¿Son las ruedas volantes un medio válido de almacenamiento de energía para alimentar una gran estación espacial?

Esto es algo que se mencionó de manera casual en un libro de ciencia ficción que leí una vez y, como ahora estoy escribiendo uno, pensé que podría usarlo.

El escenario es que tengo una nave acercándose a un portal warp y estoy describiendo la apariencia y la mecánica del portal. La idea es que la investigación de motores warp en la Tierra terminó en un callejón sin salida porque nunca pudimos producir suficiente energía de manera efectiva para alimentar un campo warp más grande que la nave y el generador.

Salte a 400 años en el futuro y la humanidad ha colonizado algunos otros sistemas estelares por medio de naves de generación sub-luz. Luego desarrollan un puente warp funcional, en lugar de un motor de nave, mediante la construcción de generadores de campo warp masivos en cada extremo.

Las estaciones generadoras, básicamente puertas warp para simplificar, generan la energía necesaria durante varios días y luego la gastan en un solo día o en unas pocas horas (sin decidir) para alimentar el campo warp.

¿Serían los volantes de inercia masivos una forma válida de almacenamiento de energía? Si no, ¿qué otras ideas de almacenamiento de energía podrían ser más razonables?

Me gustaría aclarar que este es el handwavium más pesado de toda mi historia. Además de completar la teoría de la deformación, la criogenia funcional, la tecnología de impulso de fusión y algunos avances en la ciencia de los materiales, se supone que la historia es lo más razonablemente realista posible. Física real. Sin gravedad artificial. El viaje espacial lleva días y semanas entre planetas dentro del sistema. Las puertas warp se colocan en el borde más alejado de un sistema solar, lo que permite el viaje instantáneo entre sistemas, pero una vez que se sale de la puerta, viajar dentro del sistema es mucho más lento nuevamente.

Anexo: Debería haber incluido que estoy imaginando dos volantes en un par en lados opuestos de la estación para contrarrestarse entre sí, como muchos de ustedes han mencionado que sería necesario.

De hecho, los volantes se usan para varias aplicaciones que necesitan una corriente alta y de corta duración sin afectar la red local: en.wikipedia.org/wiki/Flywheel_energy_storage#Test_laboratories Por lo tanto, tener uno grande en su estación warp es una simple extrapolación.
Aquí hay otro artículo que detalla el uso de volantes y baterías para el uso de energía de alto impacto. ktoo.org/2017/09/15/… No soy lo suficientemente inteligente como para responder si eso se puede extrapolar o no.
¿Qué tienen de malo los supercondensadores que te hacen querer almacenar energía en un dispositivo mecánico giratorio masivo , con todos sus desagradables efectos secundarios? (Actúa como un giroscopio masivo; el momento de rotación es una cantidad conservada, por lo que cuando giras el volante hacia arriba o hacia abajo, algo más debe girar en la dirección opuesta; es pesado...)
Me gustaría señalar que una de las cosas importantes a tener en cuenta al escribir una historia de ciencia ficción es (en mi opinión) tratar de hacer las cosas lo más convenientes posible. Muchas de las historias que hoy parecen "hilarantes" provienen de la idea del autor de tomar lo que tenemos hoy y agregar algo para mejorarlo. ¿Carros? Los mismos, pero pueden volar. ¿Robots? Todavía tan incómodo, pero pueden hablar. ¿Fuente de energía? Volantes, pero son más grandes... Abordar un problema central no es realista (para los tiempos), pero de una manera mucho más conveniente es, en mi humilde opinión, la clave.
Recuerde usar sus volantes en pares (ya sea en sentido contrario o en lados opuestos de la estación) para equilibrar las fuerzas, no sea que su instalación warp comience a dar vueltas como un borracho.
@AlexP Los volantes tienen un nicho entre las baterías de capacitor de potencia ultracorta/de alta potencia y las baterías de larga duración/baja potencia. Básicamente, cualquier aplicación que requiera subidas de tensión del orden de segundos está bien atendida con volantes. Por supuesto, los volantes útiles tienen un cierto tamaño mínimo, por lo que la aplicación debe ser lo suficientemente grande como para justificar la complejidad/precio de una unidad de volante. Probablemente esa sea la razón por la que las luces de bicicleta usan supercaps en su lugar: es mucho más simple reducir la escala de un supercap que de un volante.
"luego gastarlo todo en un solo día o en unas pocas horas (indeciso)" Solo un pensamiento divertido, pero podrías hacer que la puerta warp se mantenga estable por una pequeña fracción de segundo. Las máquinas Z-pinch utilizadas en la investigación de fusión acumularán energía en enormes bancos de condensadores durante días y descargarán todo en unos pocos milisegundos. Dado que su configuración ya tiene el problema de que es muy difícil acumular suficiente energía para deformar, solo tendría sentido tener puertas de muy corta duración. Tendrías que medir el tiempo de los barcos que se mueven rápidamente con mucha precisión para pasar por la puerta mientras está abierta.
@AlexP: los condensadores se descargan exponencialmente, por lo que necesita una electrónica de control para suavizar el flujo de corriente. ¿Quizás la corriente debe ser perfectamente suave, que es mucho más fácil de obtener de un volante?
@jamesqf: ¿Cómo diablos un volante proporcionaría una corriente "suave"? Allí debe haber un alternador y un rectificador; y de todos modos la velocidad de rotación del volante también disminuye cuando se le quita energía, así que...
@AlexP: ¿Por qué necesita alternadores y rectificadores? Manejas todo DC, como un auto eléctrico o híbrido. Y como sabe cualquiera que haya conducido un híbrido con frenado regenerativo, es bastante posible variar suavemente la corriente/fuerza de frenado independientemente de la velocidad de rotación de las ruedas.
@jamesqf: Porque, naturalmente, los generadores producen corriente alterna. Si quieres DC necesitas rectificarlo; esto se puede hacer dentro del generador o fuera del generador, pero se necesita un rectificador, ya sea mecánico o electrónico.

