AstroNEWS 
  AstroNEWS - Astronomiczne aktualności
    
Promocja
AstroNET - Polski Portal Astronomiczny
...


* * 
Poniedziałek, 20 września 2004   (Wydarzenia, imprezy, nowości)
Jak daleko można dolecieć z napędem dźwiękowym?
Przeszłość



Generator termoakustyczny
Grafika JPEG 200x160
6kB (2354/0.64)
   (Po lewej) Schamat obiegu zamkniętego generatora termoakustycznego. (Po prawej - powiększenie) Przekrój przez zbudowany z cienkich stalowych rurek "regenetrator" - nagrzewnicę gazu. Rysunek nie zawiera żadnych szczegółów technicznych.

Dodał: Marcin Nowakowski - 2004-09-20 15:01:10+02




Sondy kosmiczne odkrywające odległe światy, gdzie już nie docierają silne promienie Słońca, muszą być zasilane generatorami pozyskującymi energię cieplną z rozpadu substancji radioaktywnej. Im wyższa sprawność prądnicy, tym większa moc do dyspozycji przyrządów badawczych sondy. Nowy, bardzo wydajny generator termoakustyczny może otworzyć przed nami wrota dalekiego Wszechświata.

Naukowcy z Kalifornijskiego Uniwersytetu, pracujący w laboratorium Los Alamos wraz z badaczami z Centrum Technologii Kosmicznych imienia Northona Grummana wynaleźli nową metodę wytwarzania energii elektrycznej za pomocą fal dźwiękowych. Generator napędzany poruszającymi się falami termoakustycznymi będzie wstanie zaopatrywać w przyszłości sondy kosmiczne w prąd.

W ostatnim raporcie dla gazety Appalied Physic Letter, Scott Backhaus (Uniwersytet Kalifornijski), Emanuel Tward i Mike Petach (CTK im. N. Grummana), opisali działanie termoakustycznego systemu wytwarzającego prąd w warunkach panujących w przestrzeni kosmicznej.

Gerator termoakustyczny podłączony poruszający magnesy prądnicy jest podobnym urządzeniem do zwykłych generatorów wytwarzających prąd stały w oparciu o ciepło uzyskane z rozpadu substancji radioaktywnej. Jednak nowy wynalazek jest dwa razy bardziej wydajny niż jego poprzednicy.

Sprawność dzisiejszych generatorów wynosi 7%. W generatorze napędzanym falami termoakustycznych wskaźnik ten sięga 18%. Ponadto jedynym ruchomym elementem urządzenia oprócz gazu roboczego (helu) jest cylinder tłoka, co sprawia, że prądnica bardzo wolno ulega zużyciu. Niezawodność jest bardzo ważna podczas długich kosmicznych lotów.

Generator termoakustyczny jest adaptacją 19.-wiecznej maszyny cieplnej Robert Stirlinga. Powstałe w ubiegłym wieku urządzenie bardzo przypominało maszynę parową z tym, że tłok zamiast przez parę popychany był przez rozprężające się ciepłe powietrze.

Przy niewielkiej różnicy temperatur ciepło mogło być zamieniane na energię mechaniczną z niezwykłą sprawnością. Wynalazek Stirlinga był nowością, gdyż nie posiadał wysokociśnieniowego kotła, nieustannie zagrożonego rozerwaniem. Urządzenie działało w oparciu o zamknięty cykl przemian gazowych. Energia mechaniczna powstawała w wyniku nrozprężanie gazu ogrzewanego przez odpowiedni wymiennik ciepła.

Głównym element maszyny był porowaty kawałek ciała stałego, nazywany przez R. Stirlinga ekonomizerem. Jego zadaniem było magazynowanie ciepła między cyklami, aby móc dograć gaz w fazie rozprężania.

Generator napędzany poruszającymi się falami termoakustycznych działa na podobnej zasadzie. Gaz roboczy przechodzi przez 322 mikro-rurki ze stali nierdzewnej nazywane regeneratorem, odpowiadającym funkcją ekonomizerowi Stirlinga.

Regenerator jest połączony z obwodem źródła ciepła i chłodnicy, w którym następuje sprężanie i rozprężanie helu. Szybkie kurczenie i rozszerzanie się gazu wytwarza silne fale dźwiękowe podobne do tych jakie możemy usłyszeć podczas burzy. Wyładowania elektryczne w atmosferze również powodują nagłe rozprężanie się gorącego powietrza w obszarze błyskawicy, w czego wyniku powstaje podłużna fala uderzeniowa nazywana popularnie grzmotem.

Poruszające się w tą i z powrotem fale termoakustyczne wprawiają w ruch panewkę tłoka napędzającą prądnicę prądu stałego.

