¿Qué “moneda” de energía de transporte sería la más adecuada para la maquinaria móvil en la superficie marciana?

¿Qué “moneda” de energía de transporte (metano, H2, electricidad) sería la más adecuada para la maquinaria móvil en la superficie marciana?

Las células fotovoltaicas (PV) o la energía nuclear probablemente serán las únicas fuentes de energía en Marte, pero ambas son de baja movilidad. La electricidad necesita almacenamiento antes de que pueda usarse para el transporte y la construcción pesada propuesta para la colonización de Marte.

El almacenamiento directo de electricidad fotovoltaica en baterías o supercondensadores es muy atractivo, pero tienen una densidad de energía mucho menor que los combustibles químicos, lo que reduce la resistencia de la maquinaria móvil.

Los planes actuales proyectan la producción de metano líquido y oxígeno ISRU a gran escala para propulsor de cohetes, por lo que es un candidato obvio para el transporte y la maquinaria pesada.

Un problema práctico con los combustibles químicos que utilizan oxígeno molecular como oxidante son las altas temperaturas que se producen cuando se mezclan estequiométricamente. El metano tiene una temperatura de llama de 1 bar de 1880 °C en aire y 2750 °C en oxígeno https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/flame-temperature . Un motor de ciclo de Carnot (ICE, turbina) tendrá presiones y temperaturas significativamente más altas, superando el punto de fusión de muchos materiales.

¿Podrían los motores ICE (de pistón o de turbina) funcionar con combustión multietapa (como un Raptor) para una combustión estequiométrica neta con temperaturas “convencionales”? Al hacer funcionar la mezcla de combustible/oxidante a una equivalencia distinta de 1,0, las temperaturas son significativamente más bajas. El combustible no quemado (u comburente) podría utilizarse en el siguiente paso de combustión con la relación de equivalencia inversa. https://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_flame_temperature

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Otra opción sería un ECE como un Sterling Engine. La NASA tiene un alternador Sterling de pistón libre alimentado por isótopos que ha estado funcionando a plena potencia continuamente desde 2003 https://www.spaceflightinsider.com/space-centers/glenn-research-center/it-keeps-going-and-going -la-prueba-del-motor-stirling-establece-un-registro-de-larga-duración-en-la-nasa-glenn . Dado que genera electricidad, se combinaría muy bien con la energía fotovoltaica y el almacenamiento en batería.

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Quizás el Santo Grial sea una celda de combustible de metano de baja temperatura. https://cen.acs.org/articles/93/i43/Best-Effort-Yet-Make-Direct.html

Dependiendo de qué productos de desecho gaseosos se generen durante la producción de oxígeno, metano y cualquier otra "fábrica química" que pueda producir en Marte, puede ser posible diluir la cantidad de oxígeno al incluir algunos de los gases de desecho, reduciendo así la temperatura de combustión. dentro de ICE, ECE o turbinas.
Buen punto. Creo que el gas residual no combustible más fácilmente disponible es el propio escape del motor (CO2 + H2O). Los ICE a veces usan la recirculación de gases de escape para reducir el preencendido.
Tema de interés en la captura de CO2 terrestre es la Oxicombustión para la generación de energía. El aire de admisión se procesa para eliminar el N2, por lo que la combustión se lleva a cabo solo con hidrocarburos y oxígeno. El escape es H2O y CO2 puros, lo que facilita enormemente la captura de CO2. El escape convencional es principalmente N2 que necesita ser concentrado del escape húmedo y caliente. Es más fácil eliminar el N2 del aire de admisión frío y seco. Este proceso adolece del mismo problema que esta discusión: cómo quemar metano y oxígeno sin derretir el motor. ieaghg.org/docs/General_Docs/Reports/…
Como un segundo pensamiento. Una solución tecnológica podría ser suministrar periódicamente cantidades medidas de oxígeno a los motores a través de un sistema de inyección de oxígeno aún por diseñar.
Buen punto. La estrategia no se aplicaría a los motores de pistón (un proceso por lotes), pero podría usarse en una turbina para proporcionar una combustión continua a medida que el gas combustible pasa a través de la turbina de potencia. La investigación de la tecnología tendría una aplicación inmediata aquí en la Tierra para la generación de energía por oxicombustión. Los generadores de alta velocidad se utilizan en los ejes del turbocompresor de los automóviles F-1 sin engranajes reductores. Una configuración similar para el Mars Buggy proporcionaría una fuente de energía liviana, compacta y confiable.
¿Cómo enfriar esta turbina? Marte es frío pero no hay mucha atmósfera para el enfriamiento por convección. Su temperatura de funcionamiento podría ser aproximadamente la misma que la de una turbina de derivación cero.

