Miljövänlig och effektiv: Hur termoakustiska Stirlingmotorer förändrar rymdindustrin

Thermoakustiska Stirlingmotorer (TASE) kan låta som mycket att ta in på en gång. Men i princip är de akustiska motsvarigheterna till Stirlingmotorer. Därför, innan vi går djupare in på TASEs, måste vi börja med Stirlingmotorer.

Vad är en Stirlingmotor?

Namnet kommer från dess uppfinnare, reverend Robert Stirling, som utvecklade en extern värmemaskin som skiljer sig kraftigt från de traditionella förbränningsmotorerna som används i bilar. Den skiljer sig i sin användning av stirlingscykeln, som har tre grundläggande egenskaper.

• Gaser som används i en Stirlingmotor lämnar aldrig motorn. Till skillnad från bensin- eller dieselmotorer har dessa motorer inga avgasventiler för att släppa ut högtrycks‑gaser. Det sker inte heller några explosioner. Som ett resultat är Stirlingmotorer mycket tysta.
• Eftersom den inte är en förbränningsmotor kräver den en extern värmekälla. Och den värmekällan kan vara solstrålar, geotermisk värme, bensin eller solenergi. Värmen kan till och med komma från en förmultnande växt.
• Slutligen behövs bara en svänghjulpropeller med en mjuk rotation för att starta motorn.

I denna tradition av att bygga Stirlingmotorer kommer Thermoacoustic Stirling Engines eller TASEs, de akustiska motsvarigheterna till Stirlingmotorer.

TASEs: De akustiska motsvarigheterna till Stirlingmotorer

Thermoakustiska Stirlingmotorer har fått ökad fart och uppmärksamhet inom vetenskaplig forskning på grund av deras låga tillverkningskostnad, höga effektivitet, underhållsfria egenskaper och självstartande förmåga.

En av de mest populära kategorierna av Thermoacoustic Stirling Engines är Thermoacoustic Stirling Heat Engines eller TASHEs. Dessa enheter kan omvandla värme till akustisk kraft med en mycket hög verkningsgrad. Dess potential ligger i att den inte involverar rörliga delar och komponenterna är relativt enkla. Dessa system är billigare att tillverka och underhålla. Många föredrar dem som ett sätt att generera ren och effektiv energi.

Hur TASHEs fungerar?

Energikonverteringsprocessen i dessa motorer sker i regeneratören. En regeneratör är ett poröst metallblock mellan en varm värmeväxlare (HHX) och en kall eller omgivande värmeväxlare. Sådana placeringar i de två ändarna hjälper till att upprätthålla ett genomsnittligt temperaturgradient i axialriktning. Akustiska vågor som färdas genom den – med rätt fas – kan förstärkas av en termodynamisk process som liknar en Stirlingcykel.

Varför är Thermoacoustic Stirlingmotorer fördelaktiga?

Bristen på fossila bränslen är en utmaning som mänskligheten står inför på kort sikt. Fossila bränslen är dessutom inte gynnsamma för planetens hälsa och medför en rad hållbarhetsproblem.

Vetenskapliga samhällen har övervägt användningen av alternativa bränslekällor, inklusive solenergi, geotermisk energi, biobränslen/biomassa, radioisotoper och mer.

I detta scenario har Stirlingmotorer visat goda resultat tack vare deras höga effektivitet, slutna termodynamiska cykel, tysta drift, låga vibrationer, lång livslängd och låga underhåll.

Det kan finnas två typer av Stirlingmotorer: den konventionella och den avancerade.

Utvecklingen av Thermoacoustic Stirlingmotorer: Innovationer och genombrott

Att känna till historien om TASEs är avgörande för att förstå hur de uppfyller sitt syfte och vad teknologins natur har varit.

Vi har redan diskuterat akustiska vågor som passerar genom gradienten mellan varm och kall eller omgivande värmeväxlare på två sidor.

