¿Sería posible impulsar un módulo de aterrizaje de Venus utilizando un diferencial de temperatura?

Venus tiene una temperatura superficial promedio de 735K. ¿Sería posible aprovechar esta temperatura extrema y utilizarla para generar electricidad? Después de todo, ese es el principio con el que funciona un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG). Y una gran parte de la energía eléctrica de RTG se destina a calentar la nave espacial para mantener su electrónica e instrumentos en funcionamiento. Los paneles solares no podrían usarse para alimentar un módulo de aterrizaje venusiano, porque la atmósfera los destruiría y los RTG son caros. Pero si hay una forma de convertir el calor atmosférico en electricidad, podríamos tener una misión a Venus más larga sin tener que preocuparnos por la energía.

El problema es el "diferencial". Llevar un trozo de hielo difícilmente duraría más que una batería cargada con la misma masa. Es simplemente caliente, no hay muchos gradientes de temperatura para usar. La espesa atmósfera nivela la temperatura en la superficie, sin cráteres polares eternamente sombreados para usar. Pero algunos físicos locos tal vez inventen un globo con un cable colgando a través de diferentes capas de temperatura y de alguna manera...
@LocalFluff Estaba a punto de hacer el mismo comentario: "¿Qué diferencial?" El módulo de aterrizaje se calentará rápidamente para adaptarse a su entorno.
Ya veo, eso tiene mucho sentido. Supongo que debería haber pensado en eso. O lea más de cerca la página de Wikipedia sobre Generador termoeléctrico.
¡Gracias, pero no lo aceptaría como respuesta! Escuchemos a alguien que realmente sepa de estas cosas. Simplemente copio y comparo lo que otros dicen. Solo respondo, o comento, cuando estoy lo suficientemente seguro de que otros están lo suficientemente seguros de que es casi cierto. Y a veces para tratar de explicar cosas que otros dicen de una manera que sea más accesible para un público más general, porque estoy de su lado. No produzco, consumo ciencia.
La respuesta más simple sería desarrollar una sonda que pudiera operar a 863F. Hay cerámicas y metales que pueden existir a esta temperatura. La tecnología de tubos de vacío podría utilizarse para crear componentes electrónicos que pudieran funcionar a esta temperatura. Es lo suficientemente caliente como para usar materiales que emiten electrones directamente en lugar de necesitar filamentos eléctricos. Podría ser necesario usar oro para el cableado, porque la plata estaría cerca del punto de fusión. Entonces, tal vez haya una manera de hacer una sonda que pueda usar la temperatura ambiente para al menos parte de la energía necesaria.
@LocalFluff ¿un trozo de hielo? ¡Se transformaría rápidamente en vapor, convirtiéndolo en el primer módulo de aterrizaje steampunk! Sería grandioso :)

Respuestas (3)

La alta temperatura en sí misma es inútil. Necesita un diferencial de temperatura, al igual que RTG aprovecha la diferencia entre la temperatura del plutonio y la del espacio exterior. La energía cinética (calor) fluye desde la región de alta temperatura a la región de baja temperatura y puede trabajar en el camino.

En Venus, no hay gradiente. Todo tiene la misma temperatura. Desea mantener su nave espacial mucho más fría que la temperatura ambiente, pero eso significa gastar mucha energía para bombear el calor. Ejecutar un elemento Peltier a partir de la diferencia entre la nave espacial y la temperatura ambiente solo disminuiría la efectividad de su sistema de enfriamiento, ya que dejaría que el calor regresara a través del elemento Peltier.

Es posible que pueda hacer algo como OTEC: https://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_thermal_energy_conversion . Digamos que colocas un ancla en la superficie y le conectas un globo. Deje que el globo flote a una altitud de 5 km con una cuerda, lo que le da una diferencia de temperatura de aproximadamente 38 C (aproximadamente el doble de lo que podría obtener OTEC). La presión atmosférica es unas 70 veces mayor que la de la Tierra, por lo que no se necesita un globo de helio muy grande para soportar un peso bastante grande. En una escala logarítmica, la flotabilidad en la atmósfera veneriana es más similar a la flotabilidad en el agua que a la flotabilidad en la atmósfera terrestre.

La parte difícil entonces es lo mismo que hace que sea difícil hacer que OTEC funcione. Tiene que operar un motor térmico entre depósitos de calor que están separados por una gran distancia, y la eficiencia termodinámica será bastante baja porque Δ T / T es sólo alrededor del 5%. Este es probablemente un escenario de alta tecnología en un futuro lejano en lugar de algo que podría explotarse para sondas en un futuro previsible.

La energía eólica de los vientos superficiales es probablemente mucho más práctica, aunque al igual que con la energía eólica en la tierra, desaparecería cuando no hubiera viento.

