Milieuvriendelijk en efficiënt: Hoe thermoakoestische Stirlingmotoren de lucht- en ruimtevaart veranderen

Thermoakoestische Stirlingmotoren (TASE) kunnen in één keer veel lijken om te verwerken. Maar in principe zijn het akoestische equivalenten van Stirlingmotoren. Daarom moeten we, voordat we dieper op TASE’s ingaan, beginnen met Stirlingmotoren.

Wat is een Stirlingmotor?

De naam komt van de uitvinder, predikant Robert Stirling, die een externe warmtemotor bedacht die sterk verschilt van de traditionele verbrandingsmotoren die in auto’s worden gebruikt. Het verschilt in het gebruik van de Stirlingcyclus, die drie kernkenmerken heeft.

• De gassen die in een Stirlingmotor worden gebruikt, verlaten de motor nooit. In tegenstelling tot benzine- of dieselmotoren, hebben deze motoren geen uitlaatkleppen om hogedrukgassen af te voeren. Er vinden ook geen explosies plaats. Daardoor zijn Stirlingmotoren zeer stil.
• Aangezien het geen verbrandingsmotor is, heeft het een externe warmtebron nodig. Die warmtebron kan zonnestralen, geothermische warmte, benzine of zonne‑energie zijn. De warmte kan zelfs afkomstig zijn van een ontbindende plant.
• Tot slot is alles wat nodig is een vliegwielpropeller met een zachte draai om de motor te starten.

In deze traditie van het bouwen van Stirlingmotoren ontstaan Thermoakoestische Stirlingmotoren of TASE’s, de akoestische equivalenten van Stirlingmotoren.

TASE’s: De akoestische equivalenten van Stirlingmotoren

Thermoakoestische Stirlingmotoren hebben aan momentum en aandacht gewonnen op het gebied van wetenschappelijk onderzoek vanwege hun lage productiekosten, hoge efficiëntie, onderhoudsvrije kenmerken en zelfstartende mogelijkheden.

Een van de populairste categorieën van Thermoakoestische Stirlingmotoren zijn Thermoakoestische Stirling Warmtemotoren of TASHE’s. Deze apparaten kunnen warmte omzetten in akoestisch vermogen met een zeer hoog rendement. Het potentieel berust op het feit dat er geen bewegende delen zijn en de componenten relatief eenvoudig zijn. Deze systemen zijn minder kostbaar om te produceren en te onderhouden. Veel mensen geven de voorkeur aan deze methode om schone en effectieve energie te genereren.

Hoe werken TASHE’s?

Het energieomzettingsproces in deze motoren vindt plaats in de regenerateur. Een regenerateur is een poreus metalen blok tussen een warme warmtewisselaar (HHX) en een koude of omgevingswarmtewisselaar. Deze plaatsing aan beide uiteinden helpt een gemiddelde temperatuurgraad in de axiale richting te behouden. Akoestische golven die erdoorheen propageren – met de juiste fase – kunnen worden versterkt door een thermodynamisch proces dat lijkt op een Stirlingcyclus.

Waarom zijn Thermoakoestische Stirlingmotoren voordelig?

De schaarste aan fossiele brandstoffen is een uitdaging waarmee de mensheid op korte termijn wordt geconfronteerd. Fossiele brandstoffen zijn ook niet gunstig voor de gezondheid van de planeet en brengen tal van duurzaamheidsproblemen met zich mee.

Wetenschappelijke gemeenschappen hebben overwegen het gebruik van alternatieve brandstofbronnen, waaronder zonne‑energie, geothermische energie, biobrandstoffen/biomassa, radio‑isotopen en meer.

In dit scenario hebben Stirlingmotoren goede resultaten laten zien dankzij hun hoge efficiëntie, gesloten thermodynamische cyclus, stille werking, lage trillingen, lange levensduur en weinig onderhoud.

Er kunnen twee soorten Stirlingmotoren bestaan: de conventionele en de geavanceerde.

De evolutie van thermoakoestische Stirlingmotoren: De innovaties en doorbraken

De geschiedenis van de TASE’s kennen is cruciaal om te begrijpen hoe ze hun doel dienen en wat de aard van de technologie is geweest.

We hebben al gesproken over akoestische golven die door de gradiënt tussen warme en koude of omgevingswarmtewisselaars aan beide zijden gaan.