Fram till 1980-talet översteg effektiviteten hos de flesta konstruktioner inom detta område vanligtvis inte 5 %. En vändpunkt markerades 1979 när Ceperley gjorde ett betydande genombrott. Han visade att färdvågor kan extrahera akustisk energi mer effektivt, vilket ledde till designkonceptet för färdvågs‑TASHEs som används idag.

Vad som händer i detta mer effektiva upplägg är att en del av den genererade akustiska kraften återförs till regeneratören via någon form av återkopplingsslinga och, delvis, riktas mot en resonator för energiextraktion.

Det första decenniet av årtusendet såg ytterligare förbättringar i teknologin bakom TASHEs. År 2011 designade Tijani & Spolestra en färdvågs‑TASHE som uppnådde en anmärkningsvärd total effektivitet på 49% av Carnot‑gränsen. För att ge kontext sätter Carnot‑gränsen en absolut gräns för hur effektivt värmeenergi kan omvandlas till användbart arbete.

I den senaste development i TASE‑området har Kina nyligen utvecklat en högpresterande termoakustisk Stirlinggenerator, som kan leverera 140 hp eller 102 KWs kraft från en värmekälla på 986 grader Fahrenheit. Utvecklingen kom från forskarna vid Tekniska institutet för fysik och kemi vid Kinas akademi för vetenskaper. Det var första gången en sådan Stirlinggenerator kunde överstiga 134 hp eller 100 KWs kraft.

Denna kinesiska innovation ses av många som en potentiell spelväxlare på grund av dess mångsidighet. Den kan fungera med ett brett spektrum av olika värmekällor och kan förändra hur energi genereras, vilket ger lösningar för olika energibehov.

Enligt teamet som utvecklade den kan dess pålitlighet, enkla design och kompatibilitet med olika värmekällor göra den konkurrenskraftig med effektiviteten hos ångturbiner. Motorens konstruktion eliminerar vibrationer i systemet och hjälper till att upprätthålla en lufttät försegling. Innovationen kan bidra till att göra Kina ultra‑tysta, icke‑nukleära ubåtar.

En annan studie från 2017 föreslog termoakustisk Stirlingkraftgenerering från LNG‑kallenergi och lågtemperaturavfallsvärme. Studien resulterade i designen av en termoakustisk Stirlinggenerator som drivs med 4 MPa heliumgas och kan generera 2,3 kW elektrisk kraft med den högsta exergy efficiency på 0,253 när de kalla och varma ändarna hålls vid 110 K respektive 500 K.

Utvecklingen av den termoakustiska Stirlingmotorn som en lösning för att införa högre energikvalitet har studerats noggrant av forskare och högteknologiska experter runt om i världen. Mycket arbete har sedan gjorts på området för storskaliga företagslösningar.

Organisationer som utnyttjar termoakustiska Stirlingmotorer

1. NASA

NASA har gjort betydande framsteg inom området termoakustiska Stirlingmotorer. Lösningen, känd som Stirling Thermoacoustic Power Converter och Magnetostrictive Alternator, eliminerar alla rörliga delar för maximal effektivitet och tillförlitlighet.

Ny teknik utvecklad av NASAs Glenn Research Center

Denna teknik gör Stirlingmotorer mer effektiva och billigare. Den utnyttjar termoakustiska kraftomvandlare där ljud används för att omvandla värme till elektrisk kraft. Systemet använder värmedrivna tryck och volymsvängningar från termo‑akustiska källor för att driva piezoelektriska växelströmsgeneratorer eller annan kraftomvandlingsteknik. Denna enhet kan generera elektricitet med oöverträffad effektivitet.

Effekten av NASAs innovation har varit omfattande. Den termoakustiska kraftomvandlaren har bidragit till att omforma den konventionella Stirlingmotorn från en toroid form till en rak kollinear konfiguration. Denna innovation säkerställer att framtida system inte behöver förlita sig på felbenägna mekaniska tröghets‑ och efterlevnadstuber. Målet kan uppnås genom att använda akustisk resonans med elektroniska komponenter.

