Kalawakan
Eco-Friendly at Epektibo: Paano Binabago ng Thermoacoustic Stirling Engines ang Larangan ng Aerospace
Maaaring mukhang napakarami ang Thermoacoustic Stirling Engines (TASE) na kailangang intindihin nang sabay-sabay. Ngunit, sa prinsipyo, ito ay mga akustikong katumbas ng Stirling engines. Kaya, bago tayo sumisid nang mas malalim sa TASEs, kailangan nating magsimula sa Stirling Engines.
Ano ang Stirling Engine?
Ang pangalan ay nagmula sa imbentor nito, si Reverend Robert Stirling, na lumikha ng isang panlabas na heat engine na lubos na naiiba sa tradisyunal na internal combustion engines na ginagamit sa mga sasakyan. Ito ay naiiba sa paggamit ng stirring cycle, na may tatlong pangunahing katangian.
- Ang mga gas na ginagamit sa loob ng Stirling engine ay hindi kailanman umaalis sa engine. Hindi tulad ng mga gasoline o diesel engine, ang mga engine na ito ay walang exhaust valve para maglabas ng mataas na presyon na gas. Wala rin itong mga pagsabog. Dahil dito, napakatahimik ng mga Stirling engine.
- Dahil hindi ito isang internal combustion engine, nangangailangan ito ng panlabas na pinagmumulan ng init. At ang pinagmumulan ng init na iyon ay maaaring sikat ng araw, geothermal na init, gasolina, o enerhiyang solar. Ang init ay maaari ring magmula sa nabubulok na halaman.
- Sa huli, ang kailangan lamang ay isang flywheel propeller na may banayad na pag-ikot upang simulan ang engine.
Sa tradisyong ito ng paggawa ng Stirling engines, lumitaw ang Thermoacoustic Stirling Engines o TASEs, ang mga akustikong katumbas ng Stirling engines.
TASEs: Ang mga Akustikong Katumbas ng Stirling Engines
Ang Thermoacoustic Stirling Engines ay nakakuha ng momentum at pansin sa larangan ng siyentipikong pananaliksik dahil sa kanilang mababang gastos sa paggawa, mataas na kahusayan, mga tampok na walang pangangailangan ng maintenance, at kakayahang magsimulang mag-isa.
Isa sa mga pinakasikat na kategorya ng Thermoacoustic Stirling Engines ay ang Thermoacoustic Stirling Heat Engines o TASHEs. Ang mga aparatong ito ay maaaring mag-convert ng init sa acoustic power sa napakataas na antas ng kahusayan. Ang potensyal nito ay nakasalalay sa katotohanang wala itong gumagalaw na bahagi, at ang mga komponent ay medyo simple. Mas mura ang paggawa at pagpapanatili ng mga sistemang ito. Pinipili ito ng marami bilang paraan upang lumikha ng malinis at epektibong enerhiya.
Paano Gumagana ang TASHEs?
Ang proseso ng pag-convert ng enerhiya sa mga engine na ito ay nagaganap sa regenerator. Ang regenerator ay isang porous na metal na bloke sa pagitan ng isang mainit na heat exchanger (HHX) at isang malamig o ambient na heat exchanger. Ang paglalagay sa dalawang dulo ay tumutulong upang mapanatili ang average na temperature gradient sa axial na direksyon. Ang mga acoustic wave na dumadaan dito—kasama ang tamang phase—ay maaaring palakasin ng isang thermodynamic na proseso na kahawig ng Stirling cycle.
Bakit Kapaki-pakinabang ang Thermoacoustic Stirling Engines?
Ang kakulangan ng fossil fuel ay hamon na kinahaharap ng sangkatauhan sa malapit na hinaharap. Ang mga fossil fuel ay hindi rin nakabubuti para sa kalusugan ng planeta at may kasamang maraming isyu sa pagpapanatili.
Ang mga komunidad ng siyensiya ay nagnanais na isaalang-alang ang paggamit ng mga alternatibong pinagkukunan ng fuel, kabilang ang enerhiyang solar, geothermal, biofuels/biomass, radioisotopes, at iba pa.
Sa sitwasyong ito, ang mga Stirling engine ay nagpakita ng magagandang resulta dahil sa kanilang mataas na kahusayan, saradong thermodynamic cycle, tahimik na operasyon, mababang vibration, mahabang buhay ng operasyon, at mababang pangangailangan ng maintenance.
Maaaring may dalawang uri ng Stirling engines: ang tradisyonal at ang advanced.
Ang Ebolusyon ng Thermoacoustic Stirling Engines: Ang Mga Inobasyon at Pagtuklas
Ang pag-alam sa kasaysayan ng mga TASE ay mahalaga upang maunawaan kung paano nila tinutupad ang kanilang layunin at kung ano ang katangian ng teknolohiya.
Nabanggit na natin ang mga acoustic wave na dumadaan sa gradient sa pagitan ng mainit at malamig o ambient na heat exchangers sa dalawang panig.