Tot de jaren 80 overschreed de efficiëntie van de meeste ontwerpen in dit veld meestal niet 5%. Een keerpunt in 1979 werd bereikt door Ceperley, die een belangrijke doorbraak realiseerde. Hij toonde aan dat voortschrijdende golven akoestische energie efficiënter kunnen extraheren, wat leidde tot het ontwerpconcept van voortschrijdende‑golf TASHE’s dat vandaag wordt gebruikt.

Wat er in dit efficiëntere schema gebeurt, is dat een deel van het gegenereerde akoestische vermogen via een soort terugkoppelingslus terug naar de regenerateur gaat en gedeeltelijk wordt geleid naar een resonator voor energie‑extractie.

Het eerste decennium van het millennium zag verdere verbetering in de technologie achter TASHE’s. In 2011 ontwierpen Tijani & Spolestra een voortschrijdende‑golf TASHE die een opmerkelijk algeheel rendement van 49% van de Carnot‑limiet bereikte. Ter context: de Carnot‑limiet stelt een absoluut maximum vast voor de efficiëntie waarmee warmte‑energie kan worden omgezet in nuttig werk.

In de nieuwste ontwikkeling op het gebied van TASE’s heeft China onlangs een hoogrendement thermoakoestische Stirlinggenerator ontwikkeld, die 140 pk of 102 kW vermogen kan leveren vanuit een warmtebron van 986 graden Fahrenheit. De ontwikkeling kwam van onderzoekers van het Technisch Instituut voor Natuurkunde en Chemie van de Chinese Academie voor Wetenschappen. Het was de eerste keer dat zo’n Stirlinggenerator meer dan 134 pk of 100 kW vermogen kon leveren.

Deze Chinese innovatie wordt door velen gezien als een potentiële game‑changer vanwege haar veelzijdigheid. Ze kan met een reeks verschillende warmtebronnen werken en zou de manier waarop energie wordt opgewekt kunnen veranderen, met oplossingen voor diverse energiebehoeften.

Volgens het team dat het heeft ontwikkeld, kunnen de betrouwbaarheid, het eenvoudige ontwerp en de compatibiliteit met diverse warmtebronnen het laten concurreren met de efficiëntie van stoomturbines. Het ontwerp van de motor verwijdert trillingen uit het systeem en helpt een luchtdichte afdichting te behouden. De innovatie zou China kunnen helpen ultra‑stille, niet‑nucleaire onderzeeërs te bouwen.

Een andere studie uit 2017 stelde thermoakoestische Stirling‑energieopwekking voor uit LNG‑koude‑energie en laag‑temperatuur afvalwarmte. De studie resulteerde in het ontwerp van een thermoakoestische Stirlinggenerator die werkt met 4 MPa heliumgas en in staat is 2,3 kW elektrische energie te genereren met de hoogste exergie‑efficiëntie van 0,253 wanneer de koude en warme uiteinden worden gehouden op respectievelijk 110 K en 500 K.

De evolutie van de thermoakoestische Stirlingmotor als oplossing om hogere energierendementen te introduceren, is nauwlettend bestudeerd door onderzoekers en high‑end technici over de hele wereld. En er is vervolgens veel werk verricht op het gebied van grootschalige bedrijfsoplossingen.

Organisaties die thermoakoestische Stirlingmotoren benutten

1. NASA

NASA heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van thermoakoestische Stirlingmotoren. De oplossing, bekend als Stirling Thermoacoustic Power Converter en Magnetostrictive Alternator, elimineert alle bewegende delen voor maximale efficiëntie en betrouwbaarheid.

Nieuwe technologie ontwikkeld door NASA’s Glenn Research Center

Deze technologie maakt Stirlingmotoren efficiënter en minder kostbaar. Ze maakt gebruik van thermoakoestische vermogensomzetters waarbij geluid wordt gebruikt om warmte om te zetten in elektrische energie. Het systeem gebruikt door warmte aangedreven drukken en volumenschommelingen van thermo‑akoestische bronnen om piezo‑elektrische alternatoren of andere vermogensomzettingstechnologieën aan te drijven. Dit apparaat is in staat elektriciteit te genereren met ongeëvenaarde efficiëntie.

De impact van NASA’s innovatie is verstrekkend geweest. De thermoakoestische vermogensomzetter heeft geholpen de conventionele Stirlingmotor te hervormen van een torusvorm naar een rechte collineaire opstelling. Deze innovatie zorgt ervoor dat toekomstige systemen niet afhankelijk hoeven te zijn van foutgevoelige mechanische traagheids‑ en compliancetubes. Het doel kan worden bereikt door gebruik te maken van akoestische resonantie met elektronische componenten.

