Fuente de energía mecánica compacta

Resumen:

Un "motor Stirling" de aire caliente de combustión externa alimentado con etanol

Alrededor de 3 litros / día de alcohol etílico proporciona aproximadamente los mismos niveles de energía que utiliza un ser humano que realiza actividades sedentarias y de esfuerzo moderado. Un robot más pequeño con menos masa y la capacidad de reducir el consumo de energía al mínimo durante los períodos de inactividad debería requerir menos combustible que este.

Detalle.

Un combustible de hidrocarburo y la combustión o simplemente tal vez la oxidación catalítica es probablemente lo más denso posible.

Las eficiencias finales en el rango de 5-10% son probablemente razonables, y es posible más o mucho más*.

Los hidrocarburos aportan ~= 10 kWh/kg.
Entonces 10% de eficiencia ~= 1 kWh/kg.

Para tener una idea de los niveles de energía requeridos, una persona en un rol de actividad sedentaria o ligera a moderada requiere alrededor de 2000 kCal o un poco menos de 10 MJ/día.
1 kWh = 3,6 MJ
, por lo que con una eficiencia del 10 % se necesitan unos 3 kg de combustible de hidrocarburo.

Esto podría ser gasolina, queroseno, aceite, madera o carbón, pero el etanol es más atractivo ya que puede fabricarse relativamente libre de olores. Además, el etanol está disponible a partir de procesos de fermentación + destilación, que están disponibles en casi cualquier lugar, mientras que los hidrocarburos pueden no estar disponibles localmente. Siempre hay aceites de pescado o vegetales o grasas animales, pero en todos los casos la combustión puede ser "odorífera".

Para proporcionar potencia mecánica alimentada con etanol sin necesidad de vapor o tecnología de combustión interna, puede implementar un motor Stirling sin vapor de combustión externa. El motor Stirling se inventó en 1816, por lo que su implementación en un entorno victoriano tardío sería completamente factible.

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*La eficiencia máxima absoluta teórica del motor Stirling es
Eficiencia teórica máxima = Eficiencia de Carnot = Z
Z = (Thot-Tcold)/Thot
donde Thot y Tcold son las temperaturas del extremo caliente y frío en grados absolutos.
Se pueden lograr eficiencias reales de, digamos, el 50% del máximo teórico.

Usando la metalurgia victoriana, tenga Thot = 200 C = 473 K y tcold = digamos 50 C efectivos = 323 K
Eficiencia de Carnot Z = (473-323)/473 =~ 32%, entonces quizás 16% real.
El 10% parece un objetivo inicial razonable.

El gas de trabajo puede ser aire, helio o hidrógeno, con un aumento de la densidad de energía.
El hidrógeno es peligroso y tiene problemas de implementación.
El helio fue descubierto en 1868, pero como una línea espectral solar.
La disponibilidad masiva ocurrió después de los descubrimientos de campos de gas en los EE. UU. en 1903.
El helio permite una reducción sustancial del tamaño, pero un motor Stirling de 250 vatios que usa aire debería ser aceptable y poder incorporarse a un autómata.

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"Vickie": un "motor Stirling" de aire caliente de combustión externa, de estilo victoriano, alimentado con etanol

Una implementación modelo de motor Stirling con un aspecto de "era victoriana":

desde aquí

• Los motores Stirling no tienen válvulas, carburador, sistema de encendido o calderas y funcionan casi como un fantasma en silencio. Si están hechos correctamente, funcionarán perfectamente cada vez que se aplique una fuente de calor.

• "Vickie" es un motor de ciclo Stirling de tipo Heinrici modificado con un elegante estilo victoriano diseñado para una apariencia agradable, como se aplicó a los motores y máquinas de los siglos XVIII y XIX. ...

• El motor está hecho principalmente de aluminio con detalles en latón pulido y acero inoxidable y está adornado con pintura verde oscuro y granate. Un ventilador de refrigeración de latón accionado por correa compite con la acción de varilla y cruceta por la atención. Vickie funciona con un atractivo quemador de alcohol de latón horizontal que luce una mirilla de nivel de combustible integral.

Un conjunto de resortes principales grandes .

Los resortes se pueden 'cargar' como las baterías modernas al enrollarlos y se pueden intercambiar de forma modular.

Sin embargo, los resortes tienden a ser grandes, especialmente cuando se ha agotado toda la 'carga', por lo que dudo que esta sea una muy buena solución.

Aunque la ingeniería hubiera sido complicada, considere la posibilidad de una pequeña máquina de vapor impulsada por la descomposición del peróxido de hidrógeno, un químico ciertamente conocido por los victorianos. El peróxido altamente concentrado se puede hacer fluir sobre un catalizador adecuado (por ejemplo, un alambre de plata) y se descompone con bastante energía en vapor y oxígeno. La fabricación de sellos adecuadamente robustos y duraderos para dicho sistema se deja como ejercicio para el lector.

