Sintetizar combustibles con exceso de energía

Lo primero que viene a la mente es$2 H_2O <-> H_2 + O_2$la electrólisis es bastante eficiente y también lo son las pilas de combustible.

Probablemente, para cuando tengamos FTL, estos procesos serán aún mejores.

Se pueden usar otros procesos químicos siempre y cuando se desarrollen conversiones reversibles adecuadamente eficientes (los posibles candidatos incluyen: etileno, hidrocarburos y óxidos de aluminio). Pueden proporcionar un mejor almacenamiento, erg/gr u otros beneficios prácticos.

No desaconsejo el almacenamiento eléctrico o cinético debido al alto peligro de conversión inmediata a calor bruto en caso de mal funcionamiento; Los productos químicos OTOH se pueden almacenar de manera segura en contenedores separados y descartables fuera del barco.

Si esto no es una preocupación, entonces un volante grande sobre cojinetes magnéticos sin fricción es la mejor solución tanto para la eficiencia de conversión como para la potencia/peso.

Considere la tecnología power-to-gas . Una variante, actualmente en etapa experimental , usa el exceso de electricidad para dividir las moléculas de agua por electrólisis, luego combina el H ₂ generado con CO ₂ para crear metano. Dado que el gas natural es esencialmente metano con trazas de otros gases, el metano generado se puede usar de la misma manera que se usa el gas natural. Según Wikipedia, el proceso tiene una eficiencia general del 30 % al 40 % dependiendo de cómo se utilice finalmente el gas.

Obviamente, esta tecnología puede utilizar la amplia infraestructura de transporte y almacenamiento de gas natural que ya existe en muchos países en la actualidad. Esto incluye el uso de gas natural comprimido (GNC) como combustible alternativo para automóviles.

Aquí hay algo que podríamos hacer ahora. Use metal de aluminio para almacenar energía y oxide el metal de nuevo al óxido para crear energía.

Propuse el concepto aquí: http://www.halfbakery.com/idea/Thermite_20powered_20steam_20car#1379964483

1: refinar aluminio a partir de abundante mineral utilizando energía eléctrica en exceso (o energía barata de fuentes hidroeléctricas). Está hecho.

2: Oxide el aluminio para obtener energía. La reacción de la termita es un ejemplo familiar de la energía almacenada en el metal de aluminio: en esta reacción, el aluminio extrae el oxígeno del óxido de hierro para formar el óxido de aluminio, y en el proceso emite mucho calor. Algunas personas piensan que cuando esta reacción realmente se pone en marcha, también puede quitarle el oxígeno al agua.

3: GOTO 1: Refinar el óxido de aluminio de nuevo en metal utilizando abundante electricidad.

La corteza terrestre tiene mucho aluminio en forma de óxidos y minerales. El metal de aluminio refinado tiene una enorme densidad de energía (la razón para reciclar el metal, no para refinarlo nuevo, se necesita mucha energía para fabricar el metal). El aluminio es estable y no explota, como lo demuestran las latas de refresco vacías y las sillas de playa. Cuando se calienta lo suficiente, se oxida con una enorme producción de calor: la reacción de la termita. Thermite usa óxido de hierro como fuente de oxígeno, pero podría usar aire forzado o tal vez incluso agua, una vez que se calienta lo suficiente.

Esto funcionaría mejor en la superficie terrestre, donde hay abundante oxígeno, que en el espacio, donde es necesario llevar el oxígeno.

La respuesta

Los materiales superconductores con alta densidad de electrones deberían (o lo harían después de que refinemos la tecnología) satisfacer la mayoría de sus necesidades. Las aleaciones basadas en Ta-Nb-Hf-Zr-Ti (tantalio-niobio-hafnio-zirconio-titanio) son tales materiales y uno de ellos es [TaNb] ₁ − _x (ZrHfTi) _x . Ni siquiera voy a pretender saber lo suficiente sobre la dinámica específica de estos materiales para comentar más allá de señalar que, como superconductores, tienen (a) estabilidad y (b) densidad de electrones de valencia muy alta.