Innovationen har resulterat i något effektivt, pålitligt, lågt pris, kompakt och mångsidigt. Den kan användas i distribuerad elproduktion och bostadskraftsystem, kombinerade värme‑ och kraftsystem, koncentrerad solkraftproduktion, hybridelektriska fordon, kylsystem, värmepumpar, undervattens‑ och marint kraftsystem samt hjälpkraftenheter.

2. SpaceX

Det är hög sannolikhet att SpaceX (SPCX ), en annan gigant inom rymd‑ och flygteknik, snart kan utforska TASEs. Det kan hjälpa dem att uppnå förbättrad effektivitet vid omvandling av värme till mekaniskt arbete.

Låga tillverknings‑ och underhållskostnader kan leda till lättare rymdfarkoster till lägre kostnad. Det skulle också hjälpa SpaceX att hantera värme effektivt, med förbättrade kraftgenereringsmöjligheter i djuprymduppdrag.

Enligt rapporter publicerade i mitten av augusti 2023 har SpaceX:s ökande intäkter gjort företaget lönsamt under Q1 2023 efter två år av förluster. Det Elon Musk‑ägda företaget genererade 55 miljoner dollar i vinst på 1,5 miljarder dollar i intäkter under perioden januari till mars. Det värderades till nästan 150 miljarder US‑dollar vid en nylig aktieförsäljning till anställda.

3. Sierra Lobo, Inc.

Basert i Fremont, Ohio, erbjuder Sierra Lobo, Inc. specialiserade rymd‑ och flygtekniska test‑, utvärderings‑ och ingenjörstjänster världen över. De har utvecklat fullständiga termoakustiska Stirlingvärmemotorer som kan fungera med en mängd olika kraft‑/värmekällor, med hög effektivitet och pålitlighet, utan rörliga delar. Den är kompakt och skalbar och kan användas i rymdapplikationer tack vare sin gravitationsoberoende drift.

Dessa värmemotorer förväntas hitta tillämpningar inom många områden, inklusive akustisk kraft‑ och tryckvågsgenerering samt elproduktion för mark‑, undervattens‑ och rymdapplikationer. De kan samtidigt producera elektrisk och kylkraft, driva en linjär växelströmsgenerator för elproduktion samt kylskåp och kryokylare för kylproduktion.

Utmaningar och möjligheter framöver

Thermoakustiska Stirlingvärmemotorer (TASEs), en specifik kategori av Stirlingmotorer, har visat stor potential för att utveckla kraftkällor som är lämpliga för djup rymdfärd. NASA, särskilt genom sitt Glenn Research Center, har varit i framkant när det gäller att utnyttja teknikens effektivitet och låga underhållskrav. Denna teknik förväntas utvecklas ytterligare och stödja kraftsystem som kan bli avgörande i många rymdforskningsprojekt, eventuellt inklusive att driva baser på Månen och Mars.

Dessa motorer föredras för sin förmåga att erbjuda mycket hög termisk‑till‑elektrisk verkningsgrad jämfört med andra värmemotorer. Avsaknaden av lager och rörliga delar i TASEs minskar avsevärt risken för fel och tillverkningskostnader.

För att bli det mest föredragna alternativet återstår dock mycket arbete med att förfina tekniken. TASEs står för närvarande inför utmaningar med volym och vikt, främst eftersom deras konstruktion, med värmeväxlare både vid varma och kalla punkter, resulterar i en skrymmande och tyngre struktur än traditionella förbränningsmotorer med motsvarande effekt.

Dessutom har TASEs ofta en långsammare start på grund av inneboende termisk tröghet. Deras användning är begränsad i situationer som kräver snabba starter eller snabba hastighetsändringar. Trots detta syftar pågående tekniska innovationer till att övervinna dessa utmaningar och placerar TASEs som en avgörande komponent för högteknologiska rymdoperationer och bortom.

Klicka här för listan över de 10 bästa teknikaktierna som är redo för framtida tillväxt.