Venus-Lander

Russland möchte 2016 ja wieder einen Lander, Venera-D, auf die Venus schicken.

Bis jetzt wurden doch alle Venerasonden mit einer ablativen Salzbeschichtung vor der Hitze geschützt... Aber wie wäre es mal mit einer Wärmepumpe?? Die arbeitet immerhin effektiver als ein Peltier-element, verbraucht aber wie dieses nur Storm, den man mittels Solarzellen fast unbegrenzt hätte.

Wenn man die Sonde sehr gut thermisch isoliert, und elektrsch kühlt, wäre dann nicht ein Betrieb von mehreren Monaten möglich?

Kann eine Wärmepumpe es schaffen, von 470°C auf 50°C oder 150°C (Bzw. glaube ich mich zu erinnern, dass die Venera bei 250°C innen gelaufen sind) herunterzukühlen?

Wohin soll die Pumpe die Wärme denn pumpen? Entweder braucht man ein (begrenztes) Speicherreservoir, oder man muss die Wärme an die Umgebung abgeben.

Ich würde sagen, an die Umgebung. Ob die nun 470°C oder 500°C hat, ist doch egal...

Übrigens würden 90 bar einen ordentlich kühlenden bzw. wärmenden Effekt haben... Also, wenn die eine Seite der Wärmepumpe beispielsweise 500°C hätte, käme ziemlich schnell die Venus-'Luft' und würde sie auf 470°C runterkühlen...

90 bar haben eine "ordentlich kühlende Wirkung"? Was genau meinst du?

Also, wenn die eine Seite der Wärmepumpe beispielsweise 500°C hätte, käme ziemlich schnell die Venus-'Luft' und würde sie auf 470°C runterkühlen...

Und genau bei diesen 470°C bleibt es dann! Im Idealfall kann man zwei System auf eine Gleichgewichtstemperatur bringen.
Dazu ein einfaches Beispiel: Wir haben zwei Wassergläser mit gleichem Volumen, aber unterschiedlicher Temperatur - sagen wir 20°C und 40°C. Kippen wir beiden Volumina zusammen und warten lange genug, wird sich im Mittel eine Temperatur von 30°C einstellen. Ist das Volumen des wärmeren Wassers größer, verschiebt sich auch die Mischtemperatur nach oben.

Auf der Venus ist das Volumen der Atmosphäre deutlich größer als die Sonde, dememtsprechend hoch liegt die Mischtemperatur - kurz: sie ist hier zu vernachlässigen! Bleibt also eine Sonde, die immer noch 470°C ausgesetzt ist - und das ist deutlich zu warm...

Man brächte ein Material mit einer möglichst hohen Wärmekapazität und niedrigen Wärmeleitfähigkeit. Spontan fällt mir da Kohlenstoff in Form von Graphit ein - ob das funktionieren könnte?

Grüße
Olli

Und genau bei diesen 470°C bleibt es dann! Im Idealfall kann man zwei System auf eine Gleichgewichtstemperatur bringen.
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Auf der Venus ist das Volumen der Atmosphäre deutlich größer als die Sonde, dememtsprechend hoch liegt die Mischtemperatur - kurz: sie ist hier zu vernachlässigen! Bleibt also eine Sonde, die immer noch 470°C ausgesetzt ist - und das ist deutlich zu warm...

Ein Kühlschrank kann aber auch auf 4°C runterkühlen, auch wenn es "draußen" 25°C hat.
Es geht also auch tiefer als auf die mittlere Temperatur.  Man mischt ja nicht Sonde und Atmosphäre und kommt dann auf die mittlere Temperatur.

Frank

Dazu muss aber auch ein Teil des Kühlschranks deutlich wärmer werden und dann über Konvektion die Wärme an die Umgebung abgeben. Wenn ich in einem Lander eine Wärmepumpe habe, die einen Teil kühlt, wird ein anderer Teil erwärmt. Am Ende muss die Wärme aus dem System raus. Wenn ich von einem Medium umgeben bin, dass schon viel Wärme enthält, wird dieser Abtransport schwierig(er).

