Motores de combustión interna de metano para rovers en Marte y la Luna. ¿Factibilidad?

Parece posible producir metano y oxígeno a partir del CO 2 atmosférico y del suelo helado de Marte, y del regolito helado de los cráteres polares de la Luna. Se ha sugerido que el CH 4 +O 2 podría usarse no solo como combustible para cohetes, sino también para motores de combustión interna (ICE) en rovers y otra maquinaria industrial en la Luna y Marte. La ventaja sobre los motores eléctricos alimentados por energía solar o RTG sería que un ICE puede generar un gran efecto en relación con la masa necesaria para un sistema. Los rovers eléctricos son lentos sin baterías precargadas o reactor nuclear respectivamente, y pesados ​​con ellos a bordo.

Pero, ¿no se sobrecalentaría un ICE en el vacío de la Luna? ¿Sería suficiente la delgada atmósfera marciana para enfriar un poderoso ICE del tamaño de un automóvil? ¿O un motor de combustión de metano y oxígeno tendría un diseño completamente diferente al de un ICE de gasolina convencional, tal vez con un escape de gas caliente como un cohete?

También serían bienvenidos los comentarios no relacionados con el calor sobre la viabilidad de "rovers de metano" suministrados localmente en la Luna y Marte.

Estás confundiendo generación de energía con almacenamiento de energía. Solar, RTG y nuclear son medios de generación de energía para un vehículo espacial. Las baterías y el CH4/O2 son medios de almacenamiento de energía a corto plazo. Entonces la comparación sería entre usar baterías vs CH4/O2, incluyendo todo el equipo asociado (tanques, presurización o mantenimiento criogénico, etc.) e ineficiencias (conversión de energía de solar/nuclear a CH4/O2, conversión a mecánica con un HIELO).
También está confundiendo los medios de conversión de energía en movimiento mecánico con velocidad. Los vehículos eléctricos pueden ser igual o más rápidos y pueden convertir la energía de manera más eficiente. (Tome un Tesla para una prueba de manejo y pise el acelerador para ver a qué me refiero. Lo he hecho, y es toda una experiencia). De hecho, probablemente sería más eficiente usar celdas de combustible para quemar el CH4 y el O2 para generar electricidad. y usar eso para impulsar motores eléctricos, que usar un ICE. La razón principal por la que no se ven muchos automóviles con celdas de combustible es porque son caros. (Pero he visto uno.)
diferente pero relacionado con los motores de combustión interna y/o el uso de metano como energía por otros medios: ¿Cómo podría un motor de combustión interna generar un empuje externo sustancial? y ¿Existen pilas de combustible para metano + oxígeno? ¿Podría haber? relacionado con el almacenamiento de criocombustibles en frío: ¿Cómo planea SpaceX lidiar con la evaporación en el viaje a Marte? ...

Respuestas (5)

La transferencia de calor por convección dentro de atmósferas tenues no funcionaría, la exosfera lunar está cerca del vacío y sería bastante limitada en Marte con su promedio de ~ 0.6% de la presión atmosférica media de la Tierra a nivel del mar, así que sí, los bloques ICE tendrían que ser rediseñados. para facilitar el combustible y el oxidante también como refrigerantes líquidos de circuito cerrado (y también precalentarlos en el proceso para mejorar la combustión), o usar refrigerantes separados (por ejemplo, hay mucho precipitado de hielo seco en y sobre el regolito marciano, así que eso es mucho forma sólida CO 2 ). Cualquiera que sea la opción que se utilice, estos refrigerantes transportarían el exceso de calor hacia radiadores probablemente grandes y pesados, perdiendo calor predominantemente a través de la radiación térmica .solo. Pero dado que necesita bombear oxidante al ICE además del combustible, tendrían que rediseñarse de todos modos.

Por lo tanto, los diseños pueden ser sustancialmente diferentes a lo que estamos acostumbrados aquí en la Tierra, posiblemente dependiendo de cómo almacene su oxidante ( ¿ LOX criogénico ?), cuánto calor está produciendo y en qué otro lugar del sistema podría querer usar eso. Marte obviamente tiene una ventaja en el enfriamiento de bloques ICE con una presión atmosférica aún no despreciable y una temperatura promedio de ~ -55 ° C, pero eso también podría significar que primero tendría que calentar el sistema antes incluso de iniciarlo. El exceso de calor también podría redirigirse para calentar el espacio de la cabina o utilizarse de otra manera. Pero los diseños serían completamente diferentes para cada celestial, incluso solo para el entorno local de cualquiera de ellos. Por ejemplo, en Titán, realmente solo necesitarías el oxidante, ya que hay

