Διάστημα
Φιλικά προς το Περιβάλλον και Αποδοτικά: Πώς οι Θερμοακουστικές Μηχανές Stirling Αλλάζουν το Παιχνίδι της Αεροδιαστημικής
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Οι Θερμοακουστικές Μηχανές Stirling (TASE) μπορεί να ακούγονται πολύπλοκες για να τις κατανοήσει κανείς σε μία προσπάθεια. Ωστόσο, στην αρχή, είναι ακουστικά ισοδύναμα των μηχανών Stirling. Συνεπώς, πριν εμβαθύνουμε περισσότερο στα TASE, πρέπει να ξεκινήσουμε με τις Μηχανές Stirling.
Τι είναι η Μηχανή Stirling;
Το όνομα προέρχεται από τον εφευρέτη της, Ρέβεραντ Ρόμπερτ Stirling, ο οποίος δημιούργησε μια εξωτερική θερμική μηχανή που διαφέρει σημαντικά από τις παραδοσιακές εσωτερικές μηχανές καύσης που χρησιμοποιούνται στα αυτοκίνητα. Διαφέρει στη χρήση του κύκλου ανάδευσης, ο οποίος έχει τρία βασικά χαρακτηριστικά.
- Τα αέρια που χρησιμοποιούνται μέσα σε μια μηχανή Stirling δεν αφήνουν ποτέ τη μηχανή. Σε αντίθεση με τις βενζινοκίνητες ή πετρελαιοκίνητες μηχανές, αυτές οι μηχανές δεν διαθέτουν βαλβίδες εξαγωγής για την απελευθέρωση αερίων υψηλής πίεσης. Δεν συμβαίνουν επίσης εκρήξεις. Συνεπώς, οι μηχανές Stirling είναι πολύ ήσυχες.
- Καθώς δεν είναι εσωτερική μηχανή καύσης, απαιτεί εξωτερική πηγή θερμότητας. Αυτή η πηγή θερμότητας μπορεί να είναι ηλιακές ακτίνες, γεωθερμική θερμότητα, βενζίνη ή ηλιακή ενέργεια. Η θερμότητα μπορεί ακόμη και να προέρχεται από ένα αποσυνθλούμενο φυτό.
- Τέλος, το μόνο που χρειάζεται είναι ένας τροχός-προπέλα με ήπια περιστροφή για να ξεκινήσει η μηχανή.
Σε αυτή την παράδοση κατασκευής μηχανών Stirling εμφανίζονται οι Θερμοακουστικές Μηχανές Stirling ή TASE, τα ακουστικά ισοδύναμα των μηχανών Stirling.
TASEs: Τα Ακουστικά Ισοδύναμα των Μηχανών Stirling
Οι Θερμοακουστικές Μηχανές Stirling έχουν κερδίσει έδαφος και προσοχή στον τομέα της επιστημονικής έρευνας λόγω του χαμηλού κόστους κατασκευής, της υψηλής αποδοτικότητας, των χαρακτηριστικών χωρίς συντήρηση και της δυνατότητας αυτόματης εκκίνησης.
Μία από τις πιο δημοφιλείς κατηγορίες των Θερμοακουστικών Μηχανών Stirling είναι οι Θερμοακουστικές Μηχανές Θερμότητας Stirling ή TASHE. Αυτές οι συσκευές μπορούν να μετατρέψουν τη θερμότητα σε ακουστική ενέργεια με πολύ υψηλό ποσοστό αποδοτικότητας. Το δυναμικό τους βασίζεται στο γεγονός ότι δεν περιλαμβάνουν κινούμενα μέρη και τα εξαρτήματα είναι σχετικά απλά. Αυτά τα συστήματα είναι λιγότερο δαπανηρά στην κατασκευή και τη συντήρηση. Προτιμώνται από πολλούς ως μέσο παραγωγής καθαρής και αποτελεσματικής ενέργειας.