Wenn ich meinen Radiator nun auf 800 Grad erwärme, kann ich prinzipiell ein gutes Stück Wärmeenergie an die Venus-Umgebung abgeben. Den Rest des Landers muss ich eben extrem gut isolieren.

Am NASA Glenn Research Center wird derzeit ein entsprechendes Testgerät gebaut. Dabei soll eine Stirling Energie-Kühl-Kombi (Stirling Duplex) zum Einsatz kommen und mehrere luftgekühlte Isolationsschalen werden übereinander gelegt, sodass man die äußerste Schicht nur auf 250 Grad runterkühlt. Nach Innen wird es kälter, wobei die Betriebstemperatur bei 30 ° C liegt. Erreichen will man dies mit einer "pneumatic oscillating pressure wave driving source", was mir jetzt nix sagt. In etwa: "Maschine zur erzeugung von oszillierenden Luftdruckwellen", oder so ähnlich. 

Das System soll auf 9 Monate Betrieb auf der Venusoberfläche ausgelegt werden.

Etwas zu lesen gibt es dazu hier: http://www.spaceref.com/news/viewsr.html?pid=33949

Die Frage ist, ob man für eine Wärmepumpe ein Kältemittel findet, daß für diesen Temperaturbereich geeignet ist. Von 470°C außen auf 250°C innen ist schon ein gewaltiger Temperaturunterschied.

Siehe Wikipedia: Hier klicken

Klaus

PS: Da das mein erstes Posting hier ist, folgt noch eine kurze Vorstellung:

Mein Name ist Klaus und ich komme aus Wien. Beruflich bin ich Prozessleittechniker, also "leider" nicht vom Fach  . Trotzdem ist die Raumfahrt und auch die Astronomie seit vielen Jahren ein Hobby von mir...

Hallo Sulak,

willkommen im Forum! 

Ich stelle mir die Funktionsweise dieser Stirling-Energie-Kühl-Kombination so vor: Die Venusumgebung liefert thermische Energie mit der Stirling-Motoren betrieben werden, die die thermische Energie in mechanische Energie umwandeln. Damit ließe sich ein Elektromotor betreiben, welcher wiederum ein einen Kühlkreislauf betreibt. Als Kältemittel ließe sich z.B. Wasser benutzen (könnte ich mir vorstellen).

Gruß Timo

90 bar haben eine "ordentlich kühlende Wirkung"? Was genau meinst du?

Also, 90 bar sind sehr dicht.

Halte mal deine Hand in 10 Grad kaltes Wasser und 10 Grad kalte Luft. Im dichteren Medium kühlt sie schneller ab.
Das selbe bei 40°C (in der Sauna hält mans länger aus als im 40°C Bad)


Dh. die Kühlung bzw. aufheizung wirkt sehr viel schneller als bei 1 bar.

Als Kältemittel ließe sich z.B. Wasser benutzen (könnte ich mir vorstellen).

Wo willst du auf der Venus flüssiges Wasser herbekommen?
Meinst du im geschlossenen Kreislauf??
Dan müssten die Isotope 800°C erreichen und die Venusatmosphäre kühlt sie auf 500 runter...


PS.Auch von mir willkommen im Forum!

Ja, natürlich im geschlossenen Kreislauf. So eine Stirling-Kühleinheit arbeitet wohl sowieso mit gasförmigen Stoffen. Ob sich Wasser da wirklich gut eignet, weiß ich nicht.

Theoretisch könnte man den den Elektro-Generator sogar weglassen und direkt mechanisch einen Stirling-Kühler antreiben. Wenn das System insgesamt gut isoliert ist, sollte eine Abkühlung um 250° C für die äußere Hülle nicht allzu problematisch sein.