Respuestas (6)

La respuesta es casi seguro que no, pero aquí está su estado del arte :

Volante superconductor

Este volante construido alrededor de cojinetes magnéticos superconductores tiene aproximadamente 2 m de ancho y 4 toneladas. Tiene 100kW-h y puede generar 300kW, lo que significa que puede descargar toda su energía en alrededor de 20-30 minutos.

Mencionaste que la tecnología de impulso warp no se desarrolló en la Tierra porque no pudieron obtener el poder. Bueno, eso significa que podemos hacer comparaciones significativas con las centrales eléctricas de la Tierra, como la central nuclear de Kashiwazaki-Kariwa en Japón. Esa poderosa fuerza puede generar 8,212,000kW de potencia. Esto significa que necesita 27.000 de esos volantes superconductores para igualar su salida.

Uno de los principales límites a la eficacia de los volantes modernos es la resistencia a la tracción. A medida que almacena más energía, ejerce más presión sobre el material. En algún momento, el volante se desgarra. (Por cierto, debes asegurarte de que estos volantes estén bien aislados entre sí... una reacción en cadena de volantes que explotan es un espectáculo horrible de ver. Esto es lo que uno pequeño puede hacer ) .

Considere también que podemos generar descargas de mayor potencia. Las centrales eléctricas están diseñadas para generar energía continua. Si solo necesita una descarga discreta, es posible que desee ver las máquinas Z-pinch como la Z-Machine en los laboratorios Sandia.

máquina Z

Además de verse increíble en las imágenes, la máquina Z es capaz de generar pulsos tan fuertes como 350 TW (eso es 350 000 000 000 kW, si mantenemos las unidades de kW que usamos para los volantes), y hay planes en el tablero de dibujo para un nuevo dispositivo. que puede llegar a 1PW (1,000,000,000,000 kW).

Sí, pero...

Los volantes de inercia se utilizan hoy en día para almacenar energía, solo que no en grandes cantidades, y no como medio de transporte de energía de un lugar a otro.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Ese gran círculo es un volante, que actúa como una especie de amortiguador de energía entre las carreras del único cilindro de la locomotora.

En general, almacenar energía como cantidad de movimiento es una mala idea. No puede almacenar mucho antes de que el volante gire tan rápido que se rompa solo y, a menos que resuelva los problemas de fricción, lo perderá rápidamente en forma de calor.

También tienes otro problema: fuerzas giroscópicas . La conservación del momento de inercia significa que debes montar estos volantes en algún tipo de cardán , o nunca podrás girar tu nave.