Nuestros diseños ICE se adaptarían y evolucionarían, como lo han hecho aquí en la Tierra, para todo tipo de entornos, desde desiertos secos y cálidos hasta condiciones árticas. ¿Cómo? Bueno, espero muchas innovaciones nuevas, y algunas de ellas estarán escritas en letras grandes en la historia de cualquiera de los nuevos mundos que colonizaríamos. Y estos procesos de innovación ya han comenzado, por ejemplo, Wickman Spacecraft & Propulsion Co. (WSPC) desarrolló una forma de quemar directamente el CO 2 atmosférico marciano con su Mars Jet Engine . No es un ICE, pero podría haber otros con el objetivo de desarrollar un ICE con respirador de aire adecuado para Marte. La carrera para ganar el mejor diseño apenas ha comenzado. ¿Usarían CH 4 + O 2 , Trisilane Si3 H 8 + CO 2 , ¿algo completamente diferente? Quién sabe ...

¿Sería la refrigeración un problema mucho menor para los potentes motores eléctricos? ¿Se sobrecalentaría un coche Tesla en la Luna?
@LocalFluff Oh, sí, sin duda. Simplemente no está diseñado para perder todo ese exceso de calor solo por radiación y no tiene suficientes superficies de radiador. Pero quizás lo más importante es que la física de todo cambia (gravedad, resistencia, ciclos de temperatura diurna, terreno,...) y los motores que usamos aquí están diseñados para un entorno completamente diferente. Sería como tomar un motor diseñado para funcionar en el agua y hacerlo funcionar en el aire. Bueno, aún más diferente.
La refrigeración es un problema mucho menor para los motores eléctricos potentes: en términos generales, por cada vatio de potencia útil, un motor de combustión interna eficiente produce 4 vatios de energía desperdiciada, mientras que un motor eléctrico eficiente solo generaría entre 0,1 y 0,2 vatios de calor desperdiciado.

¿A quién le importa ir rápido? La principal preocupación es simplemente ir . ¿Yendo rápido? Esos rovers de Marte, por ejemplo, son cualquier cosa menos rápidos.

La principal ventaja de un rover alimentado por metano sobre un rover alimentado por energía solar es que el rover alimentado por metano puede funcionar de noche. Esta ventaja prácticamente desaparece para un rover alimentado por energía solar que opera en las regiones polares de la Luna casi perpetuamente iluminadas. La quema de metano y oxígeno podría ser un respaldo útil para la energía solar en caso de que el rover se conduzca accidentalmente a una de las áreas casi perpetuamente sombreadas en el mismo lugar.

La principal desventaja de un rover propulsado por metano es que "se come la semilla de maíz". El metano y el oxígeno utilizados para impulsar ese rover serían extremadamente valiosos si no se usaran para mover los rovers. Inicialmente (y probablemente durante mucho tiempo), tendrá más sentido aplicar esos preciados recursos a otros usos que usarlos para hacer un kart rápido.

Si lleva a los geólogos a la Luna oa Marte, quiere que usen su tiempo de exploración de manera eficiente. Sus horas-hombre son demasiado costosas para desperdiciarlas en un carrito de golf eléctrico que se mueve a una velocidad más lenta que la de una persona caminando. Y la robótica puede necesitar energía de combustión para levantar objetos pesados ​​o perforar. Hasta que podamos aterrizar allí motores eléctricos del tamaño de una locomotora.
@LocalFluff Otra cosa con ir rápido es que puede que no sea muy seguro hacerlo. Es probable que estemos hablando de paisajes no transitados aquí, con, por ejemplo, bolsas de hielo seco que estallan en abanicos similares a géiseres durante las primaveras marcianas, tierra no colonizada que se derrumba, terreno todoterreno con rocas afiladas no erosionadas, bien escondido en cuevas y tubos de lava de regolito. chimeneas, y así sucesivamente. Si quieres rápido, entonces por aire sería probablemente la mejor manera de hacerlo. La maquinaria de la industria pesada también puede ir lenta y entregar con más certeza.
@LocalFluff: estás creando un falso dilema. Los vehículos eléctricos pueden ir bastante rápido en estos días. Un rover que transporta personas por necesidad no irá tan rápido como un Prius. Las preocupaciones de seguridad tienen prioridad sobre las preocupaciones de productividad. Con respecto al aterrizaje de un motor del tamaño de una locomotora: ese es un problema que deben resolver las generaciones futuras. No podemos hacer eso, y no podremos hacerlo durante décadas. Tratar de adivinar el futuro es una tarea para los autores de ciencia ficción y futurólogos (también conocidos como autores de ciencia ficción).

