Добыча ресурсов довольно убогая мотивация для колонизации Солнечной системы, но есть и другая – звездное небо над головой. Только представьте себе светило в 25 раз больше Солнца и 80 спутников вокруг, три из которых размером с Луну – примерно так будет выглядеть небо Европы, спутника Юпитера. Определенно, это лучший вид Солнечной системы. Плохая новость – чтобы построить там отель нужно много энергии. Хорошая новость – там есть много воды, то есть половина энергии уже на месте. Прямо сейчас человеку нечего делать на спутниках Юпитера, как, впрочем, и на других объектах в космосе. Жизнеобеспечение гуманоидов обойдется слишком дорого. Очевидное системное решение – нужны команды роботов-строителей, которые из местных материалов построят системы жизнеобеспечения. Подсчитано, что на Марсе потребуется 90 кВт на жизнеобеспечение одного человека. Представьте, что может сделать робот с такой энерговооруженностью. С точки зрения энергетики задача миссии сводится к созданию сети зарядных станций.

Сегодня в космосе, в качестве источника тепла используется изотоп плутоний-238. Он наиболее эффективен в качестве источника тепловой энергии для термоэлектрических модулей. Но очень дорог и сложен в производстве. При этом атомная энергетика уже наработала значительное количество материалов попроще, например, стронций-90. В качестве продукта распада тяжелых ядер он присутствует в отработавшем ядерном топливе и извлекается относительно легко. В принципе, стронций-90 и плутоний-238 хороши тем, что они чистые излучатели – бета и альфа соответственно. Это означает, что от их ионизирующего излучения легко защититься просто поместив в контейнер. Радиоизотопные источники тепла не могут сломаться, «забиться», или сделать еще что-нибудь непотребное, чтобы выйти из строя. Радиоактивный распад неуправляем и не зависит ни от каких внешних факторов. Это свойство изотопа, такое же неотъемлемое, как его масса.

Для генерации какой-то осмысленной и управляемой формы энергии из тепла, которое хаотично по своей природе, нам потребуется еще один процесс, основанный на свойствах материалов. Одним из таких процессов может быть кристаллизация жидкостей.

Поехали

Для созданий генератора электрической мощности используем:

• объемное расширение жидкости при замерзании (например, воды – на 11%);
• значительные отрицательные температуры внешней среды для заморозки;
• тепло РИТЭГ для плавления.

Принцип действия

В рабочем объеме находится двухкомпонентная жидкость:

Жидкость А – например, вода;

Жидкость Б – что угодно, лишь бы температура замерзания была не меньше чем на 40С⁰ ниже чем у Жидкости А.

Жидкость А замерзает и вытесняет Жидкость Б через обратный клапан в рабочий цилиндр, при этом совершается работа по условному поднятию тяжелого груза. При достижении предельной точки открывается клапан сброса и Жидкость Б под давлением поднятого ранее груза сбрасывается на электрогенератор. Жидкость А плавится ритэгом и цикл повторяется.

Оценочно для 1 кубометра воды в качестве Жидкости А

При замерзании вода «пухнет» на 11%, то есть в рабочий цилиндр вытесняется 110 литров Жидкости Б. Большой вопрос, какое принять у этой системы рабочее давление сброса, то есть условную «мощность замерзания». На фазовой диаграмме воды лед Ih, то есть наш обычный лед, который легче воды, все еще образуется при давлении 2058 атмосфер, правда для этого требуется крепость мороза минус 21 С⁰. Но, чтобы привыкнуть к мысли, используем сначала бытовую наглядность. Из практики известно, что вода при замерзании гарантировано рвет трубы в системе отопления. По техническим характеристикам, самая слабая труба должна держать внутреннее давление 25 атмосфер. Это значение мы можем принять как «точно существующее».

Итак, мы имеем 110 литров Жидкости Б под давлением 25 атмосфер. Причем давление будет сохраняться постоянным, поскольку мы используем «гравитационный привод», а не упругие элементы.

Для приблизительной оценки используем следующие формулы.

По формуле Бернулли скорость истечения составит:

v= (2gh)^1/2 = (2 х 9,8 х 250)^1/2 = 70,0 м/с

Здесь за h (высота столба жидкости) мы принимаем эквивалент постоянного давления 25 атмосфер – 250 метров водяного столба.

Кинетическая энергия при истечении Жидкости Б объемом 110 литров при плотности 0,95 (помним, что Жидкость Б должна отличаться от воды), под давлением 25 атм. составит:

E= mv²/2 = 110х0,95х70²/2= 256286,25 Дж.

Генераторы ГЭС имеют КПД за 90%, поэтому примем, что за один такт мы сгенерировали 250 кДж чистой электрической энергии.

Много это или мало вопрос относительный, но это 250 секунд работы киловаттного двигателя взятые, по сути, из морозного воздуха. А вот дальше уже применяем тепло изотопов.

Оптимизировать можно много пунктов. В первую очередь, Жидкости А и Б. Поскольку, чем быстрее мы разморозим Жидкость А, тем быстрее повторим цикл. А вода в этой роли требует на фазовый переход лед-вода энергии больше любая другая жидкость. Если нам удастся найти или синтезировать жидкость, которая замерзала бы в заданном температурном диапазоне и имела бы коэффициент объемного расширения, например, больше 20%, то она могла бы стать отличной «Жидкостью А» вместо воды.