S. Bachhaus mówi w jaki sposób otrzymano tak wysoką sprawność urządzenie: "Wiele lat temu elektrownie zmagały się z problemem dużych strat energii na liniach przesyłowych. Rozwiązanie było proste: Podwyższyć napięcie i zmniejszyć natężenie prądu.", opowiada. "My poszliśmy za tym przykładem, zwiększyliśmy ciśnie ośrodka obniżając prędkość ruchu fal dźwiękowych, w ten sposób mogliśmy podnieść wydajność naszego generatora, nie tracąc mocy."

Zastosowanie poruszających się fal pozwala na wyeliminowanie kilku ruchowych części silnika przede wszystkim tłoka i korbowodu – dlatego wynalazek czasem bywa nazywany beztłokową maszyną Stirlinga.

Stojące fale dźwiękowe na przemian ściskałyby i rozprężały gaz w danym obszarze. "Zmieny gęstości gazu w urządzeniu mają pewne cechy fali stojącej (wysokie ciśnienie i bardzo niska prędkość ruchu czoła zaburzenia), nie tracąc przy tym cech fali poruszającej się (nie ma żadnych węzłów fali, w każdym punkcie ciśnienie zmienia się cyklicznie w stałej fazie ze zmianami prędkości cząsteczek ośrodka)", mówi S. Bachhaus.

Jeżeli byśmy dmuchali przez długą rurkę napełnioną helem, otrzymali byśmy silne wzmocnienie wysokich dźwięków niemal takie jak przy użyciu średniej mocy głośnika. Jednak, w tym wypadku, nie mieli byśmy do czynienia ze wzmocnieniem elektrycznym, lecz z rezonansem fali dźwiękowej o częstotliwości charakterystycznej dla rurki wypełnionej helem. Podczas każdego cyklu drgań fale o pewnej stałej częstotliwości byłyby wzmacniane, podczas gdy inne by się wygaszały.

S. Bachhaus przewiduje już jak wielkie znaczenie może mieć jego wynalazek dla przyszłych pokoleń. "W 2099 roku, na Wielkim Konwencie Narodowej Akademii Inżynierii przeprowadzony zostanie plebiscyt na najlepszy wynalazek XXI wieku.", spekuluje naukowiec. "Mam nadzieję, że na liście wynalazków, wyróżnionych przez nasze jeszcze nienarodzone dzieci, znajdzie się generator termoakustyczny. Nie tylko uprości on pracę astrofizyką i techniką zajmującym się sondami kosmicznych, ale przede wszystkim podniesie standard życia na naszej planecie, przynosząc także liczne korzyści środowisku."

"Od ponad 20 lat wspólnie z grupą kilku fizyków i techników pracujemy nad przystosowaniem termoakustycznych pomp cieplnych do warunków życia codziennego. Próbujemy zbudować coś w rodzaju "termoakustycznej lodówki". Ostatnie odkrycie zmobilizuje nas do dalszej pracy; mamy jeszcze przed sobą wiele do zrobienia", mówi S. Bachhaus.

Magnetyczna prądnicą napędzaną maszyną cieplną to nie jedyne rozwiązanie problemu ziamiany energii cieplnej na prąd elektryczny. Ostatnio coraz częściej stosuje się do tego celu układy dwóch lub więcej termopar.

Termopara to techniczna nazwa złącza dwóch różnych substancji, na ogół przewodników. Już w 1821 roku Thomas Seebeck zauważył, że na brzegach złącza dwóch różnych metali powstaje różnica potencjałów. Zjawisko można wykorzystać jdo produkcji prądu elektrycznego. Jeżeli dwa metalowe druty połączymy w obwód zamknięty powstaną dwa złącza. Jeżeli będziemy utrzymywać stałą różnicę temperatur między złączami przez obwód popłynie niewielki prąd. Termopary znalazły zastosowanie jako zasilanie w wielu zdalnie sterowanych urządzeniach. Niektóre sondy kosmiczne korzystają właśnie z takich zamienników ciepła.

W 2001 roku przedstawiono projekt generatora działającego w oparciu o termopary półprzewodnikowe. Jego sprawność również wynosiła 18%
- przypis redaktora.

Dodał: Marcin Nowakowski - 2004-09-20 15:04:47+02
Uaktualnił: Marcin Nowakowski - 2004-09-23 22:49:47+02

Źródło: SpaceDaily - Your Portal To Space

  Wersja do druku


Dodaj komentarz



Zobacz także w języku obcym Zobacz powiązane newsy (Technologie)

Czas dodania newsa: 2004-09-20 15:04:47+02

Czas ostatniego uaktualnienia: 2004-09-23 22:49:47+02

W całości newsa przeczytało osób: 7529

Czytelników dziennie: 2.04
*
*

Wróć na stronę główną

Do góry

© 2000-2009 - Klub Astronomiczny Almukantarat
Wszelkie Prawa Zastrzeżone - All Rights Reserved
Nasze serwery są obecne w sieci dzięki uprzejmości WRuta
...
Najlepiej: 1024x768x16M, HTML 4.0, CSS 2.0, JavaScript
Wydawca:  Klub Astronomiczny Almukantarat
Azzie