Hanggang 1980s, ang kahusayan ng karamihan sa mga disenyo sa larangang ito ay karaniwang hindi lumalagpas sa 5%. Isang mahalagang pagbalik-tanaw noong 1979, isang malaking pagtuklas ang naabot ni Ceperley. Ipinakita niya na ang traveling waves ay maaaring kunin ang acoustic energy nang mas epektibo, na nagdala sa konsepto ng disenyo ng traveling-wave TASHEs na ginagamit ngayon.
Ang nangyayari sa mas epektibong scheme na ito ay ang bahagi ng nalikhang acoustic power ay bumabalik sa regenerator sa pamamagitan ng ilang anyo ng feedback loop at, sa bahagi, ay itinuturo sa isang resonator para sa pagkuha ng enerhiya.
Ang unang dekada ng milenyo ay nagpakita ng karagdagang pag-unlad sa teknolohiya sa likod ng mga TASHE. Noong 2011, sina Tijani & Spolestra ay nagdisenyo ng isang traveling-wave TASHE na nakamit ang kamangha-manghang kabuuang kahusayan na 49% ng limit ng Carnot. Upang magbigay ng konteksto, ang Carnot Limit ay nagtatakda ng isang absolutong limitasyon sa kahusayan kung paano maaaring i-convert ang init na enerhiya sa kapaki-pakinabang na trabaho.
Sa pinakabagong pag-unlad sa larangan ng TASEs, kamakailan lamang ay nakabuo ang China ng isang mataas na kahusayan na thermoacoustic Stirling generator, na maaaring maghatid ng 140 hp o 102 kW na kapangyarihan mula sa isang pinagmumulan ng init na 986 degrees Fahrenheit. Ang pag-unlad ay nagmula sa mga mananaliksik na nagtatrabaho sa Technical Institute of Physics and Chemistry ng Chinese Academy of Sciences. Ito ang unang pagkakataon na ang isang Stirling generator ay nakalampas ng 134 hp o 100 kW na kapangyarihan.
Ang inobasyong Tsino na ito ay itinuturing ng marami bilang potensyal na game-changer dahil sa kanyang kakayahang magamit sa iba’t ibang pinagmumulan ng init at maaaring baguhin kung paano nililikha ang enerhiya, na nagbibigay ng solusyon para sa iba’t ibang pangangailangan sa enerhiya.
Ayon sa koponang lumikha nito, ang pagiging maaasahan, simpleng disenyo, at pagkakatugma sa iba’t ibang pinagmumulan ng init ay maaaring magpatunay na kakumpitensya ito sa kahusayan ng steam turbines. Ang disenyo ng motor ay nag-aalis ng vibration sa sistema at tumutulong upang mapanatili ang hermetic seal. Ang inobasyon ay maaaring makatulong sa paggawa ng ultra-quiet, non-nuclear submarines ng China.
Ang isa pang pag-aaral noong 2017 ay nagmungkahi ng thermoacoustic Stirling power generation mula sa LNG cold energy at low-temperature waste heat. Ang pag-aaral ay nagresulta sa disenyo ng isang thermoacoustic Stirling generator na pinapatakbo ng 4 MPa helium gas na kayang mag-generate ng 2.3 kW na elektrikal na kapangyarihan na may pinakamataas na exergy efficiency na 0.253 kapag ang malamig at mainit na dulo ay pinananatiling 110 K at 500 K.
Ang ebolusyon ng Thermoacoustic Stirling Engine bilang solusyon upang magdala ng mas mataas na antas ng kahusayan sa enerhiya ay masusing pinag-aralan ng mga mananaliksik at mga high-end na teknolohista sa buong mundo. At maraming gawain na ang naisagawa sa larangan ng malakihang solusyon para sa mga enterprise.
Mga Organisasyon na Gumagamit ng Thermoacoustic Stirling Engines
1. NASA
Ang NASA ay nagkaroon ng makabuluhang pag-unlad sa larangan ng Thermoacoustic Stirling Engines. Ang solusyon, na kilala bilang Stirling Thermoacoustic Power Converter at Magnetostrictive Alternator, ay nag-aalis ng lahat ng gumagalaw na bahagi para sa pinakamataas na kahusayan at pagiging maaasahan.
Bagong Teknolohiya na Binuo ng NASA’s Glenn Research Center
Ang teknolohiyang ito ay nagpapahusay ng kahusayan at nagpapababa ng gastos ng mga Stirling engine. Ginagamit nito ang thermoacoustic power converters kung saan ang tunog ay ginagamit upang gawing elektrikal na enerhiya ang init. Ang sistema ay gumagamit ng pressure at volume oscillations na pinapagana ng init mula sa thermo-acoustic sources upang paganahin ang mga piezoelectric alternator o iba pang teknolohiya ng power-converter. Ang aparatong ito ay kayang mag-generate ng kuryente na may walang kapantay na kahusayan.