De innovatie heeft geleid tot iets efficients, betrouwbaar, kosteneffectief, compact en veelzijdig. Het kan worden gebruikt in gedistribueerde opwekking en residentiële energiesystemen, gecombineerde warmte‑ en energiesystemen, geconcentreerde zonne‑energieopwekking, hybride elektrische voertuigen, koelsystemen, warmtepompen, onderwater‑ en maritieme energiesystemen, en auxiliaire energie‑eenheden.

2. SpaceX

Er is een grote kans dat SpaceX (SPCX ), een andere gigant op het gebied van ruimte‑ en luchtvaarttechnologie, binnenkort TASE’s zal onderzoeken. Het zou hen kunnen helpen een verhoogde efficiëntie te bereiken bij het omzetten van warmte in mechanisch werk.

Lage productie‑ en onderhoudskosten kunnen leiden tot lichtere ruimtevaartuigen tegen lagere kosten. Het zou SpaceX ook helpen de warmte effectief te beheren, met verbeterde vermogensopwekkingsmogelijkheden tijdens missies in de diepe ruimte.

Volgens rapporten gepubliceerd in midden augustus 2023, heeft de stijgende omzet van SpaceX het bedrijf winstgevend gemaakt in Q1 2023 na twee jaarlijkse verliezen. Het door Elon Musk geleide bedrijf behaalde $55 miljoen winst op $1,5 miljard omzet in de periode januari‑maart. Het werd gewaardeerd op bijna US$150 miljard bij een recente verkoop van aandelen aan werknemers.

3. Sierra Lobo, Inc.

Gevestigd in Fremont, Ohio, biedt Sierra Lobo, Inc. gespecialiseerde ruimte‑ en luchtvaarttest‑, evaluatie‑ en ingenieursdiensten wereldwijd. Het heeft volledige thermoakoestische Stirling‑warmtemotoren ontwikkeld die kunnen werken met diverse energie‑/warmtebronnen, met hoge efficiëntie en betrouwbaarheid, en zonder bewegende delen. Ze zijn compact en schaalbaar en kunnen in ruimte‑toepassingen worden gebruikt vanwege hun zwaartekracht‑onafhankelijke werking.

Deze warmtemotoren zullen naar verwachting in vele gebieden worden toegepast, waaronder de generatie van akoestisch vermogen en drukgolven en elektrische opwekking voor grond‑, onderwater‑ en ruimte‑toepassingen. Ze kunnen gelijktijdig elektrische en koel‑energie produceren, een lineaire alternator aandrijven voor elektrische energieopwekking, en een koelkast en cryocooler voor koeling.

Uitdagingen en kansen op de weg vooruit

Thermoakoestische Stirling Warmtemotoren (TASE’s), een specifieke categorie van Stirlingmotoren, hebben groot potentieel getoond bij het ontwikkelen van energiebronnen die geschikt zijn voor reizen naar de diepe ruimte. NASA, met name via het Glenn Research Center, staat aan de voorhoede van het benutten van de efficiëntie en onderhoudsarme eigenschappen van de technologie. Verwacht wordt dat deze technologie verder zal evolueren en energiesystemen zal ondersteunen die van cruciaal belang kunnen zijn voor talrijke ruimte‑verkenningsprojecten, mogelijk inclusief het van stroom voorzien van bases op de maan en Mars.

Deze motoren hebben de voorkeur vanwege hun vermogen om een zeer hoog thermisch‑naar‑elektrisch rendement te bieden in vergelijking met andere warmtemotoren. Het ontbreken van lagersystemen en bewegende delen in TASE’s vermindert het risico op storingen en de fabricagekosten aanzienlijk.

Om echter de meest geprefereerde keuze te worden, moet er nog veel werk worden verzet om deze technologie te verfijnen. TASE’s ondervinden momenteel uitdagingen met betrekking tot volume en gewicht, voornamelijk omdat hun ontwerp, met warmtewisselaars aan zowel het hete als koude punt, resulteert in een omvangrijkere en zwaardere constructie dan traditionele verbrandingsmotoren met een gelijk vermogen.

Bovendien hebben TASE’s vaak een trager opstarten als gevolg van inherente thermische traagheid. Hun toepassing is beperkt in scenario’s die snelle starts of snelle snelheidsveranderingen vereisen. Niettemin streven voortdurende technologische innovaties ernaar deze uitdagingen te overwinnen, waardoor TASE’s een cruciale component worden voor high‑tech ruimte‑operaties en daarbuiten.

Klik hier voor de lijst van de top 10 technologie‑aandelen die klaarstaan voor toekomstige groei.