항공 우주 선박의 지속 가능한 에너지

항공 우주 선박을위한 지속 가능한 에너지 기술 문서 | 개요 : 태양 기술 및 전기 추진 기술의 진보는 이제 새롭고 유능한 우주 수송 시스템의 약속을 제공합니다 ...

 항공 우주 선박의 지속 가능한 에너지

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초록 : 태양 기술 및 전기 추진 기술의 진보는 이제 우리가 태양계를 효과적으로 탐구 할 수있는 새롭고 유능한 우주 수송 시스템의 약속을 제공합니다. NASA는 로봇과 소행성의 임무와 화성에서 수십 킬로와트에서 수백 킬로와트의 전력을 가진 우주선 우주선의 많은 개념을 개발했습니다. 이 백서에서는 지난 5 년간 개발 된 전기 / 화학 추진 개념에 대해 설명하고 태양계를 인간화하는 데 어떻게 사용될 수 있는지에 대해 설명합니다. 우주선 전력 공급을위한 지속 가능한 해결책은 핵융합 에너지를 얻고 활용하는 것입니다. 이 논문은 현재의 에너지에 대한 실행 가능한 대안으로서 핵융합 에너지를 얻는 것에 대한 약간의 공헌을 간략히 제시한다. 우주선의 미래 에너지는, 태양 에너지 (별에서 얻은 것)와 핵 원자로에서 융합 된 에너지의 결합이 필수적이다. NASA는 2030 년까지 화성에 승무원을 보내는 전략을 개발하고 있습니다.이 목표를 달성하기 위해 NASA는 첨단 교통 작업 및 생활 시스템을 포함한 장거리 비행 기술을 개발할 계획입니다. 이 기술들 중에서, 태양 전기 추진 (PES)은 행성 간 공간을 통해 큰 질량을 이동 시키는데 매우 효과적인 것으로 확인되었습니다. 수십 년 동안 저 지구 궤도 밖의 임무는 공익 광고 (PSA)에 의해 비용 효과적 일 수 있다고 알려져 왔지만, 제조 기술이 충분히 발전하지 않아 그러한 우주 임무는 아직 수행되지 않았습니다. NASA의 ' 태양 광 시스템 및 추진 시스템에 대한 최근의 투자는 이제 성숙되어 50 kW PSA가 이미 비행 임무를 수행 할 준비가되었습니다. 이러한 기술은 수백 킬로와트의 힘으로 시스템으로 크기를 조정할 수 있다는 것이 분석적으로 입증되었습니다.

키워드 : 전기 추진, 태양 광 기술, 핵융합 에너지, 환경 보호, 재생 에너지.

 

소개

NASA는 2030 년까지 화성에 승무원을 보내는 전략을 개발하고 있습니다.이 목표를 달성하기 위해 NASA는 첨단 교통 작업 및 생활 시스템을 포함한 장거리 비행 기술을 개발할 계획입니다. 이 기술들 중에서, 태양 전기 추진 (PES)은 행성 간 공간을 통해 큰 질량을 움직이는 데 매우 효과적인 것으로 확인되었습니다.

수십 년 동안 저 지구 궤도 밖의 임무는 공익 광고 (PSA)에 의해 비용 효과적 일 수 있다고 알려져 왔지만, 제조 기술이 충분히 발전하지 않아 그러한 우주 임무는 아직 수행되지 않았습니다. NASA의 최근 태양 광 발전 시스템 및 추진 시스템에 대한 투자는 이제 성숙되어 50 kW PSA가 이미 비행 임무를 수행 할 준비가되었습니다.

이러한 기술은 수백 킬로와트의 힘으로 시스템으로 크기를 조정할 수 있다는 것이 분석적으로 입증되었습니다.

이러한 기술은 지구로부터 점점 멀어지는 임무에서 시연 될 것으로 예상되며, 지구 독립 임무를 시작하기 전에이 시스템에 대한 확신을 얻습니다.

이러한 임무는 지구의 현재 단계의 인간 탐사 능력을 향상시킬 것입니다.

 

 

 

 

방법 및 재료

최근에 NASA는 PES 고출력 시스템에 중요한 두 가지 기술, 즉 (1) 고강도의 유연한 태양 전지 패널 및 (2) HET 자기 보호 시스템을 개발했습니다. 두 기술 모두 50 kW의 PES 작동에서 가용성을 입증하기 위해 제작 및 테스트되었습니다. 이러한 유연한 태양 전지 패널의 주요 구성 요소는 매우 작은 질량과 매우 작은 저장 공간입니다. 프로펠러의 핵심 특징은 높은 델타 - V 임무를위한 매우 낮은 열화 요인으로 많은 양의 추진체를 처리 할 수 ​​있다는 것입니다. 두 기술 모두 훨씬 높은 전력 수준에서 빠르게 스윕 할 수 있습니다. 유연한 태양 전지판은 소량의 태양열 집열기를 제공하는 새로운 구조물을 기반으로합니다. 이를 달성하기 위해, 경질 패널 대신에 인장 망을 사용하여 무게와 보관을 줄였습니다. 유연한 패널의 두 가지 모델이 구축되었습니다.