Πώς Λειτουργούν τα TASHE;
Η διαδικασία μετατροπής ενέργειας σε αυτές τις μηχανές συμβαίνει στον αναγεννητήρα. Ένας αναγεννητήρας είναι ένα πορώδες μεταλλικό μπλοκ μεταξύ ενός θερμού εναλλάκτη θερμότητας (HHX) και ενός ψυχρού ή περιβάλλοντος εναλλάκτη θερμότητας. Η τοποθέτηση στα δύο άκρα βοηθά στη διατήρηση μιας μέσης διαφοράς θερμοκρασίας στην αξονική κατεύθυνση. Οι ακουστικά κύματα που διαδίδονται μέσα από αυτόν – με τη σωστή φάση – μπορούν να ενισχυθούν από μια θερμοδυναμική διαδικασία που μοιάζει με τον κύκλο Stirling.
Γιατί είναι Ωφέλιμες οι Θερμοακουστικές Μηχανές Stirling;
Η σπανιότητα των ορυκτών καυσίμων αποτελεί πρόκληση για την ανθρωπότητα στο κοντινό μέλλον. Τα ορυκτά καύσιμα δεν είναι επίσης ωφέλιμα για την υγεία του πλανήτη και συνοδεύονται από πληθώρα ζητημάτων βιωσιμότητας.
Οι επιστημονικές κοινότητες έχουν συζητώντας τη χρήση εναλλακτικών πηγών καυσίμου, συμπεριλαμβανομένης της ηλιακής ενέργειας, της γεωθερμικής ενέργειας, των βιοκαυσίμων/βιομάζας, των ραδιοϊσοτοπών και άλλων.
Σε αυτό το σενάριο, οι μηχανές Stirling έχουν δείξει καλά αποτελέσματα λόγω της υψηλής αποδοτικότητάς τους, του κλειστού θερμοδυναμικού κύκλου, της αθόρυβης λειτουργίας, του χαμηλού κραδασμού, της μεγάλης διάρκειας ζωής λειτουργίας και της χαμηλής συντήρησης.
Μπορεί να υπάρχουν δύο τύποι μηχανών Stirling: οι συμβατικές και οι προχωρημένες.
Η Εξέλιξη των Θερμοακουστικών Μηχανών Stirling: Οι Καινοτομίες και οι Σημαντικές Προόδους
Η γνώση του ιστορικού των TASE είναι κρίσιμη για την κατανόηση του πώς εξυπηρετούν τον σκοπό τους και ποια είναι η φύση της τεχνολογίας.
Έχουμε ήδη συζητήσει για τα ακουστικά κύματα που περνούν μέσω της διαβάθμισης μεταξύ των θερμών και ψυχρών ή περιβάλλοντος εναλλάκτες θερμότητας στα δύο άκρα.
Μέχρι τη δεκαετία του 1980, η αποδοτικότητα των περισσότερων σχεδίων σε αυτόν τον τομέα συνήθως δεν ξεπερνούσε το 5%. Σημειώνοντας ένα σημείο καμπής το 1979, μια σημαντική πρόοδος επιτεύχθηκε από τον Ceperley. Έδειξε ότι τα κυμαινόμενα κύματα μπορούν να εξάγουν ακουστική ενέργεια πιο αποδοτικά, κάτι που οδήγησε στη σύλληψη του σχεδίου των ταξιδιωτικών κυμάτων TASHE που χρησιμοποιούνται σήμερα.
Αυτό που συμβαίνει σε αυτό το πιο αποδοτικό σχήμα είναι ότι μέρος της παραγόμενης ακουστικής ενέργειας επιστρέφει στον αναγεννητήρα μέσω κάποιας μορφής βρόχου ανάδρασης και, εν μέρει, κατευθύνεται προς έναν αντήχηση για εξαγωγή ενέργειας.
