¿Cómo mantienen los generadores de radioisótopos Stirling un diferencial de temperatura en el vacío?

Estaba leyendo la página de wikipedia sobre RTG y me topé con la sección sobre eficiencia. Había tres métodos que parecían basarse en la conversión directa de energía térmica en energía eléctrica:

Luego, uno que parecía interesado en convertirlo de térmico a mecánico y luego a eléctrico:

El funcionamiento de este generador se puede resumir como se encuentra en la página:

Los generadores dinámicos pueden proporcionar energía a más de cuatro veces la eficiencia de conversión de los RTG. La NASA y el DOE han estado desarrollando una fuente de energía alimentada por radioisótopos de próxima generación llamada Stirling Radioisotope Generator (SRG) que utiliza motores Stirling de pistón libre acoplados a alternadores lineales para convertir el calor en electricidad. Los prototipos SRG demostraron una eficiencia promedio del 23%. Se puede lograr una mayor eficiencia aumentando la relación de temperatura entre los extremos caliente y frío del generador. El uso de piezas móviles sin contacto, cojinetes de flexión que no se degradan y un entorno sin lubricación y sellado herméticamente, en las unidades de prueba, no ha demostrado una degradación apreciable durante años de funcionamiento. Los resultados experimentales demuestran que un SRG podría continuar funcionando durante décadas sin mantenimiento. La vibración se puede eliminar como una preocupación mediante la implementación de un equilibrio dinámico o el uso de un movimiento de pistón de doble oposición. Las aplicaciones potenciales de un sistema de energía de radioisótopos de Stirling incluyen misiones científicas y de exploración al espacio profundo, Marte y la Luna.

Un poco más de investigación sobre cómo funcionan los generadores de Stirling reveló el hecho de que, para funcionar, es necesario mantener las temperaturas en dos cámaras, una caliente y otra fría. Esto permite la compresión cíclica y la generación de energía a través del movimiento de piezas mecánicas. Para mantener este diferencial de temperatura durante un período de tiempo prolongado, también se necesita un regenerador . Los únicos sistemas de intercambio de calor que he visto y con los que estoy familiarizado son de tamaño bastante macro. También estoy pensando que es posible que no funcionen en el vacío (¡podría estar equivocado aquí)!


Un par de fragmentos de información provinieron de una pregunta hecha por uhoh, más específicamente una fuente en la respuesta vinculada a la pregunta, que se encuentra aquí , que dice:

  • La temperatura del lado caliente de Stirling será de 350 ºC
  • La temperatura del lado frío de Stirling será de -150 a 50 ºC

También nos ofrecen un diagrama (entre muchas otras cosas geniales):

ingrese la descripción de la imagen aquí


Mi pregunta principal viene en este punto:

Dado que la gestión de la temperatura, la dispersión y la contención en el vacío son significativamente más difíciles, ¿presenta esto algún problema para el SRG?

El documento menciona mucho sobre cómo el lado calentado mantendrá su temperatura, pero solo establece:

  • Circuito de refrigeración del fluido para alcanzar una temperatura de extremo frío de 50 ºC.

Lo que me deja con la duda:

  • ¿Cómo se las arreglarán para evitar la acumulación de calor en el lado frío mientras funcionan en el vacío?
    • Existe algo llamado "intercambiador de calor regenerativo a microescala"†, ¿eso es lo que se está utilizando?
    • No vi nada como esto en los diagramas en la fuente vinculada anteriormente.
  • ¿Este generador no está hecho para funcionar en el vacío, sino solo en un entorno casi vacío?

† información sobre el intercambiador de calor regenerativo a microescala :

Otro tipo de regenerador se denomina intercambiador de calor regenerativo a microescala. Tiene una estructura de rejilla multicapa en la que cada capa está desplazada de la capa adyacente por media celda que tiene una abertura a lo largo de ambos ejes perpendiculares al eje del flujo. Cada capa es una estructura compuesta de dos subcapas, una de un material de alta conductividad térmica y otra de un material de baja conductividad térmica. Cuando un fluido caliente fluye a través de la celda, el calor del fluido se transfiere a los pozos de la celda y se almacena allí. Cuando el flujo de fluido invierte la dirección, el calor se transfiere desde las paredes de la celda de regreso al fluido.

