Miljøvennlig og effektiv: Hvordan termoakustiske Stirling-motorer endrer luftfartsbransjen

Termoakustiske Stirling-motorer (TASE) kan høres ut som mye å fordøye på én gang. Men i prinsippet er de akustiske ekvivalenter til Stirling-motorer. Derfor, før vi går dypere inn i TASEs, må vi begynne med Stirling-motorer.

Hva er en Stirling-motor?

Navnet kommer fra oppfinneren, reverend Robert Stirling, som kom på en ekstern varmemotor som er svært forskjellig fra de tradisjonelle forbrenningsmotorene som brukes i biler. Den er forskjellig i sin bruk av stirringsyklusen, som har tre kjernefunksjoner. 

• Gasser som brukes inne i en Stirling-motor forlater aldri motoren. I motsetning til bensin- eller dieselmotorer, har disse motorene ingen eksosventiler for å slippe ut høytrykksgasser. Det er heller ingen eksplosjoner. Resultatet er at Stirling-motorer er veldig stille.
• Siden den ikke er en intern forbrenningsmotor, krever den en ekstern varmekilde. Og den varmekilden kan være solstråler, geotermisk varme, bensin eller solenergi. Varmen kan til og med komme fra en nedbrytende plante. 
• Til slutt er alt som trengs en vinghjulpropell med en mild rotasjon for å starte motoren. 

I denne tradisjonen med å bygge Stirling-motorer kommer termoakustiske Stirling-motorer eller TASEs, de akustiske ekvivalentene til Stirling-motorer. 

TASEs: De akustiske ekvivalentene til Stirling-motorer

Termoakustiske Stirling-motorer har fått momentum og oppmerksomhet innen vitenskapelig forskning på grunn av deres lave produksjonskostnad, høye effektivitet, vedlikeholdsfrie egenskaper og selvstartende evner. 

En av de mest populære kategoriene av termoakustiske Stirling-motorer er termoakustiske Stirling-varmemotorer eller TASHEs. Disse enhetene kan konvertere varme til akustisk kraft med en svært høy effektivitet. Potensialet hviler i det faktum at de ikke involverer bevegelige deler, og komponentene er relativt enkle. Disse systemene er billigere å produsere og vedlikeholde. De foretrekkes av mange som en måte å generere ren og effektiv energi på. 

Hvordan TASHEs fungerer?

Energikonverteringsprosessen i disse motorene skjer i regeneratoren. En regenerator er en porøs metallblokk mellom en varm varmeveksler (HHX) og en kald eller omgivende varmeveksler. Slike plasseringer i begge ender bidrar til å opprettholde et gjennomsnittlig temperaturgradient i aksial retning. Akustiske bølger som passerer gjennom den – med riktig fase – kan forsterkes av en termodynamisk prosess som ligner en Stirling-syklus. 

Hvorfor er termoakustiske Stirling-motorer fordelaktige?

Mangel på fossilt brensel er en utfordring som menneskeheten står overfor på kort sikt. Fossile brensler er heller ikke gunstige for planetens helse og medfører en rekke bærekraftsspørsmål. 

Vitenskapelige samfunn har vurdert bruk av alternative drivstoffkilder, inkludert solenergi, geotermisk energi, biodrivstoff/biomasse, radioisotoper og mer. 

I dette scenariet har Stirling-motorer vist gode resultater på grunn av deres høye effektivitet, lukkede termodynamiske syklus, stille drift, lav vibrasjon, lang levetid og lite vedlikehold. 

Det kan finnes to typer Stirling-motorer: den konvensjonelle og den avanserte.

Utviklingen av termoakustiske Stirling-motorer: Innovasjonene og gjennombruddene

Å kjenne historien til TASEs er avgjørende for å forstå hvordan de tjener sitt formål og hva teknologien har vært. 

Vi har allerede snakket om akustiske bølger som passerer gjennom gradienten mellom varme og kalde eller omgivende varmevekslere på to sider. 