Η πρώτη δεκαετία του χιλιετησίου είδε περαιτέρω βελτίωση στην τεχνολογία πίσω από τα TASHE. Το 2011, οι Tijani & Spolestra σχεδίασαν ένα ταξιδιωτικό κύμα TASHE που πέτυχε μια αξιοσημείωτη συνολική αποδοτικότητα του 49% του ορίου Carnot. Για να προσθέσουμε πλαίσιο, το Όριο Carnot θέτει ένα απόλυτο όριο στην αποδοτικότητα με την οποία η θερμική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμη εργασία.
Στην πιο πρόσφατη ανάπτυξη στον τομέα των TASE, η Κίνα πρόσφατα ανέπτυξε έναν υψηλής αποδοτικότητας θερμοακουστικό γεννήτρια Stirling, η οποία μπορεί να παραγάγει 140 ίππους ή 102 kW ισχύος από πηγή θερμότητας 986 βαθμών Φαρενάιτ. Η ανάπτυξη προήλθε από ερευνητές του Τεχνικού Ινστιτούτου Φυσικής και Χημείας του Κινέζικου Ακαδημαϊκού Ινστιτούτου. Ήταν η πρώτη φορά που μια τέτοια γεννήτρια Stirling μπορούσε να ξεπεράσει τα 134 ίππους ή 100 kW ισχύος.
Αυτή η κινεζική καινοτομία θεωρείται από πολλούς ως πιθανός παράγοντας αλλαγής του παιχνιδιού λόγω της ευελιξίας της. Μπορεί να λειτουργήσει με μια σειρά διαφορετικών πηγών θερμότητας και θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο παραγωγής ενέργειας, παρέχοντας λύσεις για διάφορες ενεργειακές ανάγκες.
Σύμφωνα με την ομάδα που την ανέπτυξε, η αξιοπιστία της, ο απλός σχεδιασμός και η συμβατότητα με διάφορες πηγές θερμότητας μπορούν να την κάνουν ανταγωνιστική με την αποδοτικότητα των ατμοτουρμπίνας. Ο σχεδιασμός του κινητήρα αφαιρεί τις δονήσεις από το σύστημα και βοηθά στη διατήρηση αεροστεγούς σφραγίσματος. Η καινοτομία θα μπορούσε να βοηθήσει τη Κίνα να δημιουργήσει υπερ-ήσυχες, μη πυρηνικές υποβρύχιες.
Μια άλλη μελέτη του 2017 πρότεινε την παραγωγή ενέργειας με Θερμοακουστική Stirling από την ψυχρή ενέργεια του υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) και τη χαμηλής θερμοκρασίας απόβλητη θερμότητα. Η μελέτη οδήγησε στον σχεδιασμό ενός θερμοακουστικού γεννήτριας Stirling που λειτουργεί με αέριο ήλιο 4 MPa και μπορεί να παράγει 2,3 kW ηλεκτρικής ενέργειας με τη μέγιστη απόδοση εξέργειας 0,253 όταν τα ψυχρά και θερμά άκρα διατηρούνται στους 110 K και 500 K.
Η εξέλιξη της Θερμοακουστικής Μηχανής Stirling ως λύση για την εισαγωγή υψηλότερων επιπέδων ενεργειακής αποδοτικότητας έχει μελετηθεί στενά από ερευνητές και κορυφαίους τεχνολόγους παγκοσμίως. Και έχει γίνει πολύ δουλειά στον τομέα των λύσεων μεγάλων επιχειρήσεων.
Οργανισμοί που Εκμεταλλεύονται τις Θερμοακουστικές Μηχανές Stirling
1. NASA
Η NASA έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στον τομέα των Θερμοακουστικών Μηχανών Stirling. Η λύση, γνωστή ως Μετατροπέας Θερμοακουστικής Ισχύος Stirling και Μαγνητοστρεπτικός Εναλλάκτης, εξαλείφει όλα τα κινούμενα μέρη για μέγιστη αποδοτικότητα και αξιοπιστία.
