Dirigibles del Ártico, Parte 1 - Generación de electricidad

http://nunavutenergy.ca/Renewable_Energy

Usaría Nunavut (Canadá) como un punto de referencia decente en cuanto a la generación solar.

"Las ubicaciones a lo largo de la costa de la Bahía de Hudson en la región de Kivalliq reciben la mayor cantidad de energía solar en Nunavut. La cantidad de energía solar que llega a las áreas costeras de la región de Kivalliq es comparable a la cantidad de energía solar que llega al sur de Quebec, gran parte de Ontario. , y las Marítimas".

De hecho, reciben una cantidad decente de sol, suponiendo que las células solares se coloquen en el ángulo correcto. Si agrega que estas aeronaves están sobre las nubes, debería obtener un efecto adicional de la luz solar que se refleja en las nubes y amplifica la cantidad de luz solar que realmente golpea estos paneles.

En lo que respecta a la generación de energía, estas naves deberían poder proporcionar una cantidad decente de energía... más que suficiente para alimentar a una pequeña colonia.

Dicho esto, hay varios desafíos:

La mayor parte de la electricidad que usamos se genera 'bajo demanda'... hay muy poca para almacenar, se necesita energía y quemamos combustibles fósiles para satisfacer la demanda.

En este escenario, durante las horas nocturnas (y de forma exagerada durante los meses de invierno) hay grandes periodos del día en los que no habría luz y por tanto no habría energía. Si la colonia está lo suficientemente al norte, incluso tendrá períodos de 0 luz solar durante unas 2 semanas.

Esto significa que para que sea realmente factible, debe hacer que la población consuma energía al mismo tiempo que la luz del sol (esto incluye 0 luz durante las horas de la tarde) o tener alguna versión avanzada de almacenamiento eléctrico.

La solución simple es que han desarrollado condensadores capaces de almacenar grandes cantidades de energía, o tal vez alguna tecnología de batería que sea capaz de transferir energía química para su uso posterior.

Como una solución más social... usas la energía cuando la tienes y no la usas cuando no la tienes. Daría un período en el verano donde la luz del sol las 24 horas proporciona energía durante todo el día, y un período de oscuridad de 24 horas donde no hay uso de electricidad (la sociedad tiende a hibernar durante este tiempo). Y, por supuesto, entre horas... la dificultad aquí es que la mayoría de la población tiene puntos altos de necesidades energéticas, junto con puntos bajos. No muchos de nosotros usamos electricidad en la tarde... estamos fuera ganándonos la vida y otras tareas. Después de la cena, estamos consumiendo electricidad a nuestras tarifas más altas... por lo que tendría que haber un método de distribución o (una vez más) alguna forma de almacenar la energía durante los períodos de bajo uso para usarla durante los períodos de alto uso.

Sin embargo, estoy un poco desgarrado por la idea de un cable de alimentación gigante colgando de una aeronave. Parece un ancla que te tira hacia abajo y tendrías que luchar para mantenerte a flote.

nota añadida sobre la luz del día:

75 grados es un largo camino hacia el norte y probablemente no se dé cuenta de cuánto duran realmente el día y la noche. La transición de 100 % de luz diurna a 0 % de luz diurna ocurre irrazonablemente rápido. pequeña herramienta genial: http://astro.unl.edu/classaction/animations/coordsmotion/daylighthoursexplorer.html

A 75 grados, verá aproximadamente del 3 de noviembre al 7 de febrero de completa oscuridad (3 meses, alrededor de 100 días). Del 7 de febrero al 1 de mayo, esto cambia rápidamente de 0 horas a 24 horas de luz diurna. Del 1 de mayo al 10 de agosto hay 24 horas de luz solar (¿3 meses, alrededor de 100 días?). Y luego de vuelta a una transición rápida a la oscuridad de 24 horas para el 3 de noviembre. No es extraño que los períodos de transición sean más cortos que los días 100% oscuros o diurnos.

A 67 grados, obtienes alrededor de 4 semanas de 24 horas de oscuridad/luz diurna. Creo que esto es más lo que estás considerando. Aparentemente, a 90 grados, obtienes 24 horas de luz diurna o 24 horas de oscuridad sin término medio. 22 de septiembre: sería un día extraño para ver desaparecer el sol.

