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Energiespeicher

Bemannte und unbemannte Raumfahrt, Raumfahrzeuge, Antriebstechnik, Missionen zu anderen Himmelskörpern
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Otz

Energiespeicher

Beitrag von Otz » 19. Sep 2006, 20:12

Hallo,

ich denke ein Problem der Ionenantriebe liegt in der langsamen Energiegewinnung aus den Solarzellen. Das Problem quadriert sich ja sogar mit dem Abstand der Sonne, so dass es ab der Jupiterbahn nahezu keine Energie mehr gewinnen lässt, ohne die Solarzellen zu groß werden zu lassen. Nun, ich habe mir da ein Idee einfallen lassen.
Ich halte sie allerdings selber für schwer bis garnicht realisierbar, finde es aber trotzdem wert, darüber zu diskutieren.
Und zwar will ich einen Ring aus z.B Kunsstoff um die Sonde kreisen lassen. Wenn man diesen Ring um seine längsachse drehen lässt, einer Masse von 200Kg und einem Radius von 3 Metern ausgeht, erhält man ein Trägheitsmoment von I=1800Kg m^2. (Masse mal Radius^2).
Die Rotationsenergie lässt sich errechnen aus I/2*w^2

Wenn man nun von einer Drehzahl von 500/s ausgeht, erhält man eine gespeicherte Energie von 8882643961J oder anders ausgedrückt 2467,4 Kw/h das würde bei 80% Wirkungsgrad reichen um eine 1000Kg schwere Sonde auf 3769m/s zu beschleunigen. Das Ionentriebwerk müsste man dann natürlich außerhalb des Schwerpunktes anbringen, um den Drehimpuls bei zu behalten, wenn man den Schwungring abbremst, um daraus Energie zu gewinnen.

Es gibt drei große Probleme:

1. Der Ring ist so Raumstabil, dass man die Sonde nur um eine Achse drehen kann, nämlich die, um die der Schwungring dreht. Folglich müsste mann alle Instrument um 2 Achsen gelagert anbringen.

2. Der Ring muss ja irgendwie gelagert werden, ich könnte mir nur vorstellen, dass er irgendwie durch Magnetkräfte um die Sonde gehalten wird, also keine Materieller Kontagt zwischen Ring und Sonde besteht.

3. Der Ring muss ja irgendwie auf diese große rotationsgeschwindigkeit gebracht werden, und wenn dass schon auf der Erde (wo auch sonnst) geschieht, dann wird die Rakete aufgrund der großen Raumstabilität große Probleme beim Start bekommen.

So, dann bin ich mal gespannt auf eure Antworten.
Vielen Dank schonmal im Vorraus

Robert

msueper
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Beitrag von msueper » 19. Sep 2006, 20:29

Hallo und willkommen,
so spontan fällt mir ein:

-1- viel Ring wiegt viel, der muss ja auch beschleunigt werden...
-2- wie abbremsen, dazu müsste man ja eine etwa gleich große Masse in gegenläufiger Richtung rotieren haben, oder mehrere Ringe.

Martin

Otz

Beitrag von Otz » 19. Sep 2006, 21:20

Naja, abbremesen will man den Ring ja nur dann, wenn man Energie benotigt. Damit die Sonde nicht anfängt sich aufgrund des Drehimpulse weiter zu drehen, muss man dann das Ionentriebwerk laufen lassen, der dann die Ganze Sonde beschleunigt, und gleichzeitig das "wegdrehen" der Sonde verhindert.
Den Ring stelle ich mir momentan wie einen riesigen Generator vor, der die Energie einfach aus der Massenträgheit bezieht. Also könnte man ja direkt elektische enrgie gewinnen. Mann könnte Dauermagenten an diesen Ring anbringen, und um die Sonde Kabel verlegen, in denen dann Strom erzeugt wird, aufgrund des drehenden Magnetfeldes. Diese dauermagneten wäre sowie so von nöten, um diesen Ring zu lagern. Ich sehe als einzige möglichkeit nur dies durch Magnetkräfte zu erreichen.

BauBraun

Beitrag von BauBraun » 20. Sep 2006, 00:15

Hallo Robert,

Mein Senf dazu:

Jenseits der Jupiterbahn braucht man doch eher keinen Ionenantrieb, auch nicht zum Abbremsen, Aerobraking über die Gasplaneten dürfte ausreichen und recht kostengünstig zu realisieren sein.
Also geht es ums 'rausbeschleunigen'. Und dafür ist es sicher einfacher die Sonde erstmal um und in Richtung Sonne zu schicken, da gibts Sonnenenergie. Der Geschwindigkeitsüberschuss schleudert die Sonde dann nach aussen.

Aber ganz generell finde ich die Idee gut, aber nicht zu Ende gedacht.
Der rotierende Ring um die Sonde muss ja über einen Dynamo, der mit der Sonde verbunden ist, die Energie liefern. dabei ist aber auch die Sonde nicht mit den Universum verschraubt, d.H. die Sonde wird dabei (mit Deinen Massenangaben über den Daumen gepeilt ) bis zu 20% der Rotation des Ringes aufnehmen bzw. übernehmen. Es müssten also IMHO 2 gegenläufig rotierende Ringe sein.
Wenn Du nun mit dem Ionenantrieb gegen die Rotation arbeiten willst sollte Dir klar sein dass bei derartigem Energieaufwand 'für nix' die ganze Idee bereits wieder vom Tisch der Realisierbarkeit fällt.

