宇宙
エコフレンドリーで効率的：熱音響スターリングエンジンが宇宙航空産業を変革する方法
熱音響スターリングエンジン（Thermoacoustic Stirling Engines、TASE）という名前は、最初に聞くだけで多くのことを飲み込むように感じるかもしれません。しかし、原理的には、スターリングエンジンの音響相当物です。したがって、TASEについてより深く理解する前に、スターリングエンジンから始める必要があります。
スターリングエンジンとは何か?
この名前は、発明者であるロバート・スターリング牧師に由来します。彼は、自動車で使用される従来の内燃機関とは異なる、外部熱エンジンを開発しました。それは、攪拌サイクルを使用する点で異なります。このサイクルには、3つの主要な特徴があります。
- スターリングエンジン内部で使用されるガスは、エンジンから出ることはありません。ガソリンエンジンやディーゼルエンジンとは異なり、排気バルブで高圧ガスを排出する必要はありません。爆発も発生しません。結果として、スターリングエンジンは非常に静かです。
- 内部燃焼エンジンではないため、外部熱源が必要です。この熱源は、太陽の光、地熱、ガソリン、または太陽エネルギーになります。熱源は、腐敗した植物からも得られます。
- 最後に、エンジンを始めるために、プロペラの軽い回転だけが必要です。
スターリングエンジンのこの伝統に従って、熱音響スターリングエンジン（Thermoacoustic Stirling Engines、TASE）が開発されました。これは、スターリングエンジンの音響相当物です。
TASE：スターリングエンジンの音響相当物
熱音響スターリングエンジンは、低コストの製造、効率の高さ、メンテナンスフリーの特徴、自己開始能力により、科学研究の分野で注目されています。
熱音響スターリングエンジンの最も人気のあるカテゴリの1つは、熱音響スターリング熱エンジン（Thermoacoustic Stirling Heat Engines、TASHE）です。これらの装置は、高効率率で熱を音響パワーに変換できます。その潜在能力は、移動部品を必要とせず、構成要素が比較的単純であることです。これらのシステムは、製造および保守のコストが低いため、クリーンで効果的なエネルギーを生成するための手段として多くの人に好まれます。
TASHEの動作原理
これらのエンジンのエネルギー変換プロセスは、再生器で発生します。再生器は、熱交換器（HHX）と冷たいまたは周囲の熱交換器の間にある多孔性金属ブロックです。このような配置は、軸方向に平均温度勾配を維持するのに役立ちます。適切な位相を持つ音響波は、スターリングサイクルに似た熱力学的プロセスによって増幅できます。
熱音響スターリングエンジンの利点
化石燃料の不足は、人類が近い将来に直面する課題です。化石燃料は、地球の健康にも有害であり、持続可能性に関する多くの懸念があります。
科学コミュニティは、代替燃料源の使用を検討してきました。これには、太陽エネルギー、地熱エネルギー、バイオ燃料/バイオマス、放射性同位体などが含まれます。
このシナリオでは、スターリングエンジンは、高効率、閉じた熱力学サイクル、静かな動作、低振動、長い運用寿命、低メンテナンス性により、良い結果を示しています。
スターリングエンジンには、2つのタイプがあります。従来のものと先進的なものです。
熱音響スターリングエンジンの進化：革新とブレークスルー
TASEの歴史を知ることは、その目的を理解し、技術の性質を理解する上で非常に重要です。
すでに、熱交換器の2つの側面にある勾配を通過する音響波について説明しました。
1980年代まで、この分野のほとんどの設計の効率は5%を超えることはありませんでした。1979年に、Ceperleyによって重要なブレークスルーが達成され、移動波は音響エネルギーをより効率的に抽出できることが示され、現在使用されている移動波TASHEの設計概念が生まれました。
このより効率的なスキームでは、生成される音響パワーの一部が、フィードバックループを介して再生器に戻り、部分的にはエネルギー抽出のために共振器に向けられます。
2000年代初頭には、TASHEの技術がさらに改善されました。2011年、TijaniとSpolestraは、49%のカーノー限界の全体的な効率を達成した移動波TASHEを設計しました。コンテキストを追加すると、カーノー限界は、熱エネルギーを有用な仕事に変換できる効率の絶対的な限界を設定します。
TASEの最新の開発では、中国は986°Fの熱源から102 kWの電力を供給できる高効率の熱音響スターリング発電機を開発しました。この開発は、中国科学院の物理化学技術研究所の研究者によって行われました。これは、初めてスターリング発電機が100 kWの電力を超えたことです。
この中国の革新は、多くの人によって潜在的なゲームチェンジャーと見なされています。さまざまな熱源と組み合わせて使用でき、エネルギー生成の方法を変える可能性があり、さまざまなエネルギー需要に対する解決策を提供します。