Puede encontrar aún más aquí: https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20040171485

Que incluso menciona:

Se ha diseñado, optimizado y fabricado un intercambiador de calor regenerativo a microescala para su uso en un dispositivo micro-Stirling .

@uhoh No estoy seguro de por qué hago eso cuando rompo abreviaturas. Siempre los titulo en mayúsculas aunque sea gramaticalmente incorrecto, gracias por las ediciones.
¡Yo también empecé a hacer eso! Creo que proviene del uso de mayúsculas y minúsculas al escribir el acrónimo entre paréntesis, como en su cuarto elemento con viñetas "Generador de radioisótopos Stirling (SRG)".
@uhoh, ¿algún otro que creas que debería ser aceptado? He mirado a través de muchos de ellos.

Respuestas (1)

Ok, tratemos de abordar una parte de su pregunta una a la vez.

¿Cómo se las arreglarán para evitar la acumulación de calor en el lado frío mientras funcionan en el vacío?

Entonces, esta es una gran pregunta que llega al corazón de por qué la gestión térmica de las naves espaciales es un desafío. Estar en el vacío significa que no hay atmósfera, lo que significa que no puedes rechazar el exceso de calor por convección a una atmósfera inexistente como lo haríamos aquí en la Tierra. En última instancia, el calor debe transportarse lejos de donde no lo desea y luego arrojarse al espacio a través de la radiación .

Si es posible, esto se hace pasivamente a través de la conducción . A veces, aunque hay situaciones (como esta) en las que intenta disipar tanto calor de un área tan pequeña (también conocido como flujo de calor ) que simplemente no puede hacerlo con la conducción. Bueno, ¿y si pudieras usar la convección después de todo? Ingrese al circuito de enfriamiento de fluidos.

Como dijiste, parece que planean usar un "bucle de enfriamiento de fluidos para lograr una temperatura de extremo frío de 50 ºC". Hay muchas cosas de las que podrían estar hablando aquí, cada una de las cuales viene en varios sabores diferentes. En general, un fluido de trabajo fluirá sobre/a través de la "brida de rechazo de calor", absorberá el calor del RTG (a través de convección()) y luego lo transportará a un radiador que rechazará el calor al espacio.

El tipo más común de bucle de fluido es un tubo de calor , de los cuales hay muchos tipos diferentes (no todos son técnicamente "bucles"). Las tuberías de calor y los circuitos de fluidos en general son un mundo entero en sí mismos, y requerirían una publicación completa para siquiera rascar la superficie. Pero baste decir que

Existe algo llamado "intercambiador de calor regenerativo a microescala"†, ¿eso es lo que se está utilizando?

Así que parece que este tipo de intercambiador de calor regenerativo está diseñado para usarse dentro del propio motor Stirling.

La función principal de un regenerador colocado entre los espacios de compresión y expansión del dispositivo Stirling es aceptar y disipar alternativamente energía térmica a un fluido de trabajo durante el flujo oscilatorio con una resistencia mínima al flujo.

Según el diagrama que publicaste, parece que están usando un motor Stirling de tipo beta , que tiene dos pistones uno encima del otro en un solo cilindro. El regenerador se coloca entre las secciones caliente y fría, como se muestra a continuación.

Motor Stirling tipo Beta con regenerador

¿Este generador no está hecho para funcionar en el vacío, sino solo en un entorno casi vacío? Seguiría funcionando en el vacío. El fluido está sellado dentro del motor Stirling, por lo que la presencia o ausencia de una atmósfera no marcaría la diferencia. El único efecto que tendría una atmósfera que se me ocurre sería un enfriamiento adicional debido a la convección, lo que en realidad podría ayudar a aumentar la eficiencia según los detalles.