Hallo Timo,

Die Venusumgebung liefert thermische Energie mit der Stirling-Motoren betrieben werden, die die thermische Energie in mechanische Energie umwandeln.

ich denke, du hast ein Perpetuum Mobile erdacht: Eine Wärmekraftmaschine braucht einen Temperaturunterschied. Wenn der Stirlingmotor "seine Wärme" aus der Umgebung holt und dann wieder an sie abgibt (egal über wie viele Stufen), wie soll das gehen, dass dann noch ein Verbraucher angetrieben wird? Irgendwo muss "extra Wärme" herkommen, bei unseren Verbrennnungsmotoren macht das das Benzin, nicht die Umgebungswärme.

Hallo Daniel,

den Verdacht hier ein Perpetuum mobile beschrieben zu haben, kam mir auch schon. Man bräuchte schon noch eine Extraenergiequelle, um die Effizienzverluste durch Reibung etc. auszugleichen. Sonst würde das System zwar kühlen, aber den Erwärmungsprozess nur verlangsamen.

Gäbe es keine Effizienzverluste, würde das System aber einen dauerhaften Temperaturunterschied zwischen Umgebung und Landerinnerem herstellen aufrechterhalten ohne dabei ein PP zu sein, oder?

Wie genau das Konzept vom GRC aussehen soll, weiß ich nicht.

Gruß Timo

Weitere Spekulation: Wenn die Wärmekraftmaschinenkombi einen Wirkungsgrad von 80% erreicht und insgesamt 1,1 kW nötig sind, um die Temperatur in der äußeren Schale nicht über 250° C steigen zu lassen, dann müsste die externe Energiequelle lediglich 220 Watt hinzugeben. Das könnte ein RTG leisten, dessen Abwärme allerdings auch wieder an die Venusatmosphäre abgegeben werden müsste. So hört sich das zumindest an:

The system to be studied is a cooler, which is part of a Stirling duplex machine, and utilizes energy from a heat source (exhausted to Venus ambient temperature) to both drive a Stirling-cycle cooler and a Stirling-cycle power converter

edit2: Hm, nach neuerlichem Lesen dieser Passage scheint es doch so, als würden sie die Venusumgebung nicht als Hitzequelle nutzen wollen, sondern sowohl den Stirling-Kühler als auch den Stirling-Motor von der mitgebrachten Hitzequelle antreiben lassen.
.

Es sind 2 Hüllen vorgesehen?

In der inneren 30°C, innen 250°C.

Vergisst man dabei nicht auf was?
Eine Kamera müsste doch direkt an der außenhülle angebracht sein, hätte also 470°C. Ebenso Roboterarm, Antenne, etc.

Bzgl. Wärmekraftmaschine:

Wenn ich Wärme aus einer Umgebung entnehme und dann wieder an dieselbe Umgebung abgebe, hat sie der Maschine nichts gebracht. Ich habe aus dieser Wärme keine nutzbare Leistung gezogen. Die Umgebung kann ja nicht gleichzeitig Quelle und Senke des "nutzbaren Wärmeflusses" sein.

Zitat

90 bar haben eine "ordentlich kühlende Wirkung"? Was genau meinst du?

Also, 90 bar sind sehr dicht.

Halte mal deine Hand in 10 Grad kaltes Wasser und 10 Grad kalte Luft. Im dichteren Medium kühlt sie schneller ab.
Das selbe bei 40°C (in der Sauna hält mans länger aus als im 40°C Bad)


Dh. die Kühlung bzw. aufheizung wirkt sehr viel schneller als bei 1 bar.

Ich denke, dass das eher etwas zu tun hat mit dem spezifischen Wärmewert von Wasser, das bekanntlich mehr Energie schluckt als die meisten anderen Stoffe, nur um eine bestimmte Temperatur wärmer zu werden.

