Ekologisesti kestävä ja tehokas: Miten Thermoakustiset Stirling-moottorit muuttavat avaruusteollisuuden pelisäännöt

Thermoakustiset Stirling-moottorit (TASE) saattavat kuulostaa paljolta yhdellä kertaa. Mutta periaatteessa ne ovat akustisia vastineita Stirling-moottoreille. Ennen kuin ryhdytään tutkimaan TASEja tarkemmin, on aloittava Stirling-moottorien parissa.

Mitä on Stirling-moottori?

Nimi tulee keksijänsä, pastori Robert Stirlingin, joka kehitti ulkoisen lämpömoottorin, joka poikkesi perinteisistä sisäpolttomoottoreista, joita käytetään autoissa. Se on erilainen sen käytön vuoksi, jossa on kolme keskeistä piirrettä.

• Kaasut, jotka käytetään Stirling-moottorissa, eivät poistu moottorista. Toisin kuin bensiini- tai dieselmoottorit, nämä moottorit eivät ole pakoventtiilejä, joilla poistettaisiin korkeapaineisia kaasuja. Niissä ei myöskään ole räjähdysilmiöitä. Tämän seurauksena Stirling-moottorit ovat erittäin hiljaisia.
• Koska se ei ole sisäpolttomoottori, se vaatii ulkoisen lämmönlähteen. Ja se lämmönlähteenä voi olla auringonsäteet, geoterminen lämpö, bensiini tai aurinkoenergia. Lämpö voi tulla jopa mädäntyneestä kasvista.
• Lopulta, ainoastaan tarvitaan potkuri, jossa on pehmeä pyörintä, jotta moottori käynnistyy.

Tässä Stirling-moottorien perinteessä on Thermoakustiset Stirling-moottorit eli TASEt, akustiset vastineet Stirling-moottoreille.

TASEt: Akustiset Vastineet Stirling-moottoreille

Thermoakustiset Stirling-moottorit ovat saaneet lisää vauhtia ja huomiota tieteellisessä tutkimuksessa niiden matalan valmistuskustannuksen, korkean hyötysuhteen, ylläpitoon vaativuuden ja itsestään käynnistyvien ominaisuuksiensa vuoksi.

Yksi suosituimmista Thermoakustisten Stirling-moottorien luokista ovat Thermoakustiset Stirling-lämpömoottorit eli TASHEt. Nämä laitteet voivat muuttaa lämmön akustiseksi voimaksi erittäin korkealla hyötysuhteella. Sen potentiaali perustuu siihen, että siinä ei ole liikkuvia osia, ja komponentit ovat suhteellisen yksinkertaisia. Nämä järjestelmät ovat vähemmän kalliita valmistaa ja ylläpitää. Se on monien mielestä tapa tuottaa puhdas ja tehokas energia.

Kuinka TASHEt Toimivat?

Energian muunnosprosessi näissä moottoreissa tapahtuu regeneroimisessa. Regeneroija on huokoinen metallinen lohko kuuman lämmönsiirtimen (HHX) ja kylmän tai ympäristön lämmönsiirtimen välissä. Tällaiset sijoittelut molemmilla puolilla auttavat ylläpitämään keskimääräisen lämpötilagradientin aksiaalisen suunnan mukaisesti. Akustiset aallot, jotka leviävät siinä – oikealla vaiheella – voidaan tehostaa termodynaamisella prosessilla, joka muistuttaa Stirling-kiertoa.

Miksi Thermoakustiset Stirling-moottorit ovat Hyödyllisiä?

Fossiilisten polttoaineiden niukkuus on haaste, jota ihmiskunta kohtaa lähitulevaisuudessa. Fossiiliset polttoaineet eivät myöskään ole hyödyllisiä planeetan terveydelle ja niiden käytössä on joukko kestävyyden ongelmia.

Tieteelliset yhteisöt ovat harkitsevat vaihtoehtoisten polttoaineiden käyttöä, mukaan lukien aurinkoenergiaa, geoterminen energiaa, biofuels/biomassaa, radioisotooppeja ja muita.

Tässä tilanteessa Stirling-moottorit ovat osoittaneet hyviä tuloksia niiden korkean hyötysuhteen, suljetun termodynaamisen kierron, hiljaisen toiminnan, matalan tärinän, pitkän käyttöiän ja matalan ylläpidon vuoksi.

Stirling-moottoreita voi olla kahta tyyppiä: perinteisiä ja edistyneitä.

Thermoakustisten Stirling-moottorien Evoluutio: Innovoinnit ja Läpimurrot

On tärkeää tietää TASEjen historia, jotta voidaan ymmärtää, miten ne palvelevat tarkoitustaan ja mitä teknologian luonne on.

Olemme jo puhuneet akustisista aalloista, jotka kulkevat lämpötilagradientin kautta kuumien ja kylmien tai ympäristön lämmönsiirtimien välillä.