SpaceX ha desarrollado un CH 4 /O 2 ICE: The Raptor. Por lo general, no pensamos en los cohetes de combustible líquido como ICE, pero lo son: compresión, ignición, expansión y todo eso. Es muy difícil hacer funcionar un ICE con oxígeno (a diferencia del aire) debido a las temperaturas de combustión extremadamente altas cuando se mezcla estequiométricamente y se comprime. La solución de Raptor para las turbinas del compresor es esclarecedora: funcionan con una mezcla muy rica o muy pobre para reducir la temperatura de combustión. Luego, los gases de escape de las dos turbinas se mezclan para quemar el combustible no quemado (de una turbina) y el oxígeno (de la otra).

Los ICE que queman hidrocarburos que respiran aire (como los motores de automóviles) no necesitan lidiar con esta complejidad ya que el 80% del aire es N 2 . Esto reduce las temperaturas de combustión.

Un CH 4 /O 2 ICE en Marte tendrá que lidiar con el problema de la temperatura de combustión. Podría tratarse con la misma estrategia que el Raptor: combustión por etapas. Un motor de tres cilindros puede tener 3 mezclas diferentes. Uno sería rico en CH 3 , el segundo rico en O 2 . El escape de cada uno alimentaría al tercer cilindro para completar la combustión.

La sincronización y el desplazamiento del cilindro podrían elegirse para la optimización termodinámica.

Por supuesto, todavía queda todo ese calor por descargar. No hay convección atmosférica disponible. La convección de tubos de calor con tubos de calor de aluminio con aletas probablemente sería una opción ligera, económica y confiable.

Sólo necesitamos generar electricidad. Incluso aquí en la Tierra, a veces es más práctico usar el motor de combustión interna para generar electricidad y mover las ruedas usando motores eléctricos que mover las ruedas directamente con el motor. Por ejemplo, como señaló @Fred, los camiones mineros muy grandes se diseñan de esta manera debido a las limitaciones en la resistencia mecánica de componentes como el eje de transmisión. Los vehículos híbridos de gasolina y electricidad, que se han vuelto comunes en las carreteras de todo el mundo, utilizan un enfoque similar para proporcionar una mayor eficiencia, aunque el par mecánico lo proporciona directamente el motor y el motor eléctrico.

Se ha propuesto un híbrido ICE-eléctrico que usa H 2 líquido y O 2 líquido (también se considera metano/O 2 ) para operar un vehículo lunar en ausencia de energía solar. Este resumen menciona las pruebas de un diseño de motor de 2 tiempos que podría usarse en condiciones de superficie lunar.

Dicho sistema es más flexible que los sistemas de transmisión directa, ya que la energía eléctrica puede provenir de múltiples fuentes, incluida la energía solar, un RTG o el motor. Si la energía solar falla, use el generador de combustión interna como respaldo. Además, el accionamiento eléctrico permite una mayor flexibilidad en el diseño del motor. Los requisitos de potencia, par y disipación de calor del motor de combustión interna se pueden ajustar más fácilmente para un diseño híbrido que para un accionamiento directo.

Hasta cierto punto esto tiene sentido; Algo similar sucede con los camiones de minería de superficie de servicio muy pesado. Todos los camiones mineros de servicio pesado tienen un motor diesel; los más grandes utilizan un motor de locomotora. Hasta cierto tamaño de camión, basado en el tonelaje, el sistema de transmisión es un motor convencional, caja de cambios, eje de transmisión. Por encima de ese tamaño, las propiedades mecánicas de los metales no son lo suficientemente fuertes como para permitir este arreglo. En cambio, los camiones más grandes tienen el motor de la locomotora alimentando un generador eléctrico que luego alimenta los motores eléctricos en los cubos de los ejes traseros. ...
... Si las restricciones de peso lo permitieran, un motor de combustión interna, o una pequeña turbina de gas, en un rover podría usarse para alimentar un pequeño generador eléctrico que luego podría alimentar motores eléctricos en el rover. Como sugiere la respuesta, podría usarse como un sistema de respaldo o como un sistema de conducción nocturna.

factible, pero ¿con qué oxígeno? La atmósfera marciana no es muy densa ni rica en oxígeno. Un motor de respiración de aire simplemente no funciona. Por otro lado, si llevaba su propio oxidante como oxígeno líquido, etc.

Motores de combustión interna de metano para rovers en Marte y la Luna. ¿Factibilidad?
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