SIN EMBARGO

Su pregunta se siente como una dicotomía tecnológica. ¿Tiene la tecnología para sintetizar masa (básicamente invirtiendo e = mc ² , si entiendo su pregunta), pero no tiene la tecnología para apagar los reactores que no está usando? Hacemos eso hoy, encendiendo gas natural, carbón, incluso bancos de varillas nucleares dependiendo de la demanda eléctrica.

La creación de masa para el almacenamiento de energía tendría efectos sustanciales en la operatividad de la nave, ya que su masa y centro de gravedad cambiarían durante las fases de creación y utilización de estos materiales. Sí, puedes (teóricamente) diseñar la nave para compensar... pero ¿por qué tener la debilidad cuando puedes simplemente apagar los reactores no utilizados?

(Entiendo por su pregunta que los reactores están "siempre en funcionamiento", pero esa es la dicotomía).

Esto no responde exactamente a su pregunta, pero puede ser una idea útil.

En mi humilde opinión, cualquier forma de almacenamiento de energía química no será lo suficientemente compacta como para alimentar una unidad FTL.

Sin embargo, puede almacenar su exceso de energía como plasma frío en un par de botellas magnéticas (tokamak).

Usando la energía de su fuente de energía, cree dos flujos de plasma equilibrados. Uno altamente cargado positivamente (protones del gas hidrógeno ionizado), el otro cargado negativamente (principalmente los electrones del hidrógeno ionizado). Alimenta cada flujo de plasma en una botella magnética diferente (o botellas alternas). Usando generadores de RF, usted 'enfría' el plasma, de modo que tiene menos velocidad de lado a lado y simplemente sigue moviéndose alrededor del circuito. También podría agregar más energía aumentando la velocidad del plasma alrededor del circuito.

Esto es muy vagamente lo que sucede en el gran colisionador de hadrones. Sólo el LHC acelera muy, muy rápido una pequeña cantidad de plasma.

Cuando se trata de encender su unidad FTL, abre una válvula magnética y deja que las dos corrientes de plasma se unan entre sí y hagan zoom en su atracción excesiva entre sí, alimenta su unidad y 'señala' que se encuentra en una nueva ubicación.

La limitación a la cantidad de energía que puede almacenar es:

1. Fuerza de la contención magnética (problema resuelto del desarrollo de generadores de fusión)
2. La estabilidad del sistema de enfriamiento/aceleración de RF
3. Radiación Bremsstrahlung (rayos X de electrones acelerados (alrededor de un bucle))

Los puntos 1 y 2 son bastante obvios, dijo nuf.

La radiación de Bremsstrahlung hará que su condensador magnético pierda energía con el tiempo. Esta es la razón por la que querría tener mucho plasma moviéndose lentamente (en lugar del LHC, que se mueve un poco rápido).

Más pensamientos :

En lugar de gas hidrógeno, podría usar la 'ceniza' de helio de su generador de fusión en los anillos de contención de plasma.

Podría usar pequeñas corrientes de este plasma para encontrarse y impulsar cohetes de 'impulso', cuando quiera moverse en el espacio real.

Podría usar ráfagas de plasma como arma de corto alcance (el plasma se disipará rápidamente en el espacio/cuando no esté contenido magnéticamente. (Esta podría ser una táctica poco convencional/última, ya que sangraría la carga FTL que está acumulando)

Puede conectar en cascada varias unidades de contención, de modo que la descarga de una se use para acelerar el plasma en la siguiente, que luego se usa para acelerar la siguiente, etc. trampolín. La pérdida de la radiación Bremsstrahlung no sería un problema, ya que no está tratando de almacenar plasma de alta velocidad, sino que se conecta rápidamente en cascada para un salto FTL. El patrón de ráfagas de radiación Bremsstrahlung durante una cascada sería una "firma de salto" característica de cada (¿clase de?) buque.