Como alguien que está trabajando con el tema del invierno desde hace varios años, me siento parcialmente obligado a intervenir.

Realmente, el clima realmente frío es algo complejo. Introduce varias complicaciones a cosas que de otro modo serían realmente sencillas. Podría hablar sobre varios factores diferentes que uno debe tener en cuenta al crear algo como esto, pero por ahora me centraré en su problema de energía, para mantener el alcance de la pregunta.

¿Por qué necesitamos poder?

El poder, ya sea en forma de calor de un fuego o generado por algún medio eléctrico, es crucial para cualquier tipo de población humana más civilizada. Lo usas para calentar a tus hijos cuando hace frío, para trabajar el metal, para preparar comida, para iluminar tu pueblo cuando está oscuro. Necesitamos energía para hacer funcionar nuestras máquinas, para impulsar nuestros vehículos. Necesitas alguna forma de energía para hacer casi cualquier cosa más compleja en un asentamiento humano, y de dónde proviene ese poder realmente marca la diferencia.

Conversión = Pérdida

Cualquier cosa que haga con su fuente de energía disponible reducirá la cantidad disponible de energía, ya sea convirtiéndola de una forma a otra, transfiriéndola o simplemente almacenándola . Incluso las baterías más avanzadas que tenemos hoy en día no pueden almacenar energía para siempre, y la pierden lentamente con el tiempo.

Si bien el sol genera una tonelada de energía [cita requerida], no puedes aprovecharlo exactamente sin grandes pérdidas.

Consideremos este sitio y hagamos algunos cálculos rápidos.

Según este sitio, la fórmula global para estimar la electricidad generada en la salida de un sistema fotovoltaico es algo así:

      E = A * r * H * PR

Dónde:

• E = Energía (kWh)

• A = Área total del panel solar (m²)

• r = rendimiento del panel solar (%)

• H = Radiación solar media anual en paneles inclinados (sombreados no incluidos)

• PR = Ratio de rendimiento, coeficiente de pérdidas (rango entre 0,5 y 0,9, valor por defecto = 0,75)

  Entonces, comencemos.

Supongamos que, de alguna manera, su aeronave tiene$9000$pies cuadrados$(30ft\times 300ft)$de superficie útil de captación solar. Esa es una aeronave realmente grande, según sus parámetros. Eso nos da alrededor$850m^2.$

Mi fuente dice que Noruega recibe alrededor$200\text{kWh}$por metro cuadrado... por año . Entonces, hagamos cálculos matemáticos realmente crudos y dividámoslos de manera uniforme durante todo el año:

• $200 / 365$ $\approx = 0.55\text{kWh}/m^2$por día de exposición solar, asumiendo$100\%$eficiencia.

La mayoría de los paneles solares modernos comunes tienen algo alrededor$15\%$de eficiencia en la captación de energía solar, utilizando procesos de fabricación avanzados.

Eso significa que un$1m^2$El valor de los paneles solares modernos en un modelo noruego tiene una producción diaria de:

• $0.55 \times 0.15 = 0.0825$ $\text{kWh}$por metro cuadrado por día.

La relación de rendimiento tiene en cuenta las perturbaciones de los paneles solares, como el polvo, la nieve, algunas nubes, las pérdidas de energía generadas por la estructura interna de los paneles solares y cosas por el estilo. El valor predeterminado para las energías solares modernas es$0.75$. Entonces, teniendo eso en cuenta:

• $0.0825 \times 0.75 \approx= 0.062 \text{kWh}$por metro cuadrado por día. Eso es alrededor de 62 Wh por día por$m^2$.

¡Podrías usar una bombilla durante algo así como una hora!

Entonces, equipemos nuestra aeronave con una tonelada de paneles solares.

• $0.062kWh/m^2 \times 850 m^2 = 52.7 \text{kWh}$valor de poder sobre una base diaria.