También está el problema de hacer un globo capaz de sobrevivir en la atmósfera de Venus.
@Phiteros: Supongo que está visualizando un globo de mylar o de goma. Las fuerzas de flotación en Venus son 70 veces mayores que en la Tierra, por lo que flotaría una lata de café llena de helio.
No, entiendo que sería un globo de metal. Pero la combinación de ácido sulfúrico, calor intenso y presión significaría que dicho globo, así como el cable que lo conecta al módulo de aterrizaje, tendría que ser extremadamente resistente. Ya es bastante difícil construir un módulo de aterrizaje que pueda sobrevivir en la superficie de Venus.

Recientemente estuve en una juerga de verificación de "energía específica", así que probemos el almacenamiento de energía de agua helada para la aplicación Venus.

Veamos cuánta energía podemos almacenar como gradiente de temperatura en Venus.

Sorprendentemente, el agua es un material con el calor específico más alto en un rango de temperaturas. Puede aumentarlo en medio por ciento más o menos mediante adiciones, pero tomemos agua pura para un cálculo más fácil.

Agua helada: 2,108 kJ por kilogramo por Kelvin Calor latente de fusión: 334 KJ/kg @ 273,15 K Agua líquida: 4,184 KJ por kilogramo por Kelvin Calor latente de vaporización: 2264,76 KJ/kg @ 373,15 Vapor de agua: 1,996 kJ por kilogramo por Kelvin

Enfriamos el bloque de hielo a 77,2 K mientras usamos propulsores de gas frío - Nitrógeno líquido, realizando la quema de reentrada. Esa es la temperatura inicial.

Temperatura de la superficie de Venus: 735 K

Primero, calentando el hielo hasta 0. 273.15-77.2 = 195.95K. Veces 2.108 = 413KJ. Luego fundirlo: 334 KJ. Luego calentar agua: 4.184 veces 100K = 418.4KJ Luego evaporar: 2264.7KJ Luego calentar el vapor: 735-373.15 = 361.85 veces 1.996 = 722.2KJ.

4.152MJ por kilogramo.

No esta mal. Aproximadamente la misma densidad de energía que la termita y aproximadamente 8 veces más que las baterías de iones de litio.

Desafortunadamente, eso lo coloca por debajo de las baterías de iones de litio como fuente de energía eléctrica.

Los termopares, aunque son muy confiables y duraderos, son muy ineficientes; Nunca se han logrado eficiencias superiores al 10 % y la mayoría de los RTG tienen eficiencias entre el 3 y el 7 %. fuente

Entonces, con un generoso 10%, estamos en 0.4MJ: energía específica de las baterías alcalinas a nivel de consumidor. ¡Pobre!

¡PERO! El resto de la energía no se desperdicia. Se usa para enfriar la nave, como un sublimador. Entonces, la idea no es del todo mala: ¡podría comprarle a la sonda un buen par de horas de vida! Simplemente no es bueno como fuente de energía sola.

... y, por supuesto, mis cálculos están muy mal debido a la presión de Venus. El rendimiento real será peor. Pero realmente no puedo encontrar los datos para calores de agua a 90 bar, y lo que tenemos debería darle una idea de a qué nos enfrentamos.

Un termopar o termopila es un tipo de motor térmico, por lo que su eficiencia se rige por la 2ª ley de la termodinámica. La eficiencia va a depender de la diferencia de temperatura. Sus cifras citadas de WP son para RTG en naves espaciales. Para Cassini RTG, la diferencia de temperatura es de aproximadamente 1500 K. En su ejemplo, la diferencia de temperatura comienza en aproximadamente 700 K y desciende a cero. Entonces, si la diferencia de temperatura promedio es de aproximadamente 350 K, esperaríamos que la eficiencia sea aproximadamente 1/4 tan buena como la de Cassini.
Ha estimado la densidad de energía como energía por unidad de masa, pero sería interesante ver cuál es por unidad de volumen. Incluso a 90 atmósferas, un kilogramo de vapor ocupa mucho espacio.
@BenCrowell: A medida que se expande, obviamente se ventilará... aún así, podría ventilarse solo después de alcanzar el objetivo de 700K, lo que significaría un volumen excesivo o una presión excesiva.
Bueno, ese aumento de volumen podría usarse para impulsar una turbina o algo así.
@Phiteros: Eso es probablemente más viable que los termopares, si las turbinas razonablemente ligeras pueden sobrevivir al vuelo espacial y al reingreso. La densidad del vapor en las condiciones de Venus es de 31 kg/m^3, es decir, el 3 % de la densidad del agua. Ese es un coeficiente de expansión bastante bueno que seguramente se puede aprovechar.
¿Sería posible impulsar un módulo de aterrizaje de Venus utilizando un diferencial de temperatura?
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