Advertencia de palabras de moda :

La ingeniería cuidadosa de la contención de plasma podría permitirle usar el sistema de almacenamiento como un láser de sincrotrón (sí, eso es algo real) o la radiación Bremsstrahlung de un anillo de almacenamiento podría usarse como parte de un klistrón (sí, eso también es algo real) para alimentar el generador de RF de la siguiente etapa de la cascada FTL.

eeStor tenía un prototipo o una estafa (dependiendo de con quién hables) que afirmaba almacenar 50 kWh en una caja del tamaño de una nevera. Se hizo usando capacitores basados ​​en titanato de bario. Las densidades de energía se declararon en niveles mejores que las mejores baterías de iones de litio en peso y comparables en volumen. Al estar basado en un capacitor, podía manejar tasas de carga/descarga mucho más altas que una batería, y no estaba sujeto a la corta vida útil de las baterías (millones de ciclos frente a cientos). Puede ser posible hacer algo realmente interesante con la microfabricación.

Dados los materiales con una resistencia a la tracción mucho más fuerte que la que tenemos ahora, el almacenamiento del volante luce atractivo. Potencialmente, la energía aumenta con el cuadrado de la resistencia a la tracción del material utilizado para el rotor.

Velkess intentó obtener financiación colectiva para un sistema de volante que presentaba una construcción de baja precisión, lo que reduciría notablemente el costo de producción. Actualmente necesitan financiación. http://www.velkess.com/flywheel.html

Hay mucho mérito en una economía de metanol. Utilizar el excedente de energía para producir metanol; quemar metanol en los motores de combustión interna existentes. Las modificaciones requeridas son bastante triviales. El metanol se utiliza en los coches de carreras. La reacción de metanol actual tiene una eficiencia de solo un 60%, lo que da una eficiencia de ida y vuelta horrible. https://en.wikipedia.org/wiki/Metanol_economía

Dividir el agua en H2 y O2 y luego recombinarla en una celda de combustible o en una turbina MHD le brinda una mayor eficiencia, pero el almacenamiento es más voluminoso y no tiene la ventaja de usar la infraestructura actual.

Hay varias tecnologías de batería que son demasiado pesadas para usar en vehículos, pero están llamando la atención para la energía a escala de servicios públicos. Azufre de sodio, níquel de hierro son dos. Este último es bastante antiguo, pero tiene la ventaja de que tolera muchos más ciclos de carga/descarga.

El flujo de electrolito líquido a través de las baterías está llamando la atención en este momento. Los reactivos se almacenan como soluciones y reaccionan en una celda. La capacidad de la batería está determinada por el tamaño de los tanques, la potencia determinada por el tamaño de las placas de la batería. Actualmente muy caro.

https://en.wikipedia.org/wiki/Flow_battery

Si relajamos los 20 minutos en el futuro:

El silicio-litio promete un aumento de 10 veces en la densidad de la batería, pero es probable que falte entre 10 y 20 años. El aire de Li-Air y Aluminio tiene una densidad potencial similar. Al-Air sería barato, ya que Al es mucho más común que Li. http://www.visualcapitalist.com/future-battery-technology/

Estás en el espacio. Mucho espacio. ¿Qué tal bobinas superconductoras muy grandes? En esencia, estás almacenando energía como un campo magnético. Esto también puede funcionar en la superficie, pero los campos magnéticos pueden ser una molestia grave. (Cruzar un campo magnético con un objeto conductor induce corrientes de Foucault en el conductor, lo que lo calienta).

Larry Niven en una de sus historias habla de baterías de 'distorsión molecular'. La energía se almacena cambiando la forma de alguna molécula rígida. No se da ningún otro detalle.

Robert Heinlein tiene 'Shipstones' Se menciona en varios lugares, pero pasa a primer plano en "Friday". No se proporciona tecnología.

Aquí hay muchas respuestas excelentes, sobre los detalles de cómo puede almacenar químicamente el exceso de energía. Permítanme agregar algunos pensamientos adicionales...

Primero, el almacenamiento químico de energía es un amortiguador , no una solución completa. Solo tiene tanto aluminio o H2O o metano a bordo. ¿Qué sucede cuando todo se agota y su reactor sigue funcionando a pleno rendimiento?