하나는 "Roll-Out Solar Array"(ROSA)라고 불리는 직사각형의 발사 설계입니다.

두 번째는 "ATK 궤도에서 MegaFlex"라는 팬 폴드 원형 디자인입니다.

ROSA는 두 팔의 바깥 쪽 끝을 연결하는로드에 부착 된 광전지 시트를 연장하는 롤업 된 복합 아암에 저장된 응력 에너지의 축축한 방출에 의해 배치됩니다. MegaFLex는 굴절 식 팔을 먼저 확장 한 다음 360 ° 회전 패널을 회전시켜 광전지 담요를 펼치는 전동 밴드를 통과합니다. 팔은 패널 길이를 늘리지 않고 원형 트리의 반경을 늘립니다. 각 설계의 개발 엔지니어링 유닛 (UID)은 3 중 접합 광전지 표준을 사용하여 20kW 공칭 전력을 생산하도록 제작되었습니다. 음향 및 진동 테스트는 발사 저항력을 결정하기 위해 작동중인 광전지로 수행되었습니다 (EDHE-Energy and Power, NASA).

배치 테스트는 관련 조건에서 자율 기능을 결정하기 위해 ± 60 도의 진공 상태에서 수행되었습니다.

강도 테스트와 저항도 만들었습니다.

이 테스트는 NASA가 두 설계가 일반적으로 40kW의 태양 광을 필요로하는 임무에 통합 될 준비가되었음을 확신 시켰습니다.

이 시스템은 First Lunar Outpost 재생 연료 전지를위한 것입니다. 사용 된 재료는 최고 품질이며 나노 테크놀로지를 사용한다 (Aversa et al., 2017a-e, 2016a-o; Berto et al., 2016a-d, Cataldo, 2006; Gruener, 2006; Mirsayar et al., 2017 Petalcu and Calautit, 2016a-b, Petrescu et al., 2016a-c).

 

결과

2005 년 여름, 글렌은 최초로 완전 폐쇄 루프 재생 연료 전지를 시연했다. 그것은 5 개의 주간과 야간주기를 연속적으로 완료했습니다. 5 일간의 수술은 수년 간의 노력으로 생긴 결과입니다. 연구팀은 항공 우주 태양 광 발전 시스템의 에너지 저장 장치로서의 재생 연료 전지의 잠재력을 입증함으로써 성과를 이루었습니다.

2005 년의 시연 이후, 팀은 소프트웨어, 회로 및 하드웨어의 대부분을 수정하고 업그레이드하여 시스템을보다 안정적으로 실행합니다.

2006 년 11 월 텍사스 휴스턴의 존슨 우주 센터 (Johnson Space Center)에서 ITEA 인류 탐사 프로젝트 제작자에게 "달 탐사"를 선보였다.

 이러한 테스트 외에도 "윙"당 최대 125kW의 태양 전지 패널을 측정 할 수있는 가능성을 결정하기위한 분석이 이루어졌습니다.

MegaFlex의 개념은 패널의 직경과 스트러트의 수를 늘림으로써 증가 될 수 있습니다.

분석에 따르면 두 개의 30m 날개는 역 변압기 (MMI) 광전지 멀티 정션을 사용하여 440kW의 추가 전력을 가져올 수 있으며 테스트 챔버와 발사시 필요한 8.4m 25m 안락 의자에 여전히 들어 맞습니다.

전동 프로펠러는 모 놀리 식 배출 챔버, 중앙 장착 캐소드, 균일 한 흐름을 지닌 역류 흐름 수집기 및 백 플러시 재료의 증착 방지를 사용하여 재료 침식을 방지하는 자기 차폐 자기 차폐를 기반으로합니다.

이 매우 낮은 침식 설계는 매우 높은 펄스로 단지 12.5kW에서 작동하면서 매우 높은 크세논 추진력을 만들기 위해 선택되었습니다.

두 개의 UID가 설계되고 구축되었습니다. 하나는 다른 테스트 용이고 다른 하나는 진공 테스트 용입니다.

테스트는 프로펠러의 자기 회로가 보호용 차폐물에 의해 보호되어 전자기 한도 범위 내에서 침식을 방지 함을 확인합니다. 열 화재 테스트는 작동 중 전압 오류가 없음을 확인합니다. 특성화 시험의 측정 결과 표면 침식 및 플라즈마 분포가 나타났습니다.

