Nukleartechnik für die Raumfahrt

Wieder einmal zu nuklearer Energieversorgung:

http://web.mit.edu/newsoffice/2011/sun-free-photovoltaics-0728.html

Angenommen ich habe eine Masse Plutonium, die 100MW abgibt. Rundherum eine Schicht aus Thermo-Elektrischen Wandlern (Infrarot Photovoltaik) wie den obrigen. Die haben (bald) 10% Wirkungsgrad. Dann gewinnt man 10 MW Strom und 90 MW Wärme bleiben. (Die müsste man über große Radiatoren abführen).
Wenn ich diese Wärme nicht abführe, sondern statdessen eine zweite Schicht Thermovoltaik aufbringe, dann könnte ich doch wieder elektrische 9 MW gewinnen, usw.

Mit etwas Aufwand habe ich dann mal 90% Wirkungsgrad und nur 10%  (10 MW) der Wärme zum Abführen (sehr kleine Radiatoren)



Ist mein Gedankengang da richtig?

Ließe sich die Wärmeenergie nicht auch noch zu einem nicht uneheblichen Teil noch mit Stirlingmotoren o.Ä. nutzen? Und eventuell kann man die Strahlung sowieso mit dieser experimentellen Gold/Kohlenstofffolie direkt in Strom umwandeln. Wäre doch insgesamt bestimmt deutlich mehr (30-40%vll). Dann ist auch viel weniger zum abführen da.

Ich sehe ehrlich gesagt keinen Sinn darin nur Thermovoltaik zu verwenden.

EDIT: Hier  hab ich übrigens noch eine alternative gefunden. Keine Ahnung ob es schon Pläne zur Anwendung gibt.
http://www.mpoweruk.com/amtec.htm

Gold/Kohlenstofffolie direkt in Strom umwandeln.

Ja, aber das ist noch eher Zukunftsmusik... Das wird frühestens in 15 Jahren halbwegs Marktreif sein. Damit hätte man dann auch fast 100 %...
Aber wo ist der Markt dafür, dass man Radioaktive Strahlung umwandelt - 99,9% der Bürger haben keine radioaktiven Substanzen.
Bei Infrarot-Solarzellen hingegen wäre ein großer Markt da!! Alleine zur Energierückgewinnung von Autos...

Ließe sich die Wärmeenergie nicht auch noch zu einem nicht uneheblichen Teil noch mit Stirlingmotoren o.Ä. nutzen?

Ja. Aber im Weltraum hat man keine Luft zum Kühlen, man braucht schwere Radiatoren.  Und mit Thermovoltaik bräuchte man dann gar nichts...

@Runner: vlt. zu kurz und algemein, aber:

in der Luft- und Raumfahrt kommt es sehr stark auf das Leistung-zu-Gewichtverhältniss. Um bei dem Beispiel zu bleiben - man hat bei sollchen, auf den ersten Blik verschwenderischen Systemen mit 10% Wikrungsgrad einen unproportional geringeres Gewicht als bei 20% etc. Die Rechnung ist recht komplex, daher belasse ich es erstmal dabei.

grüße

in der Luft- und Raumfahrt kommt es sehr stark auf das Leistung-zu-Gewichtverhältniss. Um bei dem Beispiel zu bleiben - man hat bei sollchen, auf den ersten Blik verschwenderischen Systemen mit 10% Wikrungsgrad einen unproportional geringeres Gewicht als bei 20% etc. Die Rechnung ist recht komplex, daher belasse ich es erstmal dabei.

Ja, du hast schon Recht, dass mit Stirling der Wirkungsgrad 20-30 (habe ich so in Erinnerung) deutlich höher ist.

Aber wie gesagt, für einen Stirlinggenerator brauchst du schon mal grundsätzlich eine Temperaturdifferenz - also Radiatoren. 70% der Wärme musst du dann wieder ungenützt rauslassen - über Radiatoren... Also ziemlich viel Masse an Radiatoren.