Quizás debería considerar otras formas de limitar la producción.

¿Su reactor es tal que puede estrangular el combustible? Esto ayudará a alargar el tiempo que lleva "llenar" su fregadero químico.

¿Tu diseño contempla la posibilidad de barras de control? (Suponiendo un reactor nuclear aquí) Absorben algunos de los neutrones rebeldes, amortiguando la reacción. Su funcionamiento normal puede tener barras de control extruidas hasta la mitad en la cámara de reacción, lo que permite una reacción y un flujo de energía moderados. Durante las condiciones máximas, puede retirar las varillas para obtener el flujo máximo. En caso de emergencia, deje caer las varillas hasta el fondo, sofocando la reacción por completo. Necesita un mecanismo como este de todos modos, para evitar desastres; ¿Por qué no usarlo también para mitigar su otro problema?

Peor de los casos...

Todo su H2O de repuesto se divide. Las barras de control no funcionan en su reactor. No se puede privar al reactor de combustible. ¿Qué puedes hacer?

Bueno, tal vez puedas... trabajar con esa energía. Ten bancos de pesadas piedras de molino; gírelos para usar el exceso de energía. Disminuirán la velocidad por sí solos, para que puedas girarlos de nuevo. Idea básica aquí: debe evitar su requisito de longevidad como una copia de seguridad definitiva y almacenar energía de una manera que no se acumule.

Finalmente, si todavía está generando demasiada electricidad, utilícela para alimentar tantos láseres de refrigerador como necesite para deshacerse de toda esa energía. Vi una discusión en la que parecían pensar que funcionaría ( https://www.physicsforums.com/threads/is-a-refrigeration-laser-thermodynamically-possible.313229/ ). Um. No hagas esto cuando estés acoplado a una estación espacial.

De acuerdo con esta página , el almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) parece más seguro, más duradero y más útil (suministro de aire de emergencia, empuje):

No se solicita, pero podría usar un muelle de carga o un doble casco para reciclar el aire, ambos permitirían la detección de fugas antes de la recompresión.

Nadie parece haber mencionado todavía la síntesis de antimateria. La antimateria gana indiscutiblemente por su mayor densidad de energía y también es estable, aunque es cierto que es difícil de almacenar y propensa a la detonación espontánea si su sistema de almacenamiento falla. . . .

De todos modos, es posible producir pequeñas cantidades de antimateria hoy (con una eficiencia bastante terrible actualmente), por lo que es una opción si realmente no tienes nada mejor que hacer con la energía de tus reactores siempre en funcionamiento. Y, como beneficio adicional, sería una fuente de energía de potencia extremadamente alta para una unidad FTL.

Si realmente te gusta la síntesis nuclear, deberías considerar lo que hacen los reactores reproductores.

La mayor parte del esfuerzo histórico para la reproducción ha sido utilizar la captura de neutrones para transmutar U-239 en Pu-239 (después de algunas desintegraciones intermedias). Concretamente U-238+n -> U-239 -> Np-239 -> Pu-239. El Pu-239 es fisionable mientras que el U-238 es fértil: ahora tiene combustible útil para reactores (o bombas).

Th-232 también es fértil, pero después de capturar un neutrón eventualmente se convierte en U-233 fisionable, otro combustible útil para reactores.

La captura de neutrones puede ocurrir directamente a través de la exposición a un reactor nuclear activo, y es bastante difícil acelerar los neutrones ya que son partículas neutras. Entonces, puede objetar que esto no es el resultado del uso del exceso de producción de energía de un reactor nuclear.

Los protones Fee se aceleran con facilidad, pero son difíciles de usar en el crecimiento de núcleos más grandes, ya que son fuertemente repelidos por el núcleo.

Si desea considerar la síntesis nuclear práctica, estas 2 reacciones son realmente las únicas opciones prácticas que tiene. Se podría hacer que cualquiera de las reacciones funcione a una escala bastante grande, aunque Th-232 es considerablemente más fácil porque tiene una sección transversal de neutrones relativamente grande en la región térmica.