Frem til 1980-tallet oversteg effektiviteten til de fleste design i dette feltet vanligvis ikke 5 %. Et vendepunkt i 1979 ble oppnådd av Ceperley, som oppnådde et betydelig gjennombrudd. Han viste at reisende bølger kan trekke ut akustisk energi mer effektivt, noe som førte til designkonseptet for reisende-bølge TASHEs som brukes i dag. 

Hva som skjer i dette mer effektive oppsettet er at en del av den genererte akustiske kraften går tilbake til regeneratoren via en form for tilbakemeldingssløyfe, og delvis blir dirigert mot en resonator for energiekstraksjon.

I 2011 designet Tijani & Spolestra en reisende-bølge TASHE som oppnådde en bemerkelsesverdig total effektivitet på 49% av Carnot-grensen. For å sette dette i kontekst, fastsetter Carnot-grensen en absolutt grense for hvor effektivt varmeenergi kan omdannes til nyttig arbeid.

I den siste development innen TASE-feltet har Kina nylig utviklet en høy-effektiv termoakustisk Stirling-generator, som kan levere 140 hk eller 102 kW kraft fra en varmekilde på 986 grader Fahrenheit. Utviklingen kom fra forskerne ved Teknisk institutt for fysikk og kjemi ved Kinas akademi for vitenskap. Det var første gang en slik Stirling-generator kunne overstige 134 hk eller 100 kW kraft. 

Denne kinesiske innovasjonen blir av mange sett på som en potensiell spillveksler på grunn av sin allsidighet. Den kan fungere med en rekke ulike varmekilder og kan endre hvordan energi genereres, og tilby løsninger for ulike energibehov.

Ifølge teamet som utviklet den, kan dens pålitelighet, enkle design og kompatibilitet med ulike varmekilder gjøre den konkurransedyktig med effektiviteten til dampturbiner. Motorens design fjerner vibrasjoner fra systemet og bidrar til å opprettholde en lufttett forsegling. Innovasjonen kan bidra til å lage ultra-lette, ikke-nukleære ubåter for Kina. 

En annen studie fra 2017 foreslo termoakustisk Stirling-strømproduksjon fra LNG-kald energi og lavtemperatur avfallsvarme. Studien resulterte i designet av en termoakustisk Stirling-generator som opererer med 4 MPa heliumgass og er i stand til å generere 2,3 kW elektrisk kraft med den høyeste exergy efficiency på 0,253 når de kalde og varme endene holdes ved 110 K og 500 K. 

Utviklingen av den termoakustiske Stirling-motoren som en løsning for å introdusere høyere energiytelse har blitt studert nøye av forskere og høyt kvalifiserte teknologer over hele verden. Og mye arbeid har deretter blitt gjort på fronten for store bedriftsløsninger. 

Organisasjoner som utnytter termoakustiske Stirling-motorer

1. NASA

NASA har gjort betydelige fremskritt innen termoakustiske Stirling-motorer. Løsningen, kjent som Stirling Thermoacoustic Power Converter og Magnetostrictive Alternator, eliminerer alle bevegelige deler for maksimal effektivitet og pålitelighet. 

Ny teknologi utviklet av NASAs Glenn Research Center

Denne teknologien gjør Stirling-motorer mer effektive og rimeligere. Den utnytter termoakustiske kraftomformere hvor lyd brukes til å omdanne varme til elektrisk kraft. Systemet bruker varmedrevne trykk og volumoscillasjoner fra termo-akustiske kilder for å drive piezoelektriske alternatorer eller andre kraftomformer-teknologier. Denne enheten er i stand til å generere elektrisitet med enestående effektivitet. 

Innvirkningen av NASAs innovasjon har vært vidtrekkende. Den termoakustiske kraftomformeren har bidratt til å omforme den konvensjonelle Stirling-motoren fra en toroid form til en rett kollinear oppstilling. Denne innovasjonen sikrer at fremtidige systemer ikke trenger å være avhengige av feilutsatte mekaniske treghets- og ettergivningstuber. Målet kan oppnås ved å bruke akustisk resonans med elektroniske komponenter. 