Natürlich bekommst du bei Thermovoltaik auch viel Gewicht zusammen, wenn du viele Lagen nimmts.
Allerdings musst du dann auch bedenken, dass du dann

1) Einen Kompakten Reaktor hast, Radiatoren müsstest du mühevoll entfalten und Radiatoren sind auch immer Potenitelle Kandidaten für Einschläge von Mikrometeroiden. Ein kompakter Reaktor wäre durch die Multi-Layer-Insulation der Aussenhaut gut geschützt.

2) Ich denke trotzdem, dass das Gewicht von Radiatoren da deutlich höher wäre, also wärest du trotzdem leichter. Es wurde hier ja schon des öfteren diskutiert, dass das Volumen mit der dritten Potenz wächst, Die Oberfläche nur mit der zweiten. Da kommt dann schon ordentlich was zusammen....

Naja, aber meine Idee der Energieerhaltung ist schon richtig oder?
Wenn ich 90% der Wärme in Strom verwandeln kann, dann brauche ich nur mehr 10 % als Wärme abführen. Oder??

Naja, aber meine Idee der Energieerhaltung ist schon richtig oder?
Wenn ich 90% der Wärme in Strom verwandeln kann, dann brauche ich nur mehr 10 % als Wärme abführen. Oder??

Im Prinzip ja, aber man muss die Sache zuende denken. Mit Ausnahme der Energie die dazu verwendet wird, den Bewegungszustand zu verändern, wird letztendlich doch fast alles zu Wärme. Deshalb bleibts dabei: Der Energieerhaltungssatz gilt, und man muss die Wärme die man erzeugt, auch wieder loswerden..

-ZiLi-

Im Prinzip ja, aber man muss die Sache zuende denken. Mit Ausnahme der Energie die dazu verwendet wird, den Bewegungszustand zu verändern, wird letztendlich doch fast alles zu Wärme. Deshalb bleibts dabei: Der Energieerhaltungssatz gilt, und man muss die Wärme die man erzeugt, auch wieder loswerden..

Ja ist klar.

Aber bei einem Ionentriebwerk z.B. wird die Energie auf die Teilchen übertragen und die werden hinten rausgeschossen.

...und da beisst sich die Katze in den Schwanz. Deshalb sollte man die Sache von hnten aufrollen und als erstes den Wirkungsgrad des Emitters weitestmöglich anheben, bevor man sich zusätzliche Probleme aufhalst, die mit einer Umgehung dieser einhergehen.

-ZiLi-

Deshalb sollte man die Sache von hnten aufrollen und als erstes den Wirkungsgrad des Emitters weitestmöglich anheben, bevor man sich zusätzliche Probleme aufhalst, die mit einer Umgehung dieser einhergehen.

d.H. der Wirkungsgrad des Ionentriebwerks?

d.H. der Wirkungsgrad des Ionentriebwerks?

exakt - momentan ist man wohl schon in der Größenordnung von 50-70% angekommen - bring das mal auf >90%, und meines Erachtens wirds erst DANN richtig interessant, sich mehr dem Wirkungsgrad der Stromerzeugung zu widmen. Klar, Verbesserungen in allen Bereichen sind immer richtig, aber am effektivsten ist es natürlich, am 'Business end' damit anzufangen.

-ZiLi-

Daran forscht doch Ad-Astra gerade mit VASIMR??

Theoretisch können die einen VASIMR so stark bauen, dass er von der Erde abheben könnte... (?)  Hätten wir eine Energiequelle, die (etwas  ) mehr als 1kW liefern kann...

Hallo Alle zusammen

Die Probleme liegen heute in der Überführung der thermischen Energie in elektrische Energie. Genauer: in der Abfuhr der Entropie. Das ist nun mal so bei thermischen Kreisprozessen. Man muß nicht nur Heizen, sondern auch Kühlen.

Wenn Stirling Motoren im Weltraum verwendet werden, müssen Lecks zwischen Kolben und Zylinder vermieden werden. Oder man nimmt zusätzlich Treibmittel mit. Wie es heute bei der ISS mit dem Ammoniak im Kühlkreislauf gemacht wird. Ohne Medium funktioniert ein Stirling-Motor leider nicht.