Las fugas de peróxido de alta calidad son potencialmente peligrosas, ya que pueden encender rápidamente todo tipo de cosas y pueden ser bastante tóxicas para los humanos. No estoy seguro de la concentración mínima requerida para que esta tecnología funcione, por lo que no puedo decir exactamente qué tan peligroso podría ser, pero no será a prueba de idiotas.

La idea tiene dos efectos colaterales interesantes:

En primer lugar, proporciona una justificación para el tropo steampunk victoriano infinitamente reutilizado. Puede o no considerar que esto es algo bueno.

En segundo lugar, podría adelantar décadas el descubrimiento de los cohetes líquidos, lo que tendrá un efecto bastante interesante en la historia futura del siglo XX; no solo en la guerra sino en la progresión de las tecnologías para el vuelo.

Como referencia, la densidad de energía estimada de un resorte principal es 1.5KJ/l (de esta respuesta física ). El peróxido al 60% es más como 3 MJ /l, por lo que le daría una cifra aproximada de cuánto mejor podría ser la pequeña máquina de vapor (sin tener en cuenta todas las posibles ineficiencias, que serán legión, pero aún así salir adelante) A modo de comparación, la gasolina (o la gasolina, si lo prefiere) está por encima de los 34MJ/l, y las baterías de plomo-ácido rondan los 0,5.

Gravedad

Tus autómatas tienen un mecanismo que traduce la atracción gravitacional en, por ejemplo, la rotación de engranajes, al igual que el mecanismo de péndulo en un reloj de cuco tradicional , que usa pesas que cuelgan de una cuerda o cadena como fuente de energía (la energía real es producida por una manivela , no por el péndulo).

Eso requiere que este tipo de cadenas cuelguen del cuerpo del autómata, pero seguro que tu gente podría integrarlas en la estética general como correas o bandas decorativas.

El mayor problema es que necesita varios mecanismos de este tipo para crear suficiente energía, o el peso debe descender bastante rápido para hacer girar los engranajes más rápido (lo que se puede traducir en más fuerza). Alguien tiene que "darles cuerda" (o más bien tirar de la cadena para que el peso vuelva a subir más alto) antes de que sus pesos lleguen al suelo y todos los engranajes simplemente dejen de girar.

Elementos radiactivos calientes que impulsan un motor de éter.

El motor de éter era algo real a mediados del siglo XIX; esto entre otros motores que funcionan según el principio de la máquina de vapor pero que utilizan fluidos de trabajo con un punto de ebullición más bajo que el del agua.

Propongo que sus autómatas tengan motores de éter a bordo calentados por un trozo de un elemento radiactivo: actinio podría funcionar, o torio, radio, incluso radón comprimido. Muchos de estos elementos radiactivos se descubrieron a fines del siglo XIX y usar cosas radiactivas de esta manera me huele a steampunk. Al ser purificados, muchos de estos emiten calor por desintegración radiactiva. El actinio purificado puede calentarse lo suficiente como para derretirse. Los trabajadores del molino autómatas (a prueba de cáncer) harían más segura la purificación de estos elementos.

Diferentes fabricantes de autómatas podrían tener sus propios motores patentados (actinio y éter, radio y cloroformo, ultimum y benceno, etc.). Cada uno promociona los méritos de su propio sistema y los peligros de los demás. Puedo imaginar a los usuarios domésticos que no quieren comprar combustible de radionúclidos y piratean sus autómatas para que funcionen con termita o acetato de sodio supersaturado.

Volantes

Los volantes se han utilizado como "baterías" para autobuses eléctricos en el pasado y se utilizan en sistemas de recuperación de energía cinética para autos de carrera, así como también como energía a nivel de red en la actualidad. Hoy podemos lograr 0,5 MJ/kg con volantes compuestos de fibra de carbono que funcionan en el vacío a 60 000 RPM con cojinetes de levitación magnética. Una gran ventaja de los sistemas de volante es que se pueden recargar con bastante rapidez. También es posible una descarga muy rápida.

La densidad de energía del volante es aproximadamente proporcional a la relación resistencia/peso de los materiales con los que fabricamos nuestro volante y viene dada por Energy Density= K*MaxStress/density. K es el factor de forma que describe la eficiencia con la que usamos el material en nuestro volante para almacenar energía y varía de 0 a 1, siendo 0,5 bastante razonable. El estrés máximo es la cantidad máxima de estrés que nuestro material puede soportar, y la densidad es la densidad del material del volante, para la densidad de energía en J/kg, use pascales para el estrés y kg/m^3 para la densidad.

Entonces, averigüemos cuál podría ser la densidad de energía suponiendo que no tenemos fibra de carbono. Suponiendo acero martensítico con un límite elástico de 2400 MPa y un factor de seguridad de 1,3 (tensión máxima ~1800 MPa), con un factor de forma de 0,5, obtenemos una densidad de energía de 0,11 MJ/kg. Esto es algo razonable dado que las baterías de plomo ácido tienen una densidad de energía de alrededor de 0,14 MJ/kg.