Νέα Τεχνολογία που Αναπτύχθηκε από το Κέντρο Έρευνας Glenn της NASA
Αυτή η τεχνολογία καθιστά τις μηχανές Stirling πιο αποδοτικές και λιγότερο δαπανηρές. Εκμεταλλεύεται μετατροπείς θερμοακουστικής ισχύος όπου ο ήχος χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια. Το σύστημα χρησιμοποιεί πιέσεις και ταλαντώσεις όγκου που προκαλούνται από τη θερμότητα από θερμοακουστικές πηγές για την τροφοδοσία πιεζοηλεκτρικών εναλλάκτών ή άλλων τεχνολογιών μετατροπής ενέργειας. Αυτή η συσκευή είναι ικανή να παράγει ηλεκτρισμό με απαράμιλλη αποδοτικότητα.
Η επίδραση της καινοτομίας της NASA ήταν εκτεταμένη. Ο μετατροπέας θερμοακουστικής ισχύος έχει βοηθήσει στην αναδιαμόρφωση της συμβατικής μηχανής Stirling από σχήμα δακτυλίου σε ευθεία γραμμική διάταξη. Αυτή η καινοτομία εξασφαλίζει ότι τα μελλοντικά συστήματα δεν θα χρειάζεται να εξαρτώνται από μηχανικές σωληνώσεις ευάλωτες σε αποτυχίες. Ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας ακουστική αντήχηση με ηλεκτρονικά εξαρτήματα.
Η καινοτομία έχει οδηγήσει σε κάτι αποδοτικό, αξιόπιστο, χαμηλού κόστους, συμπαγές και ευέλικτο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κατανεμημένη παραγωγή και οικιακά συστήματα ενέργειας, συστήματα συνδυασμένης θερμότητας και ισχύος, παραγωγή συγκεντρωτικής ηλιακής ενέργειας, υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα, συστήματα ψύξης, αντλίες θερμότητας, υποβρύχια και θαλάσσια συστήματα ενέργειας, καθώς και βοηθητικές μονάδες ισχύος.
2. SpaceX
Υπάρχει μεγάλη πιθανότητα η SpaceX (SPCX ), ένας άλλος γίγαντας της διαστημικής και αεροπορικής τεχνολογίας, να εξερευνήσει σύντομα τα TASE. Αυτό θα μπορούσε να τους βοηθήσει να επιτύχουν αυξημένη αποδοτικότητα στη μετατροπή της θερμότητας σε μηχανική εργασία.
Το χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης θα μπορούσε να οδηγήσει στην παραγωγή ελαφρύτερων διαστημοπλοίων με χαμηλότερο κόστος. Θα βοηθήσει επίσης τη SpaceX να διαχειρίζεται τη θερμότητα αποτελεσματικά, με ενισχυμένες δυνατότητες παραγωγής ενέργειας σε αποστολές βαθιάς διαστήματος.
Σύμφωνα με αναφορές που δημοσιεύτηκαν στα μέσα Αυγούστου 2023, τα αυξανόμενα έσοδα της SpaceX την έκαναν κερδοφόρα το πρώτο τρίμηνο του 2023 μετά από δύο ετήσιες ζημίες. Η εταιρεία που ανήκει στον Έλον Μασκ κέρδισε 55 εκατομμύρια δολάρια κέρδος επί 1,5 δισεκατομμυρίων δολαρίων εσόδων κατά την περίοδο Ιανουαρίου-Μαρτίου. Εκτιμήθηκε σχεδόν στα 150 δισεκατομμύρια δολάρια σε πρόσφατη πώληση μετοχών από υπαλλήλους.