Und ehrlich gesagt bin ich von Vasimr in der letzten Zeit etwas enttäuscht. Es wurde von Europa aus versucht Vasimr auf der ISS einzusetzen. Hat aber nicht geklappt.

Gruß Matjes

   

Warum fixiert sich jeder eigentlich so auf VASIMR? Es gibt doch bereits richtig gute getestete Ionentriebwerke HiPEP z.B. hat doch schon sehr gute Leistungsdaten. Warum nicht diesen nehmen.

Warum fixiert sich jeder eigentlich so auf VASIMR? Es gibt doch bereits richtig gute getestete Ionentriebwerke HiPEP z.B. hat doch schon sehr gute Leistungsdaten. Warum nicht diesen nehmen.

Weil VASIMR zumindest zur Zeit der einzige Ansatz ist, der auch hohen Schub bringt, und nicht nur hohe Effektivität. In der Hinsicht wirds wohl nie (bzw. auf absehbare Zeit nicht) auf ein einziges System herauslaufen, da es eben sowohl Bedarf für zwar schubschwache aber effektive Systeme gibt (der mit den heutigen Entwicklungen schon recht gut gedeckt wird), als auch Bedarf für schubstarke, welche vielleicht irgendwann chemische Systeme abzulösen in der Lage sind. Und deshalb muss da die Entwicklung weitergehen. Sicherlich könnte irgendwann mal ein skalierbares universelles Triebwerk dabei rausspringen - aber das muss halt noch entwickelt werden...

-ZiLi-

Ok. Aber kann man jetzt mit Infrarot-Photovoltaik einen gewaltigen Wirkungsgrad haben, wenn man viele hintereinanderschaltet??

Wie gesagt, eine hat nur 9-10% Wirkungsgrad. Der Rest bleibt Wärme, nehme ich mal an?
Und die Restwärme wärmt das nächste Thermmoelement auf, das Erzeugt wieder Strom, und 90% bleiben wieder Wärme, die wiederrum zum nächsten Element kommen.

Bis kaum mehr Wärme über ist und man 80-90% der thermischen Energie in elektrische umgewandelt hat??

Für die Vasimr Triebwerke ist  die Zeit noch nicht reif. NASA entwickelt zur Zeit mehrere Festkerntriebwerke für die Asteroiden- als auch für Marsflüge. Die Bodentests beginnen 2020 und die erste technologische Flugerprobung schon 2023.
Es werden auch wiederverwendbare Festkerntriebwerke zum Einsatz kommen.





Der kleine ist für die Bodenerprobung gedacht und die grossen ab 50 klb für bemannte Flüge. 


 
Die russische Seite hat ein anderes Konzept in Arbeit, er ist zwar schwieriger aber effektiver als der NASA. Auf dem Bild der 1 MW Antrieb. Für bemannte Flüge kommt ein 25MW Antrieb mit bimodularen Reaktor der auch sehr hohe Schübe erzeugen kann zum Einsatz.

http://www.rg.ru/2012/10/03/raketa.html

Zum Abschluss noch zwei aktuellste Links der  NASA Forschung bezüglich der nuklearen Triebwerke im Zusammenhang mit den bevorstehenden Asteroiden-und Marsflügen:

Nuclear Thermal Propulsion for Advanced Space Exploration
Houts, M. G.; Borowski, S. K.; George, J. A.; Kim, T.; Emrich, W. J.; Hickman, R. R.; Broadway, J. W.; Gerrish, H. P.; Adams, R. B.  May-2012

 http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120014974_2012014786.pdf


sowie:
 
25000-lbf Thrust Engine Options Based on the Small Nuclear Rocket Engine Design

http://www.neofuel.com/Schnitzler-Borowski-2009_NTR_25klbs_3.5TtW_AIAA-2009-5239-234.pdf

WoW! Danke für die Links!