Finalmente, debo señalar el peligro inherente de tener un enorme objeto giratorio dentro de su nave. A diferencia del combustible químico o nuclear, no puedes simplemente tirar la energía y deshacerte de ella. También significa que su medio de transporte es extremadamente volátil. Una cosa que sale mal con esto... y estás en un muy mal momento .

Tiene razón en que la energía almacenada en los volantes es peligrosa, pero grandes cantidades de energía almacenada siempre son potencialmente peligrosas si esa energía puede liberarse de manera descontrolada.
Dado el vacío en el espacio, creo que sería mejor almacenar energía como calor en lugar de un cuerpo giratorio.
@GaryWalker Es por eso que nunca veremos un automóvil con supercondensador. La energía de un tanque de gasolina típico de un automóvil es similar a la energía de una bomba militar normal de 2000#. (Recuerde, una buena parte de ese peso es case, no boom). Imagínese si tuviera un atasco de tráfico y algo cortocircuitara uno de ellos.
¿No sería necesario usar los volantes como pares contrarrotantes para evitar cambiar la velocidad de giro de la estación espacial? (La estación espacial Tierra es lo suficientemente grande como para que se puedan usar individualmente).
En realidad, los volantes funcionan bastante bien como almacenamiento/transporte de energía, por ejemplo, el Gyrobus en.wikipedia.org/wiki/Gyrobus o el uso de volantes para el almacenamiento de energía en los autos de carrera popularmechanics.com/cars/hybrid-electric/a6266/… Y por supuesto, todos los automóviles con motor IC utilizan un volante como amortiguador de energía.

Es posible, pero tal vez no sea la mejor idea.

Los volantes modernos pueden acumular una buena cantidad de energía Densidades de energía y son relativamente seguros (lo que significa que no se desintegrarán explosivamente como lo hacen los volantes sólidos), pero siguen otros medios de almacenamiento de energía en términos de densidad de energía. La energía específica del volante, en MJ/kg, va a 0,5, que está a la par con las baterías de iones de litio normales, peor que las baterías de metal de litio (1,8) y mucho, mucho peor que las pilas de combustible de hidrógeno (142). En realidad, la cifra de hidrógeno de Wiki asume las condiciones de la Tierra, donde el oxígeno es abundante. En las naves espaciales, también se requiere almacenamiento de oxígeno. Esto haría que todo el sistema fuera varias veces menos eficiente por unidad de masa, pero aun así mucho mejor que un volante.

Los volantes son buenos cuando la energía va y viene en forma mecánica. Si necesita la energía en una forma diferente (para alimentar el campo warp), habrá una sobrecarga adicional que anularía aún más sus ventajas.

Pero para crear un "universo streampunk", ¡por qué no, ir con volantes!

Los volantes no son ideales para su aplicación en el siglo 25.

Debido a los avances en los materiales, los volantes tendrían una capacidad mayor que la actual, pero hay 2 avances tecnológicos razonables que probablemente serían mucho mejores.

Ya se han propuesto supercondensadores que tienen densidades de energía iguales a las de las pilas de combustible. También tienen densidades de potencia que son órdenes de magnitud mejores. Es difícil predecir cuán poderosos podrían llegar a ser estos con 400 años adicionales de avances.

Los superconductores a temperatura ambiente también pueden conducir a un almacenamiento de alta capacidad.

Ambas tecnologías son inherentemente eléctricas en lugar de mecánicas, y potencialmente más utilizables para alimentar directamente un campo warp.

Si especifica alimentar una puerta warp durante horas o más, estas tecnologías serían adecuadas para esto, o para alimentar puertas warp durante minutos o incluso segundos.

Los volantes rara vez se usan como fuente de energía durante horas, se usan más comúnmente como fuente de energía durante minutos o segundos hasta que una fuente de energía secundaria pueda responder (como un generador diesel). Esto se debe a que la densidad de almacenamiento de los volantes es relativamente baja.

Pero el hilado de metal es muy bueno para promediar las fluctuaciones de energía. De hecho, el metal giratorio en los propios generadores es un componente importante en el promedio de energía de la red eléctrica actual.

Si quieres otra solución, considera la posibilidad de utilizar hafnio, en concreto 178m2Hf . Se necesitan avances técnicos para averiguar cómo liberar la energía almacenada cuando se desee, pero el potencial de almacenamiento es enorme. Esto agrega complicaciones en la radioactividad y cómo convertir la liberación de energía gamma en algo para alimentar sus generadores warp, pero esto podría entretejerse en una trama interesante.