방전 채널 벽 및 자기 회로 구성 요소의 부식 속도가 측정되었고 예측 된 값과 일치하는 것으로 나타났다.

무작위 및 진공 진동 테스트를 포함한 환경 테스트에서는 프로펠러가 50kW PES 임무에서 기대되는 구조 및 열 사양을 충족시키는 것으로 확인되었습니다.

이 프로펠러는 2000 ~ 3000 초 사이의 특정 하이 펄스에서 작동하는 6.7에서 12.5kW로 향상된 효율을 나타냅니다.

검증 된 모델은 50,000 시간 동안 견딜 수있는 추진제로서 10 톤 이상의 크세논을 예측합니다.

우주선이 독점적으로 태양 에너지에 의존한다는 것을 상상하기 어렵 기 때문에 융합 기반 원자력 에너지 원을 만들기위한 많은 노력이 여전히 이루어지고 있습니다.

때로는 핵융합이라고하는 핵융합은 2 개의 가벼운 원자핵이 함께 모여 더 무거운 핵을 형성하는 과정입니다. 이 반응은 태양과 우주의 대부분의 별에서 자연스럽게 작용합니다.

가벼운 핵의 융합은 강한 상호 작용 (핵 결합 에너지)으로 인해 핵자들 사이의 인력으로부터 엄청난 양의 에너지를 방출한다. 핵융합은 두 가지 핵 반응 유형 중 하나 인 핵분열과 관련이있다.

융합에 의해 얻어진 새로운 원자의 질량은 두 개의 빛 원자의 질량의 합보다 적다. 융합 과정에서 질량의 일부는 가장 단순한 형태로 에너지로 변환됩니다 : 열. 이 손실은 Einstein 알려진 공식 E = mc2에 의해 설명됩니다.

그 이익 중 하나는 이론적으로 훨씬 더 많은 에너지를 얻을 수 있다는 것입니다 : 먼저 "연료"의 질량에 이르기까지 핵융합은 핵분열보다 3 ~ 4 배 많은 에너지를 방출합니다. 그런데 "연료"는 훨씬 더 큽니다. 대양에는 천연의 중수소 (33g / m3)가 자연적으로 포함되어있어 이론적으로 1 억 년 동안 인간의 현재 에너지 소비량을 충족시킬 수있었습니다 (물 깡통 1m3 잠재적으로 700 톤의 오일 연소만큼의 에너지를 제공합니다).

1950 년대 이후 전 세계에서 수행 된 연구에도 불구하고 원자 폭탄을 장착 한 핵 무기를 제외하고는 에너지 생산에 대한 산업 융합은 아직 성공하지 못했다. 왜냐하면이 응용은 생산 된 반응을 억제하고 통제하는 것을 목표로하지 않기 때문이다. 그러나 중성자 발생기와 같이 덜 중재 된 용도가 있습니다.

핵분열과는 달리 핵융합 생성물 자체 (주로 헬륨 4)는 방사성이 아니지만 고속 중성자를 방출하는 반응을 이용하면 이들을 포획 한 핵을 동위 원소로 변형시켜 일부는 방사성이 될 수있다.

우리는 핵융합과 원자로의 핵융합을 혼동해서는 안되며 특히 원자력 사고가 심하다.

지금까지 산업적 규모로 수행 된 유일한 핵 반응은 핵분열이다. 이 모든 것들과 함께 핵 사고가 있었고 연료로 사용 된 원자재와 방사성 물질도 방사성이며 인류에게 필요한 핵분열 에너지는 필요한 악마 다. 그녀는 인류의 에너지 위기를 막을 수있었습니다.

수백만 년 전에 시작된 동굴에서 우리는 다시는 들어올 수 없었습니다. 우리는 우리의 현재 가정을 편안하게 포기하지 않고, 겨울에는 따뜻하게하고 여름에는 더 냉담하게 (더 나은 기분을 느끼기 위해)하도록합니다.

분열의 에너지는 위기 재앙을 피하고 탄화수소의 수명을 연장시키는 데 도움이되었습니다. 오늘 우리는 조금 나아졌습니다.

첨단 기술을 통해 우리는 인간과 환경에 지속 가능하고 친환경적이며 친화적 인 새로운 재생 가능 에너지를 구현할 수있었습니다. 다른 중앙 태양 에너지, 풍력 또는 수력을 계속해서 구현하는 것이 더 낫습니다. 그러나 우리가 잠시 휴식을 취한다고해서 우리가 인류의 아름다운 꿈, 즉 지구상에 태양을 가져올 꿈을 포기해야한다는 것을 의미하지는 않습니다. 다시 말해서, 우리는 산업적으로 평화로운 핵융합을 개발하고 성취하려고 계속 노력해야합니다.