  Si diseña un calentador eléctrico súper eficiente que usa 1kWh por familia (los calentadores normales usan alrededor de 1,5kWh para calentar una sola habitación) y lo mantiene encendido durante un día completo, uno de esos barcos solo puede satisfacer la demanda de calor de dos casas.

Necesitará varias aeronaves para alimentar cómodamente todas las casas de su aldea. Cada dirigible de 850 m² podría alimentar:

• Las necesidades diarias de calefacción de 2 casas, o
• 36 Bombillas modernas de 60w para un día, o
• 42 baños de 10 minutos con ducha de 7500w, o
• Cocine los alimentos por 30 minutos 20 veces al día usando un horno eléctrico.

La mayoría de las personas en todo el mundo que realmente necesitan calor usan algún tipo de aceite para calentar y carbón o gas para cocinar. La energía eléctrica, si bien es conveniente, puede volverse costosa muy rápidamente si no vigila su uso. Creo que, si quieres que esas cosas vuelen Y energicen tus casas, cada familia necesitaría al menos una aeronave de 850 m².

Además, tus aeronaves serían muy pesadas. Como no tienes madera, necesitarías algún tipo de material ligero para construir, y una gran cantidad de energía para hacerlos despegar. A menos que use algún tipo de gas calentado, como helio, para hacerlos "más ligeros que el aire", en realidad no pueden volar con energía solar. Y, si tienen algo de gasolina para hacerlos más livianos, serían muy, muy propensos a los accidentes, ¡y ya no puedes repararlos ya que no tienes los recursos para construirlos!

Me gustaría contribuir un poco más a su escenario con algunas consideraciones adicionales:

Los principales problemas:

• Muy al norte, durante una Edad de Hielo, tienes una capa de hielo. Las plantas no pueden crecer en capas de hielo, ya que el suelo está lejos de la superficie.
• Tu gente no tiene madera. ¡No se pueden cultivar árboles en una capa de hielo!
• Tu gente no tiene papel. Como no tienes árboles, a menos que escriban directamente en cuero o piedra, en realidad no tienen nada donde escribir.
• No tienes goma ni fácil acceso a ningún material aislante, así que... eso sería un gran problema.
• Todos sus hogares serían glacialmente fríos. Nuevamente, dado que no tienes madera, necesitarás construir casas de piedra. No tengo idea de cómo construirían esas casas.
• Tu gente realmente no puede extraer ningún tipo de mineral. No se puede trabajar casi ningún metal con esa tecnología sin combustibles fósiles o algún otro tipo de energía no eléctrica. Como no puedes trabajar el metal, no puedes crear las herramientas necesarias para una verdadera minería.
• Incluso si en algún momento su gente tuviera algo disponible para crear herramientas, las herramientas necesitan un reemplazo constante. Se rompen, se desafilan, se oxidan, etc. Las herramientas de hueso solo lo llevan hasta cierto punto, necesita verdaderas herramientas de metal para trabajos complejos.
• No tienes ningún tipo de tela disponible, solo piel. Incluso si tuviera ovejas, no podrá esquilarlas (faltan herramientas) o tejer la lana (no puede construir la maquinaria para tejerla).
• No tienes tintas. Ya que no puedes extraer y realmente no puedes viajar, a menos que tengas una tonelada de hierbas exóticas y coloridas que crecen en el frío extremo, tu gente no puede realmente colorear cosas.
• La comida es un problema. Básicamente, solo tienes carne como alimento y no puedes cazar. Tu gente no puede usar armas, ya que carecen de los minerales para crearlas, y no pueden usar arcos, ya que no tienes madera u otro material adecuado. No puedes usar lanzas, para - ¡no hay madera! Los caribúes son animales realmente rápidos, e incluso un caribú bebé puede correr extremadamente rápido. A menos que tu gente cace usando cuchillos de piedra y tácticas de emboscada, tu gente tiene algunos problemas. En realidad, ni siquiera sé qué comería tu caribú, ya que no puedes tener ningún tipo de materia vegetal en la superficie de una capa de hielo.
• No tienes vidrio. Incluso si tiene arena, no puede crear un horno para derretir la arena y crear vidrio. Eso significa, entre otras cosas, que ya no tienes ningún tipo de bombilla.
• No es posible tener un motor de clase SolarImpulse con su tecnología disponible. Para fabricar dicho motor, necesita toda la tecnología que lo rodea, que incluye alta precisión, fabricación automatizada y electrónica avanzada.

