Posibles fuentes de energía de alta temperatura para un módulo de aterrizaje de Venus

Gracias a @MarkAddler por sus sugerencias de búsqueda .

Traté de equilibrar la longitud con la integridad, y ambos perdieron aquí. Sin embargo, he incluido suficiente material para tratar de ser convincente de que se han investigado RTG, baterías de almacenamiento de un solo uso y baterías recargables para eventos de mayor potencia y que existen soluciones para proporcionar al menos la energía eléctrica para un módulo de aterrizaje o rover a largo plazo en Venus.

El miedo a las baterías proviene de la idea de poner baterías Consumer en un módulo de aterrizaje de Venus a 460C. Por supuesto, ese es el tipo de batería equivocado en el que pensar, y ya se ha demostrado que varios tipos funcionan a estas temperaturas, algunos incluso en uso en volumen bajo en la Tierra.

Los RTG funcionan bien en Venus. De hecho, la alta densidad de la atmósfera ~67 kg/m^3, o 6,7% de agua líquida; enfriará el extremo del fregadero del RTG mucho más eficazmente que los RTG en el espacio o en la Luna o Marte. Con el extremo de la fuente (caliente) a 1200C, la eficiencia termodinámica sería mejor que la mitad de un RTG en el espacio.

DOCUMENTO I. RTG SOBRE VENUS doi:10.1016/j.actaastro.2006.12.031 paywalled

Para el caso de análisis, asumimos convertidores termoeléctricos similares a los utilizados en Cassini [ref]. Mientras que la alta temperatura del rechazo de calor residual a la atmósfera de Venus reduce la eficiencia teórica de Carnot de cualquier convertidor térmico, la densidad de la atmósfera significa que la transferencia de calor es muy eficiente y, por lo tanto, el área requerida de los radiadores convectivos es pequeña.

La temperatura supuesta del lado caliente (Th) es de 1350 K, y la temperatura del lado frío (Tc) expulsada al radiador es de 870 K. La eficiencia térmica neta a eléctrica calculada fue de 0,05 (5%). Se requirió una entrada de calor GPHS Qh de 594 W para producir 30 W de potencia eléctrica de salida. El calor total rechazado es de 564 W (Tabla 2).

Se requieren tres unidades de este tipo para 100 W de potencia eléctrica...

Tabla 1: Compensaciones del sistema de energía

Fuente de energía de radioisótopos

• Demostrado en el espacio
• Son posibles enfoques de conversión dinámicos [14] o termoeléctricos [refs]
• 460 ◦C es una temperatura de rechazo de calor más alta que los enfoques de conversión dinámica convencionales Se eligió el radioisótopo como la tecnología de referencia para el rover de Venus

Potencia de microondas

• La estación en la atmósfera produce energía solar; la energía se transmite a la superficie por medio de microondas [ref] No demostrado en el entorno de Venus
• Muchas preguntas técnicas necesitan ser respondidas
• Elegido como un enfoque de respaldo, no analizado en detalle

Energía solar

• La energía solar es difícil debido a los bajos niveles de luz en la superficie [ref]
• La alta temperatura en la superficie hace que la conversión fotovoltaica sea ineficiente
• El enfoque requeriría el desarrollo de nuevas tecnologías [ref]

Almacenamiento de productos químicos (batería o pila de combustible)

• Requiere tecnología de alta temperatura.
• Enfoque práctico para misiones cortas o potencias bajas

PAPEL II. BATERÍAS EN VENUS DOI: 10.2514/1.41886 paywalled .

Baterías Térmicas (un solo uso):

Basados ​​en eutécticos de sal fundida a baja temperatura, se trata de baterías de un solo uso que no se activan (o se autodescargan) hasta que alcanzan la temperatura de funcionamiento y el electrolito se derrite.

Batería de azufre de sodio (recargable):

Una tecnología alternativa de batería de alta temperatura es la batería de sodio y azufre [refs]. Las baterías de sodio y azufre se desarrollaron inicialmente como un sistema de batería recargable de alta energía específica con una baja tasa de autodescarga para vehículos eléctricos. Actualmente se están demostrando en aplicaciones de servicios públicos [ref] para servir como un sistema de almacenamiento de energía para almacenar energía para su uso durante los períodos de máxima demanda. Estas baterías han demostrado cientos de ciclos de carga/descarga con una baja disminución de capacidad.

[...]