토론

태양 기술 및 전기 추진 기술의 진보는 이제 우리가 태양계를 효과적으로 탐구 할 수있는 새롭고 유능한 우주 수송 시스템의 가능성을 제공합니다. NASA는 로봇과 소행성의 임무와 화성에서 수십 킬로와트에서 수백 킬로와트의 전력을 가진 우주선 우주선의 많은 개념을 개발했습니다.

이 백서에서는 지난 5 년간 개발 된 전기 / 화학 추진 개념에 대해 설명하고 태양계를 인간화하는 데 어떻게 사용될 수 있는지에 대해 설명합니다.

우주선 전력 공급을위한 지속 가능한 해결책은 핵융합 에너지를 얻고 활용하는 것입니다.

이 논문은 현재의 에너지에 대한 실행 가능한 대안으로서 핵융합 에너지를 얻는 것에 대한 약간의 공헌을 간략히 제시한다.

미래의 우주선 에너지의 경우, 광전 에너지 (별에서 얻은 것)와 핵 원자로에서 융합 된 에너지의 조합이 필수적입니다.

NASA는 2030 년까지 화성에 승무원을 보내는 전략을 개발하고 있습니다.이 목표를 달성하기 위해 NASA는 첨단 교통 작업 및 생활 시스템을 포함한 장거리 비행 기술을 개발할 계획입니다. 이 기술들 중에서, 태양 전기 추진 (PES)은 행성 간 공간을 통해 큰 질량을 이동 시키는데 매우 효과적인 것으로 확인되었습니다.

수십 년 동안 저 지구 궤도 밖의 임무는 공익 광고 (PSA)에 의해 비용 효과적 일 수 있다고 알려져 왔지만, 제조 기술이 충분히 발전하지 않아 그러한 우주 임무는 아직 수행되지 않았습니다.

NASA의 최근 태양 광 발전 시스템 및 추진 시스템에 대한 투자는 이제 성숙되어 50 kW PSA가 이미 비행 임무를 수행 할 준비가되었습니다. 이러한 기술은 수백 킬로와트의 힘으로 시스템으로 크기를 조정할 수 있다는 것이 분석적으로 입증되었습니다.

결론

최근에 NASA는 PES 고출력 시스템에 중요한 두 가지 기술, 즉 (1) 고강도의 유연한 태양 전지 패널 및 (2) HET 자기 보호 시스템을 개발했습니다. 두 기술 모두 50 kW의 PES 작동에서 가용성을 입증하기 위해 제작 및 테스트되었습니다. 이러한 유연한 태양 전지 패널의 주요 구성 요소는 매우 작은 질량과 매우 작은 저장 공간입니다. 프로펠러의 핵심 특징은 높은 델타 - V 임무를위한 매우 낮은 열화 요인으로 많은 양의 추진체를 처리 할 수 ​​있다는 것입니다. 두 기술 모두 훨씬 높은 전력 수준에서 빠르게 스윕 할 수 있습니다. 유연한 태양 전지판은 소량의 태양열 집열기를 제공하는 새로운 구조물을 기반으로합니다. 이를 달성하기 위해, 경질 패널 대신에 인장 망을 사용하여 무게와 보관을 줄였습니다. 유연한 패널의 두 가지 모델이 구축되었습니다.

하나는 "Roll-Out Solar Array"(ROSA)라고 불리는 직사각형의 발사 설계입니다.

두 번째는 "ATK 궤도에서 MegaFlex"라는 팬 폴드 원형 디자인입니다.

ROSA는 두 팔의 바깥 쪽 끝을 연결하는로드에 부착 된 광전지 시트를 연장하는 롤업 된 복합 아암에 저장된 응력 에너지의 축축한 방출에 의해 배치됩니다. MegaFLex는 굴절 식 팔을 먼저 확장 한 다음 360 ° 회전 패널을 회전시켜 광전지 담요를 펼치는 전동 밴드를 통과합니다. 팔은 패널 길이를 늘리지 않고 원형 트리의 반경을 늘립니다. 각 설계의 개발 엔지니어링 유닛 (UID)은 3 중 접합 광전지 표준을 사용하여 20kW 공칭 전력을 생산하도록 제작되었습니다. 음향 및 진동 테스트는 발사 저항력을 결정하기 위해 작동중인 광전지로 수행되었습니다 (EDHE-Energy and Power, NASA).

승인

우리는 노스 캐롤라이나 A와 T 주립대 학교의 부교수 Taher M. Abu-Lebdeh, 미국과 Muftah H. El-Naas 박사를 인정하고 감사합니다. MCIC FICCE QAFCO 화학 공정 공학 가스 처리 센터 공과 대학 교수 카타르 공학부 교수 대학 및 Ms Shweta Agarwala, 3D 인쇄용 싱가포르 센터 수석 연구 과학자 Nanyang Technological University Singapore 제안 및 의견.