Mi sugerencia para ti es que, si realmente quieres centrarte en los viajes en dirigible, crees un mundo basado en cañones. De esa manera, puede usar todas las cosas normales: árboles, combustibles fósiles, etc., mientras sigue excluyendo el transporte terrestre y acuático. Las personas vivirían en la parte superior de cañones extremadamente altos y extremadamente empinados ( algo como esto , solo que mucho más alto), por lo que realmente necesitarían aeronaves para moverse si los cañones son lo suficientemente complejos. Además, si los crea lo suficientemente altos, podrían estar muy por encima de las nubes, por lo que realmente no puede ver lo que hay allí abajo.

¡Solo mis 2¢!

Dado que estamos trabajando en un desierto de hielo de alta latitud, tenemos el gran ejemplo de la Antártida para trabajar. Durante el verano, estarías moviéndote$8\space\text{kilowatts per m}^{2}\space\text{per day,}$lo cual es impresionante.

.

Sobre$0.3\text{ kilowatts per m}^2 \space\text{per hr}$, a causa de los tres meses de luz constante en$75$grados Sin embargo, durante el invierno, casi no tendría energía disponible: tal vez$0.5\text{ kilowatt hours per m}^2\text{ a day}.$

Dado que especificó el tamaño ($100-500$pies de largo), tomaré una muestra histórica dentro de ese rango: el Zeppelin LZ 120 Bodensee, en$396$pies de largo Tenía motores de 4 245 caballos de fuerza; esto es alrededor de 183 kilovatios. Conjunto,$732$kilovatios.

Suponiendo una eficiencia perfecta (que no tendría, lo mejor que tenemos hoy es$44\%$eficiente), necesitaría aproximadamente$2200\space m^2$para impulsar la nave ($732\text{ kW/0.33 kW per m}^2$.). Esto es más grande que el área de la parte superior de la aeronave, lo que significa que no podría alimentarse constantemente. Pero la aeronave no siempre estaría en movimiento, por lo que podría cargarse durante la mayor parte del día si no transporta personas. Me imagino que pueblos tan pequeños no necesitarían muchos transbordadores. Una sociedad como la de principios del siglo XX no requeriría demasiada energía, por lo que la aeronave podría proporcionar unos cientos de kilovatios a la aldea (como un kilovatio por persona al día). Cualquiera que sea el caso, su gente no tendría mucho con qué trabajar.

Al final, el invierno parece ser un obstáculo casi imposible de superar. Ningún sol detendría todo.

Esta publicación no está relacionada con la factibilidad, pero me gustaría dar una sugerencia sobre cómo hacer que este mundo sea un poco más factible.

La mayoría de los comentarios que discuten la viabilidad siguen líneas de remolque: por qué estas personas viven en un entorno tan absolutamente inhóspito y cómo fabrican componentes de aeronaves y celdas de combustible avanzadas allí.

En el transcurso de 2000 años, esperaría que la gente se expandiera más allá de unas pocas aldeas pequeñas, con los recursos suficientes, y se adaptara al medio ambiente mejor que casi cualquier persona en la tierra en este momento. Parece que, para que las personas vivan en una pequeña población tan al norte, necesitan una razón muy convincente para quedarse. Sin embargo, en un mundo agotado de combustibles fósiles, hay una buena razón para aventurarse al norte de Alaska en una edad de hielo: el petróleo.

¿Qué pasa si estas personas han sido enviadas aquí desde regiones más al sur que necesitan productos derivados del petróleo para producir su tecnología avanzada? Los nómadas de las aeronaves podrían recolectar petróleo sin siquiera necesitar perforarlo si son expertos en buscar tecnología antigua enterrada bajo el hielo. Sin tener ningún conocimiento de los procesos de perforación, podían excavar a través de los glaciares hasta los antiguos pueblos de prospección y drenar petróleo, lubricantes y cualquier otra cosa valiosa de los viejos equipos de perforación de petróleo, así como maquinaria de recuperación.

