herausforderung für die Menschheit. Fossile Brennstoffe sind zudem nicht förderlich für die Gesundheit des Planeten und bringen zahlreiche Nachhaltigkeitsprobleme mit sich.
Wissenschaftliche Gemeinschaften haben die Nutzung alternativer Brennstoffquellen in Betracht gezogen, darunter Solarenergie, geothermische Energie, Biokraftstoffe/Biomasse, Radioisotope und mehr.
In diesem Szenario haben Stirling‑Motoren dank ihrer hohen Effizienz, des geschlossenen thermodynamischen Zyklus, des geräuschlosen Betriebs, geringer Vibrationen, langer Lebensdauer und geringen Wartungsaufwands gute Ergebnisse gezeigt.
Es könnte zwei Arten von Stirling‑Motoren geben: die konventionelle und die fortschrittliche.
Die Entwicklung der Thermoakustischen Stirling‑Motoren: Innovationen und Durchbrüche
Die Kenntnis der Geschichte der TASEs ist entscheidend, um zu verstehen, wie sie ihren Zweck erfüllen und welche Beschaffenheit die Technologie hat.
Wir haben bereits über akustische Wellen gesprochen, die durch den Gradient zwischen heißen und kalten bzw. Umgebungswärmetauschern auf beiden Seiten laufen.
Bis in die 1980er Jahre lag die Effizienz der meisten Designs in diesem Bereich typischerweise nicht über 5 %. Ein Wendepunkt wurde 1979 von Ceperley erreicht, der einen bedeutenden Durchbruch erzielte. Er zeigte, dass Wanderwellen akustische Energie effizienter extrahieren können, was zum heutigen Designkonzept der Wanderwellen‑TASHEs führte.
Was in diesem effizienteren Schema geschieht, ist, dass ein Teil der erzeugten akustischen Leistung über eine Art Rückkopplungsschleife zum Regenerator zurückgeführt wird und zum Teil zu einem Resonator zur Energiegewinnung geleitet wird.
Das erste Jahrzehnt des Jahrtausends brachte weitere Verbesserungen der Technologie hinter TASHEs. 2011 entwarfen Tijani & Spolestra einen Wanderwellen‑TASHE, der eine bemerkenswerte Gesamteffizienz von 49% des Carnot‑Limits erreichte. Zur Einordnung: Das Carnot‑Limit setzt eine absolute Grenze für die Effizienz, mit der Wärmeenergie in nützliche Arbeit umgewandelt werden kann.
In der neuesten Entwicklung im Bereich der TASEs hat China kürzlich einen hocheffizienten thermoakustischen Stirling‑Generator entwickelt, der 140 PS bzw. 102 kW Leistung aus einer Wärmequelle von 986 °F liefern kann. Die Entwicklung stammt von Forschern des Technischen Instituts für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Es war das erste Mal, dass ein solcher Stirling‑Generator über 134 PS bzw. 100 kW Leistung hinausgehen konnte.
Diese chinesische Innovation wird von vielen als potenzieller Wendepunkt wegen ihrer Vielseitigkeit angesehen. Sie kann mit einer Reihe verschiedener Wärmequellen betrieben werden und könnte die Art der Energieerzeugung verändern, indem sie Lösungen für verschiedene Energiebedürfnisse bietet.
Laut dem Team, das sie entwickelt hat, können ihre Zuverlässigkeit, das einfache Design und die Kompatibilität mit unterschiedlichen Wärmequellen sie mit der Effizienz von Dampfturbinen konkurrieren lassen. Das Design des Motors eliminiert Vibrationen im System und hilft, eine luftdichte Abdichtung zu erhalten. Die Innovation könnte China dabei unterstützen, ultra‑leise, nicht‑nukleare U‑Boote zu bauen.
Eine weitere Studie aus dem Jahr 2017 schlug die thermoakustische Stirling‑Stromerzeugung aus LNG‑Kälteenergie und Niedertemperatur‑Abwärme vor. Die Studie führte zum Design eines thermoakustischen Stirling‑Generators, der mit 4 MPa Helium betrieben wird und 2,3 kW elektrische Leistung erzeugen kann, mit der höchsten Exergieeffizienz von 0,253, wenn das kalte und das heiße Ende bei 110 K bzw. 500 K gehalten werden.
Die Entwicklung des thermoakustischen Stirling‑Motors als Lösung zur Einführung höherer Energieeffizienz wurde weltweit von Forschern und hochkarätigen Technologen intensiv untersucht. Und es wurde viel Arbeit an groß angelegten Unternehmenslösungen geleistet.
Organisationen, die Thermoakustische Stirling‑Motoren nutzen
1. NASA
Die NASA hat im Bereich der thermoakustischen Stirling‑Motoren bedeutende Fortschritte erzielt. Die Lösung, bekannt als Stirling Thermoacoustic Power Converter und magnetostriktiver Alternator, eliminiert alle beweglichen Teile für maximale Effizienz und Zuverlässigkeit.
Neuartige Technologie entwickelt vom Glenn Research Center der NASA
Diese Technologie macht Stirling‑Motoren effizienter und kostengünstiger. Sie nutzt thermoakustische Leistungskonverter, bei denen Schall verwendet wird, um Wärme in elektrische Energie umzuwandeln. Das System verwendet wärmegetriebene Druck‑ und Volumenoszillationen aus thermo‑akustischen Quellen, um piezoelektrische Alternatoren oder andere Stromwandlertechnologien zu betreiben. Dieses Gerät kann Strom mit unvergleichlicher Effizienz erzeugen.