Las baterías actuales de sodio y azufre utilizan un electrolito de óxido sólido de beta-alúmina. Este electrolito también sirve como separador entre el ánodo de sodio líquido y el cátodo de azufre líquido. A temperaturas de operación por encima de los 300°C, los iones de sodio son móviles en el material de electrolito sólido. Debido a la relativa impermeabilidad del electrolito sólido, la tasa de autodescarga de la batería de NaS es extremadamente baja. Un esquema de la batería se muestra en la Fig. 2.

Debido a la alta energía específica, ha habido cierto interés en el uso de baterías de azufre de sodio para operaciones espaciales [refs], a pesar de las altas temperaturas. Una dificultad potencial de la tecnología de baterías de NaS es la fragilidad del electrolito de beta-alúmina. Se realizó una prueba de demostración de la batería de sodio-azufre en el espacio en el vuelo del transbordador espacial STS-87 en noviembre de 1997. Esto se muestra en la Fig. 3. El experimento duró 10 días y demostró que la batería NaS podría calificarse con éxito para la operación espacial. y operar en condiciones espaciales. (énfasis añadido)

Batería de cloruro metálico de sodio:

Se han demostrado las químicas Na=NiCl2 y Na=FeCl2, aunque se prefiere la química NiCl2 debido al rango más amplio de temperatura de operación, 200–400C [ref]. El esquema de la batería de Na=NiCl2 es prácticamente idéntico al de la batería de NaS que se muestra en la Fig. 3, excepto que el ánodo de Na suele estar en el exterior, mientras que el cátodo de NiCl2 está en el centro. El voltaje de la celda Vo es ligeramente superior al de la batería NaS. Se ha demostrado una potencia específica de hasta 143 W h=kg.

El estado de desarrollo tecnológico de esta batería para aplicaciones terrestres es alto, con una base de experiencia de miles de baterías construidas y muchos proyectos de demostración con más de 15 años de experiencia. Sin embargo, las baterías terrestres normalmente funcionan en el extremo inferior del rango de temperatura, normalmente 270C, aunque Pistoia [ref] informó que es posible el funcionamiento a 450C de la batería de Na=NiCl2. Un trabajo reciente del Departamento de Energía de EE. UU. [ref] ha probado baterías de Na-FeCl2 de una sola celda a temperaturas de 500 y 600 C, sin fallas después de 7 h de operación a 500 C, y Na-ZnCl2 por hasta 50 h de operación a 500 C. 425C. Sin embargo, se ha realizado un esfuerzo de desarrollo comparativamente pequeño en el rango de operación de temperatura más alta, porque la operación a temperatura alta no es de interés para aplicaciones terrestres.

Nueva tecnología de batería: batería de litio/carbonato de litio

Para la operación a temperatura ambiente de Venus, se utiliza una sal fundida como electrolito. Las opciones obvias son sales de haluros o sales de carbonato.

El electrolito óptimo sería un carbonato fundido. Esto hace que la estructura de la batería sea en gran medida análoga a la celda de combustible de carbonato fundido, y gran parte del desarrollo tecnológico para las celdas de combustible de carbonato fundido será directamente aplicable. Esta es una estructura de dispositivo que ha experimentado un desarrollo tecnológico considerable para aplicaciones terrestres.

Aunque el carbonato de litio puro, con un punto de fusión de 723 °C, no es líquido a la temperatura de Venus, un carbonato mixto eutéctico sí lo es. El eutéctico ternario Li0:44Na0:30K0:262CO3 tiene un punto de fusión de 393C [refs], lo suficientemente bajo como para ser líquido a las temperaturas de la superficie de Venus en todos los lugares del planeta.

Un RTG ciertamente puede y funcionaría en Venus, ya que el lado caliente está a unos 1200 C. Simplemente no sería tan eficiente como lo sería con un lado frío más frío. Busque artículos de Geoff Landis sobre esto.

Para la mayoría de las sondas prácticas, las baterías son la única opción real. Los RTG son para misiones que duran años, y Venus es un entorno en el que "larga duración" se traduce como "tres horas".

Para ese tipo de período de tiempo, no necesita recargar, y mantener frío el interior de la sonda puede ser tan simple como el aislamiento y tal vez una pequeña cantidad de hielo.

Si logra diseñar todos los demás componentes para que sobrevivan a largo plazo, una turbina eólica sería una buena opción. Las condiciones de la superficie de Venus no son más extremas que las del interior de un motor a reacción común, por lo que la ingeniería involucrada es bastante conocida.