Todo esto podría volar hacia el sur en sus aeronaves, que pueden no ser tan buenos como los esquís/kayaks para viajes cortos por tierra, pero definitivamente serían mejores para transportar grandes cantidades de mercancías dado que el océano del Norte está completamente helado. A cambio para sus productos derivados del petróleo, que ellos mismos no utilizan, pero que son más valiosos que el oro para los industriales del sur, los nómadas de las aeronaves reciben paneles solares, condensadores y otros bienes tecnológicos de sus vecinos del sur. Ellos mismos no tienen la tecnología para producir tales cosas, siendo de un nivel victoriano de desarrollo tecnológico sin la infraestructura en el lugar para realmente ir mucho más allá de eso, pero pueden comerciar por algunos de ellos.

Vivir tan al norte durante tanto tiempo sería más fácil si tus héroes se adaptaran a la dura vida de los esquimales (en el mar, pescando y cazando) o sami (en tierra, siguiendo manadas de caribúes).

La forma esquimal es más flexible (es más fácil salir hacia el sur, pero por razones desconocidas nunca lo hicieron: cuando los exploradores polares se encontraron con ellos, pensaron que los esquimales eran las únicas personas en la Tierra), así que si quieres que tus héroes se queden atrapados, ponlos más allá de la alta cordillera y hacer que el mar se estreche a su alrededor demasiado turbulento para congelarse. Es poco probable que crezca alguna planta allí, todo es caza, pesca y recolección.

Una buena fuente de energía sería la grasa de foca y de ballena. Debe tener en cuenta la inanición del conejo : si la dieta consiste solo en carne magra, necesita grasa, y un nivel adecuado de grasa es importante para el desarrollo del cerebro . Su gente se morirá de hambre con la dieta de carne magra de caribú. Pescar salmón es otra buena idea (si no quieres ir al hielo a cazar focas).

Pequeños grupos aislados de personas corren el riesgo de perder tecnología, incluso si es muy primitiva, lea el artículo sobre el enlace de los miembros de la tribu de Tasmania gracias a @Serban Tanasa, sobre cómo 5000 tasmanos perdieron habilidades elementales como la pesca y las herramientas de hueso.

Si realmente quieres volar sobre las montañas, la mejor apuesta sería globos aerostáticos calentados por grasa. No estoy seguro de cuál sería un buen material ligero para hacer globos. Tal vez puedas establecer algunos peces con una gran vejiga natatoria , llenarlos con metano y usarlos para que sean más livianos cuando vayas por las montañas.

Por cierto, esas altas montañas al sur que tus héroes deben cruzar también crean una gran sombra, lo que hace que tu energía solar sea aún menos plausible. Sólo digo'.

Prometí un enlace sobre una parte de Canadá NO cubierta por glaciares durante el último período de glaciación: Cypress Hills , el punto más septentrional de América del Norte que permaneció al sur de las capas de hielo continentales durante la glaciación de Wisconsin.

No hay razón por la cual un grupo de exploradores decididos y bien provistos, durante una década con mejor clima, no pudo encontrar un paso sobre las montañas. La gente cruza el Himalaya. Incluso cruzando glaciares. En el peor de los casos, pueden ir a una campaña de campamentos múltiples, la mayoría de las personas transportan provisiones para el intento del próximo año. Debería haber algunas leyendas sobre una vida mejor más al sur: puedes usar ese impulso para impulsar tu historia, en lugar de aeronaves solares.

Más datos interesantes sobre el metano del Ártico

Es posible que tenga dificultades para mantener la tecnología orientada al metal con tan poco combustible disponible para la fundición. Su gente puede volver a las tecnologías de la era del cobre si pueden encontrar una veta de cobre puro al 99 % como Old Copper Complex : su gente no tiene que fundirlo, por lo que no se necesita combustible, solo martillarlo para darle la forma que necesita.

Es curioso cómo los amerindios abandonaron la mejor mina de cobre de toda la Edad del Bronce hace 3 mil años.