Die Auswirkungen der NASA‑Innovation sind weitreichend. Der thermoakustische Leistungskonverter hat dazu beigetragen, den herkömmlichen Stirling‑Motor von einer toroidalen Form in eine gerade kollineare Anordnung zu überführen. Diese Innovation stellt sicher, dass zukünftige Systeme nicht von fehleranfälligen mechanischen Trägheits‑ und Nachgabetuben abhängig sein müssen. Das Ziel kann durch die Nutzung akustischer Resonanz mit elektronischen Bauteilen erreicht werden.
Die Innovation hat zu einer Lösung geführt, die effizient, zuverlässig, kostengünstig, kompakt und vielseitig ist. Sie kann in dezentraler Stromerzeugung und Wohnstromsystemen, Kraft‑Wärme‑Kopplungsanlagen, konzentrierter Solarstromerzeugung, Hybrid‑Elektrofahrzeugen, Kühlsystemen, Wärmepumpen, Unterwasser‑ und Marine‑Stromsystemen sowie Hilfsstromaggregaten eingesetzt werden.
2. SpaceX
Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass SpaceX (SPCX ), ein weiteres Raum‑ und Luftfahrttechnologie‑Unternehmen, TASEs in Kürze untersuchen wird. Dies könnte ihnen helfen, eine höhere Effizienz bei der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit zu erreichen.
Niedrige Herstellungs‑ und Wartungskosten könnten dazu führen, leichtere Raumfahrzeuge zu geringeren Kosten zu produzieren. Es würde SpaceX auch ermöglichen, Wärme effektiv zu managen, mit verbesserten Stromerzeugungsfähigkeiten bei Missionen im tiefen Weltraum.
Laut Berichten veröffentlicht Mitte August 2023 hat SpaceX’s steigender Umsatz das Unternehmen im ersten Quartal 2023 profitabel gemacht, nachdem es zwei Jahresverluste erlitten hatte. Das Unternehmen von Elon Musk erwirtschaftete im Zeitraum Januar bis März einen Gewinn von 55 Millionen USD bei einem Umsatz von 1,5 Milliarden USD. Es wurde bei einem kürzlichen Mitarbeitenden‑Aktienverkauf mit fast 150 Milliarden USD bewertet.
3. Sierra Lobo, Inc.
Mit Sitz in Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc. bietet spezialisierte Raum‑ und Luftfahrt‑Test-, Evaluierungs‑ und Ingenieurdienstleistungen weltweit an. Sie haben vollwertige thermoakustische Stirling‑Wärmemotoren entwickelt, die mit einer Vielzahl von Leistungs‑/Wärmequellen betrieben werden können, mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit, ohne bewegliche Teile. Sie sind kompakt und skalierbar und können in Weltraumanwendungen wegen ihres gravitationsunabhängigen Betriebs eingesetzt werden.
Diese Wärmemotoren sollen in vielen Bereichen Anwendung finden, darunter die Erzeugung von akustischer Leistung und Druckwellen sowie die elektrische Stromerzeugung für Boden-, Unterwasser- und Weltraumanwendungen. Sie können gleichzeitig elektrische und Kühlleistung erzeugen, einen linearen Alternator für die Stromerzeugung antreiben sowie einen Kühlschrank und Kryokühler für die Kühlleistung betreiben.
Herausforderungen und Chancen auf dem zukünftigen Weg
Thermoakustische Stirling‑Wärmemotoren (TASEs), eine spezifische Kategorie von Stirling‑Motoren, haben großes Potenzial gezeigt, Stromquellen für Reisen in den tiefen Weltraum zu entwickeln. Die NASA, insbesondere über ihr Glenn Research Center, steht an vorderster Front bei der Nutzung der Effizienz und wartungsarmen Eigenschaften dieser Technologie. Es wird erwartet, dass diese Technologie weiter voranschreitet und Stromsysteme unterstützt, die bei zahlreichen Weltraumerkundungsprojekten eine Schlüsselrolle spielen könnten, möglicherweise auch bei der Stromversorgung von Basen auf dem Mond und Mars.
Diese Motoren werden wegen ihrer Fähigkeit bevorzugt, im Vergleich zu anderen Wärmemotoren eine sehr hohe thermisch‑elektrische Effizienz zu bieten. Das Fehlen von Lagerungssystemen und beweglichen Teilen in TASEs reduziert das Risiko von Ausfällen und die Herstellungskosten erheblich.
Um jedoch die bevorzugte Wahl zu werden, muss noch erheblich an der Verfeinerung dieser Technologie gearbeitet werden. TASEs stehen derzeit vor Herausforderungen hinsichtlich Volumen und Gewicht, hauptsächlich weil ihr Design, das Wärmetauscher an sowohl heißen als auch kalten Punkten beinhaltet, zu einer voluminöseren und schwereren Bauweise führt als herkömmliche Verbrennungsmotoren mit gleicher Leistung.
Zusätzlich werden TASEs häufig durch einen langsameren Start aufgrund inhärenter thermischer Trägheit herausgefordert. Ihre Anwendung ist in Szenarien begrenzt, die schnelle Starts oder schnelle Geschwindigkeitswechsel erfordern. Dennoch zielen laufende technologische Innovationen darauf ab, diese Herausforderungen zu überwinden und TASEs als entscheidende Komponente für High‑Tech‑Raumfahrtoperationen und darüber hinaus zu positionieren.