1980-luvulle asti useimpien suunnitelmien hyötysuhde tässä alalla yleensä ei ylittänyt 5 %. Merkittävä läpimurto saavutettiin vuonna 1979, kun Ceperley osoitti, että liikkuvat aallot voivat poistaa akustista energiaa tehokkaammin, mikä johti matkalla olevien TASHEiden suunnittelukäsitteeseen, jota käytetään nykyään.

Tässä tehokkaammassa järjestelmässä osa tuotetusta akustisesta voimasta menee takaisin regeneroijaan jonkinlaisten palautekanavien kautta ja osittain suunnataan resonatorille energian poistamiseksi.

Vuosituhannen ensimmäinen vuosikymmen näki edelleen teknologian parantamista TASHEissa. Vuonna 2011 Tijani & Spolestra suunnittelivat matkalla olevan TASHE:n, joka saavutti merkittävän kokonaishyötysuhteen 49% Carnotin rajan mukaan. Lisätäksemme kontekstia, Carnotin raja asettaa ehdottoman rajan sille, kuinka tehokkaasti lämpöenergiaa voidaan muuttaa hyödylliseksi työksi.

Viimeisimmässä kehityksessä TASEjen alalla Kiina kehitti korkean hyötysuhteen thermoakustisen Stirling-generaattorin, joka voi tuottaa 140 hv tai 102 kW:n tehon 986 asteen Fahrenheitin lämmönlähteestä. Kehitys tuli Kiinan tiedeakatemian Fysiikan ja kemian teknillisestä instituutista. Se oli ensimmäinen kerta, kun tällainen Stirling-generaattori pystyi ylittämään 134 hv tai 100 kW:n tehon.

Tämä Kiinan innovaatio nähdään useiden mielestä potentiaalisena pelinmuuttajana sen monikäyttöisyyden vuoksi. Se voi toimia useiden erilaisten lämmönlähteiden kanssa ja voi muuttaa, miten energiaa tuotetaan, ja tarjota ratkaisuja erilaisiin energiantarpeisiin.

Innovaatioryhmän mukaan sen luotettavuus, yksinkertainen suunnittelu ja yhteensopivuus erilaisten lämmönlähteiden kanssa voivat tehdä siitä kilpailijan höyryturbiinien tehokkuudelle. Moottorin suunnittelu poistaa järjestelmästä tärinät ja auttaa ylläpitämään ilmatiiviin sinetin. Innovointi voi auttaa tekemään Kiinasta erittäin hiljaisen, ei-ydinpohjaisen sukellusveneen.

Toinen vuoden 2017 tutkimus ehdotti thermoakustista Stirling-voimantuotantoa LNG-kylmästä energiasta ja matalalämpöisestä jäännösenergiasta. Tutkimuksen tuloksena suunniteltiin thermoakustinen Stirling-generaattori, joka toimi 4 MPa heliumkaasulla ja pystyi tuottamaan 2,3 kW:n sähkövirtaa korkeimmalla eksenergiatehokkuudella 0,253, kun kylmä ja kuuma pää olivat 110 K ja 500 K.

Thermoakustisen Stirling-moottorin evoluutio korkeamman energiatehokkuuden ratkaisuna on ollut tarkkaan tutkittu tutkijoilla ja huipputeknologioilla ympäri maailmaa. Ja paljon työtä on tehty suurten yritysratkaisujen kehittämiseksi.

Organisaatiot, jotka hyödyntävät Thermoakustisia Stirling-moottoreita

1. NASA

NASA on tehnyt merkittävää edistystä Thermoakustisten Stirling-moottorien alalla. Ratkaisu, joka tunnetaan Stirling-thermoakustisena voimamuunnoksena ja magnetostrictiivisena alternatorina, poistaa kaikki liikkuvat osat maksimaaliseen tehokkuuteen ja luotettavuuteen.

NASA:n Glennin tutkimuskeskuksen kehittämä uusi teknologia

Tämä teknologia tekee Stirling-moottoreista tehokkaampia ja vähemmän kalliita. Se hyödyntää thermoakustisia voimamuunnoksia, joissa ääntä käytetään lämmön muuttamiseen sähköksi. Järjestelmä käyttää lämmön aiheuttamia paineita ja tilavuusvaihteluita thermoakustisista lähteistä voimakkaampiin piezoelektrisiin alternatorien tai muiden voimamuunnosteknologioiden voimakkaampaan toimintaan. Tämä laite pystyy tuottamaan sähköä vertaamattomalla tehokkuudella.

NASA:n innovaation vaikutus on ollut laaja-alainen. Thermoakustinen voimamuunnin on auttanut muokkaamaan perinteisen Stirling-moottorin toroidisesta muodosta suoraan lineaariseen järjestelmään. Tämä innovaatio takaa, että järjestelmät eivät enää riipu epäluotettavista mekaanisista inertian ja mukautumistubeista. Tavoitteeseen voidaan päästä käyttämällä akustista resonanssia käyttämällä elektroniikkaa.