Hallo Gast-N,
ich kenne Träume zu Tausenden seit den 1960er Jahren...

Träumen ist schön, hat aber nichts mit der Realität zu tun.

Sorry
NCC1701

Was bist du? Nichts Checkender Choleriker aus dem Jahre 1701?

 Du bist nicht einfach provozierend, wie manch hier meinen kann, meiner Meninung nach bist du beleidigend. Wieso dein Müll toleriert wird, bleibt mir ein Rätzel.

Das was du so abwertend als "Treume" verkennst sind Studien, wissenschaftliche, betriebswirtschaftliche, logistische. Dahinter stehen tausende Menschen.

Man darf zu Ideen und Konzepten ja geteilter Meinung sein. Allein weil man kritisch ist, ist das ja nicht abwertend/beleidigend zu verstehen. Aber, die Tonart macht's ...

Konzepte entstehen ständig, rund um die Welt. Das ist kreativ. Meist verschwinden sie dann aber wieder. Aber, solche Studien helfen die Ideen quantitativ zu bewerten und so über sie zu entscheiden, anstatt einfach zu pauschalisieren. Allein deswegen ist diese Arbeit wertvoll, auch wenn meist am Ende "nichts" raus kommt.

Es ist auch mal schön solche Gedanken aus Russland zu sehen. Nicht nur die "think tanks" der NASA beschäftigen sich mit der Zukunft.

Ja - das Material reicht für die nächsten Wochen zum durcharbeiten.
Selbst wenn viele Studien nicht verwirklicht werden, sind sie nicht umsonst,
weil sie der "Weg" der Entwicklung sind.

Hallo Gast-N,
ich kenne Träume zu Tausenden seit den 1960er Jahren...

Träumen ist schön, hat aber nichts mit der Realität zu tun.

Sorry
NCC1701

Da ich mich noch nicht ausgelogt habe folgendes :

Es ist schon eine bodenlose Unverschämtheit mir Vorschriften zu machen damit ich serious schreibe ( deine Wortwahl in russischer nukleartechnik). Ich habe nur den aktuellsten Stand der Forschung der beiden Nationen hier näher gebracht. Nicht mehr und nicht weniger.

Fakt ist, das ohne diese Antriebe bemannte Flüge zum Mars kaum machbar sind und die NASA hätte auch die SLS nicht entwickelt. Warum heute ist das machbar, kannst du in den NASA Dokumenten ersehen. Wie schon gepostet um 2020 beginnen die ersten Brenversuche an einen kleinen Festkerntriebwrk.
Nach 2022 bis 24 beginnen die ersten technologischen Erprobungen im Weltraum. Der NASA Fahrplan zu Asteroiden ist doch beschlossene Sache und mit den neuen Technologien ist der Aufwand mit Antrieben mit einen ISP um 900s nicht so gross.
Sämtliche Berechnungen, Varianten, Kostenberechnungen und umfangreiche Daten zu den Materialien wurden publiziert und liegen mir vor. Es wird also sehr spannend.

Stan Borowski, the technical lead for Nuclear Thermal Rocket propulsion at NASA’s Glenn Research Center, hat die meiste Arbeit geleistet. Neben seiner ernsthaftigkeit zur sener Arbeit, hat auch eine gehörige Portion an Humor, wir nur schmunzeln über deine Worte.

Zu meinen NASA Links über nukleare Antriebe noch ein Bild dazu. Es zeigt die Orion Kapsel verbunden mit Kopernikus-Habitat und Treibstoftanks. Am Ende sind drei nukleare Triebwerke angebracht. Durch die hohe Schubkraft der Triebwerke wird die Einschaltzeit bis max. 30-45 minuten betragen. In alten Konzepten wurde von einer Brenzeit bis 10 Stunden für einen Flug zum Mars gesprochen.


Quelle: NASA

Fakt ist, das ohne diese Antriebe bemannte Flüge zum Mars kaum machbar sind

Du meinst, eine mit Rückehr.

Ohne gehts vielleicht schon eher, siehe Mars One.