Respuestas (1)

La mejor "moneda" de energía de transporte es probablemente el kilovatio-hora. Es probable que Power on Mars sea un cuello de botella para todas las actividades, ya que será necesario para muchas cosas. Para el calor, la luz, las comunicaciones, el cultivo de alimentos, la fabricación de propulsores para los viajes de regreso a la Tierra y para cargar todos los vehículos o fabricar los combustibles químicos y los oxidantes que utilizarán.

La energía solar y nuclear son los mejores contendientes actuales, la energía nuclear para Marte tiene problemas políticos y/o problemas de preparación técnica y la energía solar tiene problemas de tamaño y problemas de tormentas de polvo. Ninguno de estos es un impedimento, pero probablemente conducirá a una combinación de fuentes de energía, almacenamiento y sistemas de respaldo que evoluciona lentamente. El costo del denominador común probablemente será la cantidad de energía que se necesitó.

Sobre esta base, la opción más eficiente sería la batería eléctrica y probablemente se usaría siempre que sea posible en rovers de alcance relativamente corto y vehículos utilitarios más livianos. Para trabajos muy pesados ​​o de largo alcance, las baterías son menos adecuadas, por lo que se pueden respaldar con otras opciones.

El metanol es relativamente fácil de sintetizar a partir de monóxido de carbono e hidrógeno, es un intermediario químico muy útil por derecho propio y sería un buen candidato para su uso en una celda de combustible.

Si se requieren motores de combustión, probablemente el metano y el oxígeno serían más fáciles de usar, ya que ya se necesitan, pero sería útil alguna forma de gas diluyente para reducir la temperatura de combustión. El dióxido de carbono comprimido de la atmósfera marciana podría usarse para este propósito.

La pregunta especifica "para maquinaria móvil". En otras palabras, después del final del acorde de extensión. La solar y la nuclear son de baja movilidad para la maquinaria de superficie de la que dependerá la extracción de recursos.
Si entiendo, los puntos solar y nuclear fueron una digresión lo siento. Mi punto estaba dirigido a qué "moneda" podría usarse para comparar diferentes medios de transporte. Dado un rover alimentado por batería y un rover alimentado por celda de combustible, preguntaría cuánta energía se tomó para cargar la batería y cuánta energía se usó para proporcionar reactivos para la celda de combustible. El que requiere menos energía es el más barato. En algunos casos, las baterías no son prácticas, por lo que se debe encontrar una solución más "cara", pero la comparación es por kWh o quizás kWh por km de viaje o similar.
Buen punto. Desde el punto de vista de la física, existe una equivalencia de conversión reversible entre diferentes formas de energía. X btu de petróleo = Y kilovatios hora de electricidad, y viceversa. En el mundo real, la equivalencia depende del uso. El aceite tiene cero kw-hr de electricidad para hacer funcionar mi computadora portátil. La electricidad tiene valor cero para mi vehículo sin un dispositivo de almacenamiento. Al preguntar sobre la “moneda” energética, me refería a la utilidad universal en oposición a la equivalencia. Como la forma en que la gente habla de la "economía del hidrógeno" en lugar de la "economía del petróleo". La batería usa electricidad, la celda de combustible usa H2.
Cuerpo de la pregunta editado para aclarar. Gracias.
Me parece bien. Sugiero que no es necesario que haya una sola "moneda" universal. Vehículos eléctricos para trabajos ligeros de menor alcance y algún otro combustible para aplicaciones de largo alcance o muy pesados. celdas de combustible que usan metanol o motor Methalox que usa diluyente de CO2.
¿Qué “moneda” de energía de transporte sería la más adecuada para la maquinaria móvil en la superficie marciana?
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