開発チームによると、その信頼性、シンプルな設計、さまざまな熱源との互換性により、蒸気タービンの効率と競合できる可能性があります。モーターの設計は、システムから振動を除去し、気密シールを維持するのに役立ちます。この革新は、中国の超静音、非核潜水艦の開発に役立つ可能性があります。
2017年の別の研究では、LNGの冷エネルギーと低温廃熱から熱音響スターリング発電を提案しました。研究により、4 MPaヘリウムガスを使用して2.3 kWの電力を生成する熱音響スターリング発電機の設計が行われ、冷側と熱側がそれぞれ110 Kと500 Kに維持されたときに、0.253の最高エクセリーエフィシエンシーが達成されました。
熱音響スターリングエンジンの進化は、エネルギー効率の高い解決策を提供するために、研究者や高端テクノロジーによって近く注視されてきました。大量の企業向け解決策のフロントでも多くの作業が行われてきました。
熱音響スターリングエンジンを利用する組織
1. NASA
NASAは、熱音響スターリングエンジンの分野で重大な進歩を遂げてきました。スターリング熱音響パワーコンバータと磁気歪み交流発電機という解決策は、最大の効率と信頼性を実現するために、すべての移動部品を排除します。
NASAのグレン研究センターによって開発された新しい技術
この技術により、スターリングエンジンがより効率的で低コストになります。熱音響パワーコンバータを利用し、音を使用して熱を電力に変換します。システムは、熱駆動の圧力と体積の振動を使用して、圧電式交流発電機またはその他のパワーコンバータ技術を駆動します。このデバイスは、前例のない効率で電力を生成できます。
NASAの革新の影響は、広範囲にわたります。熱音響パワーコンバータは、従来のスターリングエンジンをトロイダル形状から直線状のコリニア配置に変えるのに役立ちました。この革新により、将来のシステムは故障しがちな機械的慣性とコンプライアンスチューブに依存する必要がなくなり、代わりに音響共鳴を使用して電子コンポーネントを使用できます。
この革新により、効率的、信頼性が高く、低コスト、コンパクト、多用途のものが実現しました。分散型発電、住宅用電力システム、熱と電気の組み合わせシステム、集中型太陽光発電、ハイブリッド電気自動車、冷凍システム、ヒートポンプ、水中および海洋用電力システム、補助電力装置で使用できます。
2. SpaceX
宇宙と航空技術の別の巨大企業であるSpaceXも、近くTASEを探索する可能性が高いです。これにより、熱を機械的仕事に変換する効率を高めることができます。
低コストの製造とメンテナンスにより、軽量の宇宙船を低コストで打ち上げることができます。また、深宇宙ミッションでの熱の管理と電力生成能力も向上します。
2023年8月中旬に公開された報告書によると、SpaceXの収益は急激に増加し、2023年第1四半期に初めて黒字化しました。イーロン・マスクが所有する会社は、1月から3月の期間に1.5億ドルの収益で5500万ドルの利益を上げました。最近の従業員株式売却では、約1500億ドルの企業価値がありました。
3. Sierra Lobo, Inc.
オハイオ州フリーモントに拠点を置くSierra Lobo, Inc.は、世界中で特殊な宇宙および航空試験、評価、エンジニアリングサービスを提供しています。さまざまな電力/熱源で動作し、高効率と信頼性を備えた、移動部品のない完全な熱音響スターリング熱エンジンを開発しました。コンパクトでスケーラブルであり、宇宙用途では重力に依存しない動作が可能です。
これらの熱エンジンは、音響パワーと圧力波の生成、地上、水中、宇宙での電気生成などの分野で応用されることが予想されています。同時に電気と冷却パワーを生成し、線形交流発電機を駆動して電気を生成し、冷凍機とクライオクーラーを駆動して冷却を生成することができます。
先の道の課題と機会
熱音響スターリング熱エンジン（TASE）は、深宇宙旅行に適した電源を開発するための大きな潜在能力を示しています。特にNASAのグレン研究センターは、TASEの効率と低メンテナンス性を活用してきました。この技術は、将来さらに進化し、月や火星の基地を支える電力システムを含む、さまざまな宇宙探査プロジェクトに不可欠な電力システムをサポートすることになります。
これらのエンジンは、他の熱エンジンよりも非常に高い熱から電気への効率を提供する能力により好まれています。TASEにはベアリングシステムや移動部品がないため、故障のリスクと製造コストが大幅に削減されます。
しかし、最も好まれる選択肢になるには、まだこの技術を改良するための重要な作業が残っています。TASEは、熱交換器を両側に配置する設計のため、伝統的な内燃機関よりも容積と重量が大きいという課題に直面しています。
さらに、TASEは、内在する熱慣性により、起動が遅いという課題に直面しています。急速な起動や速度の急な変化が必要なシナリオでは、その応用は限定されます。ただし、継続的な技術革新は、これらの課題を克服し、TASEを、高度な宇宙作業とその先への重要なコンポーネントとして位置付けます。