3. Sierra Lobo, Inc.
Με έδρα το Fremont, Ohio, η Sierra Lobo, Inc., παρέχει εξειδικευμένες υπηρεσίες δοκιμών, αξιολόγησης και μηχανικής στον χώρο του διαστήματος και της αεροδιαστημικής παγκοσμίως. Έχει αναπτύξει πλήρεις θερμοακουστικές μηχανές Stirling που μπορούν να λειτουργούν με ποικίλες πηγές ενέργειας/θερμότητας, με υψηλή αποδοτικότητα και αξιοπιστία, χωρίς κινούμενα μέρη. Είναι συμπαγής και κλιμακώσιμος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαστημικές εφαρμογές λόγω της ανεξαρτησίας του από τη βαρύτητα.
Αυτές οι μηχανές θερμότητας αναμένεται να βρουν εφαρμογές σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ακουστικής ισχύος και κυμάτων πίεσης καθώς και της ηλεκτρικής παραγωγής για εφαρμογές στη γη, υποβρύχια και διαστημικές. Μπορεί ταυτόχρονα να παράγει ηλεκτρική και ψυκτική ισχύ, να κινήσει έναν γραμμικό εναλλάκτη για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και ψυγείο και κρυοψυκτικό για παραγωγή ψύξης.
Προκλήσεις και Ευκαιρίες στο Μέλλον
Οι Θερμοακουστικές Μηχανές Θερμότητας Stirling (TASE), μια συγκεκριμένη κατηγορία μηχανών Stirling, έχουν δείξει μεγάλο δυναμικό στην ανάπτυξη πηγών ενέργειας κατάλληλων για ταξίδια σε βαθύ διάστημα. Η NASA, ιδιαίτερα μέσω του Κέντρου Έρευνας Glenn, βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της αξιοποίησης των χαρακτηριστικών αποδοτικότητας και χαμηλής συντήρησης της τεχνολογίας. Αναμένεται αυτή η τεχνολογία να προοδεύσει περαιτέρω, υποστηρίζοντας συστήματα ενέργειας που θα μπορούσαν να είναι καθοριστικά σε πολυάριθμα διαστημικά προγράμματα εξερεύνησης, ενδεχομένως συμπεριλαμβανομένης της τροφοδοσίας βάσεων στη Σελήνη και τον Άρη.
Αυτές οι μηχανές προτιμώνται για την ικανότητά τους να προσφέρουν πολύ υψηλή απόδοση θερμότητας-σε-ηλεκτρισμό σε σύγκριση με άλλες μηχανές θερμότητας. Η απουσία συστημάτων ρουλεμάν και κινούμενων μερών στα TASE μειώνει σημαντικά τον κίνδυνο αποτυχίας και τα έξοδα κατασκευής.
Ωστόσο, για να γίνουν η πιο προτιμώμενη επιλογή, απαιτείται ακόμη σημαντική εργασία στη βελτίωση αυτής της τεχνολογίας. Τα TASE αντιμετωπίζουν σήμερα προκλήσεις όσον αφορά τον όγκο και το βάρος, κυρίως επειδή ο σχεδιασμός τους, που περιλαμβάνει εναλλάκτες θερμότητας στα θερμά και ψυχρά σημεία, οδηγεί σε πιο ογκώδη και βαρύτερη κατασκευή σε σύγκριση με τις παραδοσιακές εσωτερικές μηχανές καύσης με ισοδύναμη ισχύ.
Επιπλέον, τα TASE συχνά αντιμετωπίζουν δυσκολίες με αργή εκκίνηση λόγω της εγγενούς θερμικής αδράνειας. Η εφαρμογή τους είναι περιορισμένη σε σενάρια που απαιτούν γρήγορη εκκίνηση ή γρήγορες αλλαγές ταχύτητας. Παρόλα αυτά, οι τρέχουσες τεχνολογικές καινοτομίες στοχεύουν στην υπέρβαση αυτών των προκλήσεων, τοποθετώντας τα TASE ως κρίσιμο στοιχείο για υψηλής τεχνολογίας διαστημικές λειτουργίες και πέραν αυτών.