Однако мы должны понимать, что высокая теплоемкость процесса смены агрегатного состояния для воды это обратная сторона того, что «мощность замерзания» преодолевает уровень давления 2000 атмосфер. Таким образом, многое зависит от нашей способности сконструировать систему высокого давления. В этом случае, идеальной Жидкостью А, скорее всего окажется вода, которой на спутниках Юпитера настоящее изобилие.

Кроме того, нужна существенная оптимизация по объемам и теплопередаче – чтобы выйти на максимальную частоту тактов. В любом случае, система, конечно, будет тяжелее  GPHS-RTG, но не потребует плутония 238 и, в принципе, может быть мощнее.

Тактовая частота

Давайте оценим «тактовую частоту» на небольших объемах. Небольшой объем хорош тем, что здесь можно гораздо проще сделать прочную конструкцию под высокое давление.

Оптимизируем индикаторные формулы

v= (2gh)^1/2

E= mv²/2

В формулу энергии подставим скорость и будем помнить, что h это давление, выраженное в метрах водяного столба:

E= mv²/2 = m ((2gh)^1/2)²/2 = mgh

То есть на энергетику системы в одном такте в чистом виде влияет только масса и давление. Привяжем стандартный ритэг по балансу энергии.

Существует некоторая стандартная форма дешевого РИТЭГ – 85 ватт/0,2 литра. То есть некоторый изотопный состав, который в объеме стакана излучает 85 ватт тепловой энергии, которую нам надо пустить на плавление льда, чтобы потом запустить новый такт заморозки.

Теплота плавления льда =3,35·10⁵Дж/кг, теплоемкость льда – 2100 Дж/кг.

Для наглядности возьмем количество воды 10 кг (10 литров). Чтобы поднять температуру льда от минус 20С⁰ и сменить агрегатное состояние с твердого на жидкое, нам потребуется:

E_в = 10 кг х (3,35·10⁵Дж/кг) + 10 кг х(2100 Дж/кг С⁰) х 20С⁰ = 3,35·10⁶Дж + 420000 Дж = 3,77 МДж

С помощью одного РИТЭГ мощностью 85 ватт, это количество энергии мы будем добывать 12 часов. Выглядит не очень продуктивно. Но если мы возьмем 72 ритэга, то нужное количество тепла мы будем получать за 10 минут. В объемном выражении 72 ритэга это меньше 15 литров. К слову сказать, что этот объем можно сократить, если использовать плутоний-238. Его потребуется всего 11 килограмм. В объемном выражении  – примерно 0,7 литра.

Сделаем допущение, что мороз на улице достаточен для того, чтобы заморозить 10 литров воды за один час. Помним, что 10 литров воды при заморозке вытеснят 1,1 литров Жидкости Б. Тогда для системы:

Последний вариант на постоянную электрическую мощность 678 Вт выглядит уже вполне пригодным для какой-нибудь миссии.

По минимальным объемам размер системы будет складываться из трех систем:

• система с Жидкостями А и Б – 200 литров;
• система с ритэгами – 40 литров;
• генератор + аккумуляторы – 30 литров.

То есть общий размер системы может быть 52х52х100 см. Если, конечно, нам удастся сделать в этих габаритах гидравлическую систему на 2000 атмосфер.

В общем и целом 10 таких модулей обеспечат 6 КВт автономной электроэнергии, что вполне может хватить для зимовки в Антарктиде.

На Марсе, конечно, придется систему прятать в мерзлый грунт, поскольку разрежённость атмосферы явно не способствует быстрому замерзанию.  Но, в принципе, такая система хорошо подходит под идеологию эксплуатации – зарядная колонка на Марсе, к которой подъезжают марсоходы на заправку. По ритэгам такая колонка сможет работать минимум 15 лет практически не снижая мощности.  Если поставить сеть таких зарядных колонок, то это будет уже первичная инфраструктура для стройплощадки. Наличие такой инфраструктуры делает возможным миссию строительных роботов, которые могут начать строительство марсианской базы из местных материалов. Для спутников Юпитера, где наличие огромного количества воды является общепризнанным фактом, создание такой инфраструктуры может быть существенно упрощено за счет использования больших объемов местного материала.

Стоит ли овчинка выделки

Остается последний вопрос – если тепло, которое дают РИТЭГ напрямую переводить в электричество через термоэлектрические модули, то не будет ли это эффективнее?  Самый эффективный на сегодняшний РИТЭГ стоит на «Курьезити». На 2000 Вт тепловых он вырабатывает 110 Вт электрических. То есть преобразует тепло в электричество с КПД 5,5%.

В нашем примере 3,77 МДж, которые требуются, чтобы растопить 10 кг воды от минус 20С⁰, в одном такте вырабатывают 0,205029 МДж (при давлении 2000атм.).  КПД 5,43%, то есть в теории сопоставимо по эффективности.

Но есть резервы, или, скажем так, надежды – значительно повысить эффективность за счет изыскания Жидкости А с выдающимися для этой задачи свойствами. И есть преимущество – пиковые значения мощности на порядки могут превышать все, что в принципе может предложить термоэлектрический преобразователь.

Остается только построить  отель на Европе или Ганимеде, чтобы продолжить удивляться моральному закону внутри нас и лучшему в Солнечной системе виду на звездное небо.

Автор: @BorisVR
Источник: https://habr.com/