Ang epekto ng inobasyon ng NASA ay malawak. Ang thermoacoustic power converter ay tumulong na baguhin ang tradisyonal na Stirling engine mula sa toroidal na hugis patungo sa tuwid na collinear na ayos. Ang inobasyong ito ay nagsisiguro na ang mga susunod na sistema ay hindi na kailangang umasa sa mga mekanikal na tubo na madaling masira at mga compliance tube. Maaaring makamit ang layunin sa pamamagitan ng paggamit ng acoustical resonance gamit ang mga elektronikong komponent.
Ang inobasyon ay nagbunga ng isang bagay na epektibo, maaasahan, mababang gastos, compact, at versatile. Maaaring gamitin ito sa distributed generation at residential power systems, combined heat and power systems, concentrated solar power generation, hybrid electric vehicles, refrigeration systems, heat pumps, underwater at marine power systems, at auxiliary power units.
2. SpaceX
May mataas na posibilidad na ang SpaceX, isa pang higanteng kumpanya sa teknolohiyang pang-espasyo at aviation, ay mag-eksplora ng TASEs sa lalong madaling panahon. Maaari itong makatulong sa kanila na makamit ang pinahusay na kahusayan sa pag-convert ng init sa mekanikal na trabaho.
Ang mababang gastos sa paggawa at maintenance ay maaaring magdulot ng mas magaan na spacecraft sa mas mababang gastos. Makakatulong din ito sa SpaceX na pamahalaan ang init nang epektibo, na may pinahusay na kakayahan sa pag-generate ng power sa mga misyon sa malalim na kalawakan.
Ayon sa ulat na inilathala noong kalagitnaan ng Agosto 2023, ang pagtaas ng kita ng SpaceX ay nagdala nito sa pagiging kumikita sa Q1 2023 matapos ang dalawang taon ng pagkalugi. Ang kumpanyang pag-aari ni Elon Musk ay kumita ng $55 milyon na tubo mula sa $1.5 bilyong kita sa panahon ng Enero hanggang Marso. Ito ay tinatayang halos US$150 bilyon sa isang kamakailang pagbebenta ng stock ng empleyado.
3. Sierra Lobo, Inc.
Batay sa Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc., nagbibigay ng espesyal na serbisyo sa pagsubok, pagsusuri, at engineering para sa espasyo at aerospace sa buong mundo. Nakabuo ito ng buong thermoacoustic Stirling heat engines na maaaring gumana sa iba’t ibang pinagmumulan ng power/init, na may mataas na kahusayan at pagiging maaasahan, at walang gumagalaw na bahagi. Ito ay compact at scalable at maaaring magamit sa mga aplikasyon sa espasyo dahil sa operasyon na hindi nakadepende sa gravity.
Inaasahan na ang mga heat engine na ito ay magkakaroon ng aplikasyon sa maraming larangan, kabilang ang acoustic power at pressure wave generation at electrical generation para sa ground, underwater, at in-space na aplikasyon. Maaari itong sabay-sabay na mag-produce ng electrical at cooling power, magpatakbo ng linear alternator para sa electrical power generation, at refrigerator at cryocooler para sa cooling generation.
Mga Hamon at Oportunidad sa Hinaharap
Ang Thermoacoustic Stirling Heat Engines (TASEs), isang tiyak na kategorya ng Stirling engines, ay nagpakita ng malaking potensyal sa pag-develop ng mga pinagmumulan ng power na angkop para sa malalim na paglalakbay sa kalawakan. Ang NASA, partikular sa pamamagitan ng Glenn Research Center, ay nangunguna sa paggamit ng kahusayan at mababang maintenance ng teknolohiyang ito. Inaasahan na ang teknolohiyang ito ay lalong umunlad, sumusuporta sa mga power system na maaaring maging mahalaga sa maraming proyekto ng eksplorasyon sa kalawakan, posibleng kabilang ang pagpapagana ng mga base sa Buwan at Mars.
Pinipili ang mga engine na ito dahil sa kanilang kakayahang magbigay ng napakataas na thermal-to-electric efficiency kumpara sa ibang heat engine. Ang kawalan ng bearing system at gumagalaw na bahagi sa TASEs ay malaki ang nababawasan ng panganib ng pagkabigo at gastos sa paggawa.
Gayunpaman, upang maging pinakapinipiliang pagpipilian, marami pang kailangang gawin upang mapino ang teknolohiyang ito. Sa kasalukuyan, ang mga TASE ay humaharap sa mga hamon sa dami at bigat, pangunahing dahil ang kanilang disenyo, na may heat exchangers sa parehong mainit at malamig na punto, ay nagreresulta sa mas malaki at mas mabigat na anyo kaysa sa tradisyonal na internal combustion engine na may katumbas na output ng power.
Dagdag pa rito, madalas na nahaharap ang mga TASE sa mas mabagal na pagsisimula dahil sa likas na thermal inertia. Ang kanilang aplikasyon ay limitado sa mga sitwasyon na nangangailangan ng mabilis na pagsisimula o mabilis na pagbabago ng bilis. Gayunpaman, ang patuloy na mga inobasyon sa teknolohiya ay naglalayong mapagtagumpayan ang mga hamong ito, inilalagay ang mga TASE bilang mahalagang bahagi para sa mga high-tech na operasyon sa kalawakan at higit pa.
