Baterías térmicas en lugar de calentadores alimentados por batería para pequeñas naves en Marte; ¿Cuánta masa agregaría, cuánto reemplazaría?

Como ejemplo, el helicóptero Ingenuity en Marte carga sus baterías cada día soleado (que es todos los días excepto cuando no lo es ) y las descarga sustancialmente cada noche fría (que son todas) para evitar daños por congelamiento y para mantener otras golosinas críticas se enfríen demasiado. Los rovers y módulos de aterrizaje de Marte que funcionan con energía solar en Marte hacen lo mismo, que son todos excepto Curiosity y Perseverance equipados con MMRTG que usan circulación de fluido calentado.

Una batería térmica es:

...en general algo que puede almacenar energía térmica y mientras que una batería eléctrica puede servir para este propósito, una olla de agua, cera o cualquier otro material que sufra algún tipo de cambio de fase dentro de un rango de temperatura útil con una entalpía de cambio suficiente puede potencialmente ser utilizado como una batería térmica.

De la batería térmica de Wikipedia :

Una batería de energía térmica es una estructura física utilizada con el fin de almacenar y liberar energía térmica; consulte también almacenamiento de energía térmica. Tal batería térmica (también conocida como TBat) permite que la energía disponible en un momento se almacene temporalmente y luego se libere en otro momento. Los principios básicos involucrados en una batería térmica ocurren en el nivel atómico de la materia, con energía que se agrega o toma de una masa sólida o un volumen líquido que hace que la temperatura de la sustancia cambie. Algunas baterías térmicas también implican hacer que una sustancia haga una transición térmica a través de una transición de fase que hace que se almacene y libere aún más energía debido a la entalpía delta de fusión o la entalpía delta de vaporización.

Pero en ese caso se le llamó "condensador térmico" en lugar de "batería térmica" por alguna razón.

Las cosas buenas de una batería térmica incluyen

  • Lo "cargas" con calor y hay unas cinco veces más calor en la luz solar que electricidad; la energía solar fotovoltaica no supera el 20% cuando se tienen en cuenta todos los efectos del mundo real (transmisión óptica y polvo, reducción de temperatura por temperatura no óptima, conversión de energía y eficiencia de carga de la batería, etc.)
  • Los cambios de fase como la fusión/congelación no "desgastan" un material a granel simple de la misma manera que los ciclos repetidos de carga/descarga desgastan una batería eléctrica con densidad de energía optimizada. No vas a obtener "agua cansada".

Pregunta: ¿Cómo sería un sistema de batería solar térmica para un avión en Marte? Aproximadamente, ¿cuánta masa agregaría? ¿Cuánto reemplazaría?

Recuerde que la capacidad de masa y energía de la batería de Ingenuity está impulsada por la necesidad de tener un vuelo largo y satisfactorio y aún tener suficiente energía para mantenerse caliente durante la noche junto con un buen margen de seguridad.

Agregar una batería térmica puede reducir sustancialmente la capacidad de energía requerida y, por lo tanto, la masa de la batería eléctrica, por lo que agregar la batería térmica no es todo " tristeza ".