Sin embargo, estos dos números de densidad de energía vienen con un asterisco. Para un almacenamiento prolongado de energía, debemos colocar nuestro volante dentro de una cámara de vacío para eliminar la resistencia del aire que agrega peso. El problema más grande es que el almacenamiento de energía del volante se convierte en una bomba muy eficiente si el volante falla, gran parte de la energía almacenada se convertirá más o menos directamente en metralla voladora. Así que tenemos que blindar nuestro volante. Otra desventaja es que la energía se drena lentamente debido a la fricción de los rodamientos. Esto puede ser bastante bajo si usamos cojinetes de levitación magnética, pero no creo que un mundo steam punk tenga esto. Para obtener la máxima densidad de energía, debemos hacer girar nuestro volante lo más rápido posible, pero esto genera más desgaste.

Un truco para hacer que los volantes funcionen es suponer que tenemos acceso a un material de alta relación resistencia/peso al que voy a llamar unobtainio. Podemos suponer que la relación fuerza-peso del unobtainio es ridículamente alta, lo que significa que nuestro sistema de volante no necesita mucho. Quizás solo necesitemos una cantidad mínimamente pequeña como miligramos o menos para el almacenamiento práctico de energía. Esto significa que podemos limitar el daño que causa un material casi indestructible como el unobtainio haciéndolo ridículamente costoso y solo práctico para el almacenamiento de energía del volante.

Motores Térmicos

Dado que especificó que "la mecánica fina es lo suficientemente avanzada y confiable para replicar los circuitos integrados", debería ser posible hacer motores térmicos bastante compactos capaces de quemar combustibles de hidrocarburos. Como ejemplo de cómo podemos llevar esto al extremo, se han propuesto motores de turbina de gas muy pequeños como reemplazo de las baterías.

Si bien los anteriores han utilizado el ciclo brayton , que es el mismo ciclo termodinámico utilizado por los motores a reacción, también podemos utilizar el ciclo rankine , que es el ciclo termodinámico que utiliza cualquier planta de energía con una turbina de vapor. Se ha propuesto que se podría hacer una central eléctrica de turbina de vapor en un chip con una eficiencia de ~11 % y una densidad de potencia de hasta 12 KW/kg. Esto es comparable en densidad de potencia a un motor a reacción turbofan Brayton GE90-115B a 10 KW/kg.

También se ha propuesto que se podrían usar diminutos turbogeneradores orgánicos de ciclo rankine con concentradores solares como reemplazo de los paneles solares de silicio en los satélites. Ahora, lo que realmente nos permite hacer centrales eléctricas de ciclo rankine compactas es poder hacer calderas y condensadores relativamente compactos. Si podemos hacer mecanismos diminutos complicados, probablemente podamos hacer arreglos complicados de tuberías diminutas.

Hidráulica o Neumática.

Incluso hoy en día, gran parte de nuestra maquinaria eléctrica sigue un cable hasta la toma de corriente más cercana. Hasta hace una o dos décadas, las baterías eran demasiado grandes y pesadas para ofrecer una alternativa viable.

Antes de la energía eléctrica, la energía hidráulica era una cosa. La London Hydraulic Company instaló fuertes tuberías de hierro fundido y tenía estaciones de bombeo alimentadas con carbón para presurizar el agua en ellas a presiones mucho más altas que el suministro de agua. (Las tuberías aún existían mucho después de que el sistema dejara de funcionar y ahora contienen cables de comunicación de fibra óptica). Los mecanismos hidráulicos todavía se utilizan, por ejemplo, en maquinaria de movimiento de tierras, pero ahora se alimentan localmente de un motor de combustión interna o mediante una bomba eléctrica.

También se sigue utilizando aire comprimido, nuevamente generado localmente. Los mecanismos neumáticos son menos potentes pero pueden encenderse y apagarse fácilmente en décimas de segundo y menos fácilmente en milisegundos.

Por lo tanto, sus autómatas podrían funcionar con mangueras de suministro y drenaje conectadas a agua a alta presión, o una tubería de suministro conectada a aire a alta presión (*), ya sea generada por una gran máquina de vapor a una distancia de unos pocos kilómetros. Si hubiéramos estado desarrollando la electricidad solo unas pocas décadas después, sospecho que la mayoría de las ciudades habrían obtenido una utilidad de energía hidráulica.

(*) tubería de retorno opcional para aire, pero puede mantener bajo el nivel de ruido.

PD: siempre me ha picado la imaginación que si Babbage hubiera conocido a una persona que supiera de neumática, es posible que hubiera construido una computadora neumática binaria que funcionara entre 10 Hz y 1 Khz durante su vida. ¡Entonces el curso de la historia habría sido completamente diferente!