Bzgl. Wärmekraftmaschine:

Wenn ich Wärme aus einer Umgebung entnehme und dann wieder an dieselbe Umgebung abgebe, hat sie der Maschine nichts gebracht. Ich habe aus dieser Wärme keine nutzbare Leistung gezogen. Die Umgebung kann ja nicht gleichzeitig Quelle und Senke des "nutzbaren Wärmeflusses" sein.

Äh, warum nicht? Man startet doch mit einer ordentlichen Temperaturdifferenz. Diese Differenz kann ich nutzen um Energie zu erzeugen, die ich wiederum in die weitere Kühlung stecke. Damit verlangsamt sich der Temperaturanstieg des Landerinneren immerhin, auch wenn ich eine weitere Energiequelle brauche, um die niedrigere Temperatur dauerhaft aufrechtzuerhalten.

Hier gibt es übrigens mehr interessante Details vom GRC Ansatz: http://www.lpi.usra.edu/vexag/oct2009/presentations/hunterVenusLanderTechnologies.pdf (check insbesondere S. 7+8)

Guten morgen Timo,

Man startet doch mit einer ordentlichen Temperaturdifferenz. Diese Differenz kann ich nutzen um Energie zu erzeugen, die ich wiederum in die weitere Kühlung stecke.

was meinst du jetzt? Die Temperaturdifferenz zwischen Lander (kühl) und Umgebung (warm) soll genutzt werden, um den Lander weiter zu kühlen? Umgekehrt ginge es, aber so ist das, als ob ein Eiswürfel in unserer Luft von selbst immer kälter werden soll.

Also das ist jetzt ganz klar ein perpetuum mobile .... 

Hm, du hast wahrscheinlich recht. Ich habe nicht bedacht, dass der Stirling zusätzliche Wärme in das System einbringt. Genau diese zusätzliche Wärme könnte man, abzüglich Verluste, durch einen zweiten Stirling wieder abführen. Für das Gesamtsystem wäre das aber ungefähr so sinnvoll wie ein Eimer Wasser im Meer. 

Unten nochmal das Konzept vom GRC. GPHS steht wohl für General Purpose Heat Source. Steht RPS für Radioisotope (Free) Piston Stirling? Der Wirkungsgrad für ein solches System wird auf S. 6 mit immerhin 25% des Carnotwirkungsgrades angegeben.

Warum so kompliziert. Es gibt bereits extreme Dünnschichttechnologien, die Hitze aus einem Objekt raushalten können.  Man sollte eher in der Richtung weiterforschen.

Man will aber über Monate (oder irgendwann Jahre) die Temperaturen niedrig halten. Das schafft man nur mit aktiver Kühlung, dazu hat solch passive Kühlung einfach nicht genug Ausdauer (und wird sie wohl nicht haben können). Man braucht also im Prinzip einen Kühlschrank auf der Venus, wenn auch bei höheren Temperaturen

mfg websquid

Das Ziel bei dem NASA-Konzept liegt bei 9 Monaten Betriebsdauer.

Man will aber über Monate (oder irgendwann Jahre) die Temperaturen niedrig halten. Das schafft man nur mit aktiver Kühlung, dazu hat solch passive Kühlung einfach nicht genug Ausdauer (und wird sie wohl nicht haben können). Man braucht also im Prinzip einen Kühlschrank auf der Venus, wenn auch bei höheren Temperaturen

Ja - man kann soll die passive Isolierung sehr stark machen.

Aber man sollte auch eine aktive Kühlung einbauen (die umso weniger Strom braucht, je besser die Isolartion ist)

Angeregt durch unseren Cebit-Besuch:


Wie man sehr schön sehen kann(und wir heute auf der Cebit erfahren haben, basiert Venera-D auf der Phobos-Grunt Plattform.
Habe dazu noch eine Präsentation mit ein paar Daten gefunden: http://venus.wisc.edu/workshop/presentations/Zasova_Venera-D-vexag_resized.pdf