"¿ Cómo se vería un sistema de batería solar térmica para un avión en Marte? "... para un avión, se parecería mucho a un ancla, siendo demasiado pesado para volar con él. El almacenamiento térmico, incluso a través del cambio de fase, requiere un volumen a granel significativo para ser efectivo (para mejorar la relación masa/superficie). Lo "hecho" en Marte es usar Unidades Calentadoras de Radioisótopos diminutas para el calentamiento localizado de dispositivos térmicamente sensibles. en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_heater_unit
¿Hay alguna razón por la que la batería térmica deba ser parte de la aeronave? Podría permanecer (junto con su sistema de "carga") en el campamento base y el helicóptero podría regresar a su nido para pasar la noche.
SBIR relacionado de Masten Space Systems para su proyecto MOWS: sbir.gov/node/1670587 .
@Woody hay dos tipos de campamento; acampar en automóvil donde puede realizar caminatas de un día y viajar con mochila donde lleva (casi) todo con usted. Hasta ahora Ingenuity está haciendo lo último; rastrea a Perseverance durante sus viajes, pero nunca se acerca demasiado por seguridad. Sigamos con el ejemplo que doy. ¿Cuánto tiempo podría el helicóptero Ingenuity de Marte mantenerse al día con el rover Perseverance si quisiera? y En sus primeros 100 soles, ¿cuál rover de la NASA en Marte condujo más lejos y cuál menos?
@CuteKItty_pleaseStopBArking Las armas nucleares no son una opción permitida por mi pregunta, y si tiene números sobre qué es más "voluminoso" o más pesado: un kJ en una batería eléctrica frente a un kJ en una buena batería térmica de cambio de fase, proporciónelos para apoyar su punto.
@uhoh, puedo ser estúpido, pero ¿dónde excluye su pregunta el uso de unidades de calentamiento de radioisótopos? Se utilizan con bastante frecuencia en satélites, sondas de espacio profundo y rovers para el control térmico localizado. Pues, la misión Cassini usó CIENTO DIECISIETE de ellos (Cassini 82, Huygens 35).
@CuteKItty_pleaseStopBArking la pregunta es "¿Cómo sería un sistema de batería térmica solar..." y define qué es una batería térmica a los efectos de esta pregunta, que incluye ciclos diarios de carga/descarga alimentados por el calor del sol. ¡Está todo ahí! Me tomo el tiempo para escribir y analizar mis preguntas cuidadosamente.
@uhoh ok, entonces su vehículo debe funcionar sin energía, porque su pregunta no especifica la fuente de energía. ¿Y sin aislamiento, porque eso tampoco está referenciado? Todo lo que dije (¡en un comentario, no en una respuesta!) fue que el procedimiento normal para la gestión térmica de dispositivos pequeños o sensibles era usar unidades de calentamiento de radioisótopos. Son tan omnipresentes en dispositivos pequeños en ambientes fríos como lo son las tuercas y los tornillos.
@CuteKItty_pleaseStopBArking hay dos formas de responder; 1) Podría recomendarle que haga una nueva pregunta sobre su tema, algo como "¿Por qué la NASA se olvidó de usar una fuente térmica de radioisótopos para mantener caliente a Ingenuity? Después de todo, son tan omnipresentes como tuercas y tornillos". Habrá varias buenas respuestas, ¡será increíble! 2) Podría señalar que en Stack Exchange el espacio de comentarios es principalmente para mejorar la pregunta, no es una oportunidad para publicar cosas. Esta pregunta tiene un alcance cuidadoso; el primer comentario debajo intenta iniciar una discusión diferente.
@CuteKItty_pleaseStopBArking En el mejor de los casos, distrae y, en el peor, puede confundir a algunos lectores, lo que puede conducir a respuestas que no abordan la pregunta. Si desea buscar calentadores de radioisótopos en una nueva pregunta, ¡genial! Por supuesto, puede tener un título mejor que el que propuse anteriormente. Hay alguna mención de la tecnología aquí y aquí , pero creo que realmente se pueden explorar más en una nueva pregunta.
"Batería térmica" tiene múltiples significados (lamentablemente), con el que estoy acostumbrado a ser completamente diferente de cómo lo usas. Consulte, por ejemplo, pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.1c01864 para un uso diferente.
Me pregunto si se trata solo de masa y espacio. Todavía necesita electricidad para volar el avión, por lo que el panel fotovoltaico permanece. Necesita otro panel solar para capturar el calor. Entonces necesitará un fluido especial circulante, lo que significa tuberías. Y esas tuberías deben soportar las temperaturas negativas para que el fluido congelado no las reviente. Relacionado: space.stackexchange.com/questions/51257/…
@NgPh, es posible que esos "imprescindibles" no sean firmes, esas son sin duda las soluciones más simples y de ingeniería más convencional, pero veamos si también hay algunas soluciones más creativas. No estamos construyendo una casa solar aquí.
La solución más sencilla y obvia (y quizás por eso no convencional) es que Ingenuity se comporte como un patito. Por la noche, o cuando haga demasiado frío, ve debajo de Motherduck y consigue un poco de calor a base de plutonio. Todo lo que necesitas es un enchufe ... ¡ tan creativo !
Dije "pasar por debajo" en sentido figurado. Lo que sería mucho más simple, mucho más eficiente, mucho más seguro es: El ingenio aterriza a 100 m de la Perseverancia; La Perseverancia se acerca al Ingenio; Con uno de sus brazos equipado con un enchufe macho, Perseverance conecta Ingenuity a su circuito eléctrico. Entiendo que este esquema no tendrá sentido si Ingenuity es solo una buena misión principal de Wrt Perseverance (que parece ser el caso, que también anula el enfoque de "ir por debajo").
Los tubos de calor funcionan como diodos térmicos. Y les gusta transferir calor. no abajo. Las temperaturas de la superficie durante el día en Marte pueden llegar hasta los 70°F. Miro esas piernas delgadas que se extienden desde el suelo hasta las baterías térmicas en el vientre...
y "zarcillos" que se extienden y se entierran superficialmente en el regolito. ¡Me encanta!
@JonCuster sí, en este caso, por lo que vale, Wikipedia está de "mi lado", así que agregué su introducción. Para las baterías de alta temperatura que suministran electricidad (en lugar de calor) como la que ha vinculado, Wikipedia nos remite a la batería de sal fundida .