Tu impresionante volante está hecho de neutronio.

estrellas de neutrones binarias

https://newscenter.lbl.gov/2017/10/16/scientists-decode-signature-neutron-star-merger/

Un volante se romperá solo si gira demasiado rápido. A menos que las fuerzas que mantienen unido el volante sean muy fuertes, como es el caso de las estrellas de neutrones . Las estrellas de neutrones te enseñarán sobre el giro rápido.

A medida que el núcleo de la estrella colapsa, su velocidad de rotación aumenta como resultado de la conservación del momento angular, por lo que las estrellas de neutrones recién formadas giran hasta varios cientos de veces por segundo.

El neutronio que comprende las estrellas de neutrones es tan denso que permanecerá unido incluso a velocidades de rotación relativistas. Una estrella de neutrones de 10 km con la masa del Sol puede ser un poco difícil de manejar para su aplicación. Me pregunté si un trozo más pequeño de neutronio aún podría mantenerse unido. De acuerdo con la pila de física, tal vez.

https://physics.stackexchange.com/questions/143166/cuál-es-el-límite-teórico-de-masa-inferior-para-un-neutrón-gravitacionalmente-estable-st

En teoría, podría existir una estrella de neutrones estable con una masa mucho menor, si se pudiera encontrar una forma de formarla (¿quizás en una estrella de neutrones binaria cercana donde un componente pierde masa frente al otro antes de una fusión?).

Continúa con algo de física básica, incluido por qué una cantidad más pequeña de neutronio podría hacer un objeto más grande que degenera en materia más común.

O tal vez ubicaría sus puertas estelares en estrellas de neutrones binarias naturales, como se muestra arriba. En cualquier caso, su volante es un trozo giratorio de neutronio. O dos trozos giratorios, para formar las mitades de su puerta como se indica en el OP. Dada su masa, estarán orbitando uno alrededor del otro. Dada su proximidad, se moverán muy, muy rápido y se verán muy, muy bien. Puede acercarse perpendicularmente a su plano de movimiento y pasar entre ellos. Será mejor que te quedes en el centro exacto . Las estrellas se agarran.

¿Cómo se obtiene energía de una estrella de neutrones que gira rápidamente? Tal vez inducirlo a que dispare un chorro de energía que aproveches para tus propósitos.

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180926140829.htm

Otra idea, dijeron, es que los chorros puedan ser impulsados ​​por la rotación de la estrella de neutrones, en lugar de ser lanzados por líneas de campo magnético en el disco de acreción interno.

"Curiosamente, la idea impulsada por la rotación predice que el chorro será significativamente más débil debido a las estrellas de neutrones que giran más lentamente, que es exactamente lo que vemos en Sw J0243", dijo Nathalie Degenaar, también de la Universidad de Amsterdam.

Si necesita que toda su energía se libere de una sola vez (es en el caso de las estaciones generadoras), tiene muchas menos opciones de lo normal. Es probable que cualquier método térmico de generación de energía sea demasiado caliente para la mayoría de los materiales y las baterías simplemente son demasiado lentas para liberar su energía. Esto te deja solo con condensadores, volantes y tal vez handwavium si lo tienes. Aunque, con toda honestidad, esta explicación requiere que la mayor parte de su energía se libere muy rápidamente para que las baterías no sean competitivas.

(en el espacio) Los volantes son muy, muy baratos. Esto se debe a que son increíblemente simples. si encuentra un asteroide significativamente masivo (del cual probablemente habrá millones en cualquier sistema solar dado), simplemente puede fundirlo en acero (bastante barato dada la increíble fuente de energía que es la fusión) y luego volante BAMN, mucho más procesamiento sería ser requerido para una energía dada del banco de capacitores). Sin embargo, el volante en cuestión sería masivo.

Con buenos barings, su volante básicamente no perderá energía hacia el exterior.

Digamos que tiene un reactor de 100 MW con una densidad de energía de 32 vatios-hora por kilogramo de energía almacenada durante una semana, entonces serán 500 000 toneladas de acero. Eso es alrededor de 70 torres effiel. Esto definitivamente es factible, solo asegúrese de tener sus volantes en GRANDE.