Innovaatio on johtanut tehokkaaseen, luotettavaan, edulliseen, kompaktiin ja monikäyttöiseen ratkaisuun. Sitä voidaan käyttää hajautetussa energiantuotannossa ja asuinrakennusten sähköjärjestelmissä, yhdistetyssä lämpö- ja sähköntuotannossa, keskittetyssä aurinkosähköntuotannossa, hybridi-sähköajoneuvoissa, jäähdytysjärjestelmissä, lämpöpumppuissa, meri- ja merenalaisissa voimajärjestelmissä ja apuvoimayksiköissä.

2. SpaceX

On suuri todennäköisyys, että SpaceX, toinen avaruus- ja ilmailuteknologian jätti, tutkii TASEja pian. Se voi auttaa heitä saavuttamaan parannetun tehokkuuden lämmön muuttamisessa mekaaniseksi työksi.

Matalat valmistus- ja ylläpitokustannukset voivat johtaa kevyempien avaruusalusten tuottamiseen alhaisemmilla kustannuksilla. Se auttaisi myös SpaceX:ia hallitsemaan lämpöä tehokkaammin ja parantamaan sähköntuotannon kykyjä syvissä avaruusmatkoissa.

Raporttien mukaan julkaistu elokuun 2023 aikana, SpaceX:n kasvava tulo on tehnyt siitä voitollisen ensimmäisellä neljänneksellä 2023, kahden vuoden tappioiden jälkeen. Elon Muskin omistama yhtiö tuotti 55 miljoonan dollarin voiton 1,5 miljardin dollarin tuotolla tammikuun ja maaliskuun välisenä aikana. Se arvioitiin lähes 150 miljardiin dollariin viimeisimmässä osakekaupassa.

3. Sierra Lobo, Inc.

Ohioon, Fremontiin, perustettu Sierra Lobo, Inc., tarjoaa erikoistuneita avaruus- ja ilmailuteknisiä testi-, arviointi- ja insinööripalveluita maailmanlaajuisesti. Se on kehittänyt täysimittaisia thermoakustisia Stirling-lämpömoottoreita, jotka voivat toimia useiden erilaisten voiman/lämmönlähteiden kanssa, korkealla tehokkuudella ja luotettavuudella, ilman liikkuvia osia. Ne ovat kompakteja ja skaalattavissa ja voidaan käyttää avaruussovelluksissa niiden painovoimasta riippumattoman toiminnan vuoksi.

Nämä lämpömoottorit ovat odottamassa sovelluksia monilla aloilla, mukaan lukien akustinen voima ja paineaaltojen tuottaminen sekä sähköntuotanto maanpäällisissä, merenalaisten ja avaruussovelluksissa. Ne voivat tuottaa samanaikaisesti sähkö- ja jäähdytysvoimaa, ajaa lineaarista alternatoria sähköntuotantoon ja jääkaappia tai kryo-jääkaappia jäähdytysvoiman tuottamiseen.

Haasteet ja Mahdollisuudet Tulevaisuudessa

Thermoakustiset Stirling-lämpömoottorit (TASEt), eräs Stirling-moottorien kategoriasta, ovat osoittaneet suurta potentiaalia kehittäämään voimanlähteitä, jotka soveltuvat syvään avaruusmatkailuun. NASA, erityisesti sen Glennin tutkimuskeskuksella, on ollut edelläkävijänä hyödyntämässä teknologian tehokkuutta ja matalaa ylläpitoa.

Tämä teknologia on odottamassa edelleen kehittymistä, tukien voimajärjestelmiä, jotka voisivat olla ratkaisevia useissa avaruustutkimushankkeissa, mahdollisesti mukaan lukien Kuun ja Marsin tukikohdien voimantuotannon.

Nämä moottorit ovat suosittuja niiden erittäin korkean lämpö-sähkötehokkuuden vuoksi verrattuna muihin lämpömoottoreihin. Liikkuvien osien ja mukautumistubeiden puute TASEissa vähentää merkittävästi vikojen ja valmistuskustannusten riskiä.

Kuitenkin, jotta ne voisivat olla eniten suosittuja, on vielä paljon työtä tehtävä niiden kehittämiseksi. TASEt kohtaavat haasteita tilavuuden ja painon kanssa, lähinnä sen suunnittelun vuoksi, joka sisältää lämmönsiirtimet sekä kuumassa että kylmässä päässä, mikä johtaa paksumpaan ja raskaamman muotoon verrattuna perinteisiin sisäpolttomoottoreihin, joilla on vastaava teho.

Lisäksi TASEt kohtaavat usein haasteita hitaamman käynnistyksen vuoksi sisäisestä lämpöjäykkyysistä. Niiden soveltaminen on rajoitettua tilanteissa, joissa vaaditaan nopeita käynnistyksiä tai nopeita nopeuden muutoksia. Kuitenkin jatkuva teknologinen innovaatio pyrkii voittamaan nämä haasteet, asettamalla TASEt tärkeäksi osaksi korkean teknologian avaruusoperaatioita ja sen ulkopuolella.

Klikkaa tästä listaa 10 teknologiaosakkeesta, jotka ovat valmiina tulevaan kasvuun.