Respuestas (1)

Pregunta: ¿Cómo sería un sistema de batería solar térmica?

Respuesta: ¡Se vería igual que Ingenuity!

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Bueno, podría verse un poco diferente ya que los paneles fotovoltaicos podrían ser más pequeños. Se necesitaría menos energía para la calefacción nocturna. La capacidad de la batería sería menor, pero el volumen reducido de la batería sería (al menos parcialmente) reemplazado por el volumen de la batería térmica.

Si las cuatro patas de aterrizaje se reemplazaran con tubos de calor y el núcleo central de la batería con una batería térmica de transición de fase, habría muy pocos cambios en el aspecto del helicóptero.

Los tubos de calor transfieren calor utilizando el calor absorbido en un extremo para el cambio de fase del fluido de trabajo de líquido a gas. El gas se difunde a lo largo del tubo hasta que se condensa en el otro extremo, liberando el calor latente almacenado. El fluido de trabajo condensado regresa por gravedad. Los tubos de calor no tienen partes móviles y funcionan para siempre, o hasta que se filtren, lo que ocurra primero. Operan en un amplio rango de temperatura (que debe estar por encima del punto triple del fluido de trabajo). Por ejemplo, las tuberías de calor llenas de amoníaco funcionan bien entre 200 K y 350 K https://llis.nasa.gov/lesson/698

Las tuberías de calor son comunes en las naves espaciales (generalmente usan amoníaco como fluido de trabajo). En nuestra aplicación, el diseño se simplifica porque la nave espacial está operando en un entorno de gravedad. La gravedad facilita que las tuberías de calor actúen como un diodo de calor: el calor se conduce "hacia arriba", pero no "hacia abajo" de la tubería, lo que evita que el calor almacenado se desperdicie hacia los pies.

El fluido de trabajo se elegiría para optimizar la diferencia de temperatura entre la temperatura del "pie" durante el día y la temperatura máxima tolerada de la batería. Viking midió temperaturas de regolito de -107 C a -17,2 C. La temperatura del punto triple del fluido de trabajo debe estar por debajo de la temperatura de la fuente de calor mientras se transfiere el calor. No hay problema si el líquido se congela en los pies por la noche. Las temperaturas atmosféricas de Marte pueden alcanzar los 20 °C en verano, pero la transferencia de calor desde la tenue atmósfera sería mínima en comparación con el regolito.

La elección del material para los tubos de tubería de calor necesitaría un poco de reflexión. Habría que considerar los requisitos mecánicos para la tensión de aterrizaje. La transferencia de calor en ambos extremos del tubo de calor se maximizaría mediante extrusiones de aluminio con aletas internas, como se usa en los tubos de calor de las naves espaciales. La sección media podría estar hecha de material compuesto para minimizar el peso y la conductancia térmica.

Hay muchos materiales disponibles para el almacenamiento de calor latente en baterías térmicas. En un apuro, el aceite de linaza (MP -24*C) podría funcionar, pero es probable que haya algo más adecuado disponible comercialmente https://www.dynalene.com/heat-transfer-fluids/?gclid=EAIaIQobChMIyO61la_n9AIVQ0FyCh3o7AO9EAEYASAAEgLj7vD_BwE

Baterías térmicas en lugar de calentadores alimentados por batería para pequeñas naves en Marte; ¿Cuánta masa agregaría, cuánto reemplazaría?
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