Sin embargo, realmente no necesita ni desea construir grandes reservas de los elementos convertidos, ya que puede sintetizar los materiales fisionables según sea necesario (con suficiente extra en la tubería para procesar el combustible generado). Un reactor de combustible líquido es deseable porque puede extraer el producto deseado de forma continua, en lugar de permitir que absorba neutrones adicionales (no desea Pu-240 o U-234).

Muchos países han experimentado con reactores reproductores (principalmente para generar Pu-239) y finalmente se han dado por vencidos. El ciclo del torio es en realidad más práctico desde el punto de vista de la física y la ingeniería, pero históricamente no ha sido popular para la reproducción, aunque en los últimos años ha habido un interés renovado en el ciclo del combustible del torio.

Las reacciones químicas fallan en el departamento de compacidad. La producción de energía del reactor nuclear es órdenes de magnitud más allá de cualquier reacción química.

Podría considerar mi respuesta a ¿Cuál es el explosivo no nuclear más potente que puedo fabricar con nanotecnología? y Mi pregunta sobre el desarrollo de esta tecnología de futuro cercano . Ambas publicaciones tienen la misma caricatura xkcd que ilustra mi declaración en el primer párrafo.

^178m2 Hf , por ejemplo, almacena 2,446 MeV por átomo, en comparación con los más de 200 de la fisión de uranio. Agregando una barra de 1 330 000 MJ/kg al gráfico anterior (la barra tendrá una altura de 260 m), vemos que incluso al 1 % de los niveles nucleares es unas 10 000 veces más energética que cualquier energía química .

El "mejor" almacenamiento, que equivale a reducir la velocidad del reactor menos las pérdidas de eficiencia, es gastar la energía para revertir la reacción utilizada para generar energía. Por ejemplo, dividió He de nuevo en hidrógeno. Si guardó los desechos de He, invierta eso para regresar a su almacén de combustible.

La solución normal a esta pregunta se maneja desde un punto de vista económico en lugar de uno de ingeniería.

Las razones por las cuales son bastante simples de ver. Considere algunos hechos, luego emerge una imagen económica:

1. Las economías de escala generalmente hacen que una sola central eléctrica grande sea más económica por unidad de energía producida que un gran número de centrales eléctricas pequeñas.
2. El costo por unidad de energía tiende a aumentar a menos que la planta se opere a un porcentaje significativo de su capacidad.
   Aún incurre en las mismas operaciones de mantenimiento y servicio de la deuda, ya sea que funcione al 50 % o al 80 % de su capacidad, por lo que el 80 % significa más ingresos por los mismos costos.
3. Las leyes de la termodinámica seguirán aplicándose a cualquier tecnología de almacenamiento empleada, por lo que se tiene una pérdida de eficiencia en el almacenamiento y una pérdida de eficiencia en la recuperación de la energía almacenada.

Por lo tanto, el panorama general es construir plantas de energía que estén escaladas para operar al 70-80% de su capacidad en una cantidad que permita ejecutar la demanda máxima funcionando cerca de la capacidad. O haciendo funcionar cuatro plantas cerca del pico y poniendo en línea periódicamente una planta de energía de demanda pico, que también funciona cerca de su capacidad.

De acuerdo, una nave espacial es un caso de uso que es completamente diferente de las demandas de generar y distribuir energía a gran escala para una población. Allí, los problemas de ingeniería deben dar cuenta de hacer que la demanda del peor de los casos esté disponible de forma continua, por lo que las mejores eficiencias de dólar por vatio/hora vuelan por la ventana. De hecho, la sabiduría de agregar muchos gastos y masa adicional (lo que requiere un mayor empuje para mover el barco) también desaparece. Los costos directos e indirectos de un mecanismo de almacenamiento para una fuente de energía de baja exirgía superan el beneficio.

El dinero y la física pueden decir mucho sobre lo que se intentará o no, incluso si es posible.

La paráfrasis de steverino de las tres leyes es así:

1. Hay un juego.
2. No puedes ganar.
3. No puedes alcanzar el punto de equilibrio.