Innovasjonen har resultert i noe effektivt, pålitelig, rimelig, kompakt og allsidig. Den kan brukes i distribuert kraftproduksjon og boligsystemer, kombinerte varme- og kraftsystemer, konsentrert solkraftproduksjon, hybride elektriske kjøretøy, kjølesystemer, varmepumper, undervanns- og marine kraftsystemer, samt hjelpekraftenheter. 

2. SpaceX

Det er stor sannsynlighet for at SpaceX (SPCX ), en annen gigant innen rom- og luftfartsteknologi, snart vil utforske TASEs. Det kan hjelpe dem med å oppnå økt effektivitet i konvertering av varme til mekanisk arbeid. 

Lave produksjons- og vedlikeholdskostnader kan føre til lettere romfartøy til lavere kostnader. Det vil også hjelpe SpaceX med å håndtere varme effektivt, med forbedrede kraftgenereringsmuligheter i dype romoppdrag. 

Ifølge rapporter publisert i midten av august 2023, har SpaceX sin økende inntekt gjort selskapet lønnsomt i Q1 2023 etter to årlige tap. Elon Musk-eide selskapet genererte 55 millioner dollar i fortjeneste på 1,5 milliarder dollar i inntekter i perioden januar til mars. Det ble verdsatt til nesten 150 milliarder dollar ved et nylig aksjesalg til ansatte.

3. Sierra Lobo, Inc.

Basert i Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc., leverer spesialiserte rom- og luftfarts test-, evaluerings- og ingeniørtjenester over hele verden. De har utviklet fullverdige termoakustiske Stirling-varmemotorer som kan operere med en rekke kraft-/varmekilder, med høy effektivitet og pålitelighet, uten bevegelige deler. Den er kompakt og skalerbar og kan brukes i romapplikasjoner på grunn av sin gravitasjonsuavhengige drift. 

Disse varmemotorene forventes å finne anvendelser i mange områder, inkludert akustisk kraft- og trykkbølgegenerering samt elektrisk generering for jord-, undervanns- og romapplikasjoner. Den kan samtidig produsere elektrisk og kjølekraft, drive en lineær alternator for elektrisk kraftproduksjon, samt kjøleskap og kryokjøler for kjøleproduksjon. 

Utfordringer og muligheter på veien fremover

Termoakustiske Stirling-varmemotorer (TASEs), en spesifikk kategori av Stirling-motorer, har vist stort potensial i utviklingen av kraftkilder egnet for dype romreiser. NASA, spesielt gjennom sitt Glenn Research Center, har vært i frontlinjen for å utnytte teknologiens effektivitet og lavt vedlikehold. Denne teknologien forventes å utvikles videre, og støtte kraftsystemer som kan være avgjørende i mange romutforskningsprosjekter, muligens inkludert å forsyne baser på Månen og Mars.

Disse motorene foretrekkes for deres evne til å tilby svært høy termisk-til-elektrisk effektivitet sammenlignet med andre varmemotorer. Fraværet av lager- og bevegelige deler i TASEs reduserer betydelig risikoen for feil og produksjonskostnader.

Imidlertid, for å bli det mest foretrukne valget, gjenstår fortsatt betydelig arbeid med å finpusse denne teknologien. TASEs står for tiden overfor utfordringer med volum og vekt, hovedsakelig fordi deres design, som involverer varmevekslere både på varme- og kalde punkter, resulterer i en mer klumpete og tungere konstruksjon enn tradisjonelle forbrenningsmotorer med tilsvarende kraftutbytte.

I tillegg blir TASEs ofte utfordret av en langsommere oppstart på grunn av innebygd termisk treghet. Deres anvendelse er begrenset i scenarier som krever raske oppstarter eller raske hastighetsendringer. Likevel har pågående teknologiske innovasjoner som mål å overvinne disse utfordringene, og posisjonerer TASEs som en kritisk komponent for høyteknologisk romoperasjoner og videre.

Klikk her for listen over de 10 beste teknologibørsene som er klare for fremtidig vekst.