Grüße vom
BauBraun

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gravi
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Beitrag von gravi » 3. Okt 2006, 17:46

Da der Ring nicht mechanisch an die Sonde gekoppelt sein soll, müsste eine magnetische Kopplung derart stark sein, dass sich die Sonde in jedem Fall mitdrehen würde.
Zudem könnte ich mir vorstellen, dass sich durch eine solche Kopplung sehr starke "Reibungsverluste" ergeben, die sehr schnell die Rotation aufbrauchen würden.

Die Idee eines solchen Energiespeichers ist an sich nicht schlecht, aber technisch wohl kaum zu realisieren.

Gruß
gravi
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Wolfrum

Beitrag von Wolfrum » 2. Mai 2007, 20:26

Zumindes theoretisch würde es schon funktionieren, wenn du zwei entgegengesetzt drehende Scheiben nimmst. Aber ob du dabei so viel Energie speichern kannst, daß sich der ganze Aufwand lohnt, das wage ich zu bezweifeln. Denn 500 Umdrehungen pro Sekunde ist schon eine ziemliche Menge bei dem Radius. Und die Energiedichte von Schwungrädern ist nicht besonders groß

Dagegen kannst du beim Vorbeiflug an der Sonne durch das Hohmann-Paradoxon Geschwindigkeit gut machen wenn du in der Nähe der Sonne beschleunigst.

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wilfried
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Beitrag von wilfried » 9. Jun 2007, 16:11

Hallo zusammen

die Fragen Energie und Radio-Ionentriebwerk möchte ich gerne kommentieren.

Ionentriebwerk
An einem Radio-Ionentriebwerk habe ich in den 80er Jahren mitgearbeitet. Das war ein Stabitriebwerk für den TV Satelliten. Nannte sich RIT10. Das Ding erreicht einen Schub von 10p. Das ist lausig wenig. Diese triebwerke haben generell 3 Nachteile:
1. Sie brauchen Primärenergie für die Beschlkeunigungsvorrichtung. Das ist im Prinzip ein Wehneltzylinde, sowas was in Bildrören eingebaut ist. Damit wird der Ioenstrahl fokussiert.
2. Sie brauchen Primärenergie für die Beschleunigung. Die Arbeitsaustrittsdifferenz der Teilchen aus dem Kathodenmaterial muß erst einmal aufgebracht sein. Das ionenmaterial sollte ja auch schwer sein um genügend Impulsenergie zu haben. Dazu sind schon ganz nette Spannungen notwendig
3. Sie verbrauchen sich. Ist die kathofe aufgebraucht, hat der Spass ein Ende.

Man kann zwar sagen, natoll, im Weltall sind doch genug Ionen. Aber fangt die mal. Die Vakuumdichte ist zwar auch im interstellaren Raum schlechter als in Bildröhren, aber trotzdem sind nicht garstig viele Teilchen zu fangen. Da bräuchte man schon riesige Fangflächen.
Vieleicht weiß Ray oder tensor mehr darüber.

Energie

Die Erzeugung und Speicherung von Energie ist das eine Kapitel, die Verluste das andere.
Verluste der Energie
Wenden wir uns den Verlusten zu.
Es gilt Kirchhoff zu schlagen! Jeder Strompfad, besser Energiepfad (Strom "fliesst" nicht!!) verlangt die Kirchhoffschen Gesetzmäßigkeiten.
Damit die damit verbundenen Verluste sehr gering werden, wird die Elektronik oder Teile daraus nur dann aktiviert, wenn sie tatsächlich benötigt werden. Nennt sich "dynamic biasing". Schon in den 80er Jahren habe ich mich in meiner Diss damit beschäftigt. Das ist der einzige Weg wirklich Energie zu sparen.

Erzeugung und Speicherung der Energie

Es kann Energie aus allem gewonnen werden, was uns einfällt: aus Strahlung, Rotation, Vibration, Schall, Feldern usw.
Das wird heute auch gemacht. Die Uni Freiburg sei da zu nennen. Das Thema nennt sich im Englisch: "Energy harvesting". Schaut mal im WWW was es da für tolle Ideen gibt. Das Umwandlen in nutzbare elektrische Energie ist ein Problem, dem sich die Uni Freiburg stellt. Da sind die Wirkungsgrade nicht besonders toll. Aber immerhin, es tut sich was. So werden heut bereits im Haus Sicherheitsanlagen usw. aus Fremdenergie gewonnen, dass heißt: autarke Versorgung.
Auch im KFZ Wesen spielt das eine Rolle. Habt ihr Euch mal gefragt, wie die Info aus dem Reifen eines Formel 1 Autos rauskommt? Druck, Temperatur, Abrieb. Da sind autarke Systeme im Einsatz. Ihr könnt es auch kaufen. Da ist am Ventil ein kleiner Sender angebracht, der siene Infos alle sieben Pfingsten nach außen weitergibt. Reicht ja auch, den Druck und Temperatur ändern sich nicht dramatisch schnell. Und wenn doch, so gibt es einen eigen getriggerten Notdienst. Dann wird die Info sofort gemeldt: Reifen ist Platt oder gerade dabei platt zu werden.

In Raumfahrzeugen stellt das alles ein Problem dar. Erstens sind die Dinger weit weit draußen, lange Zeiten unterwegs und es gibt keine Wartungsstationen auf ihrem Weg. Die Frage der Zuverlääsigkeit, der zuverlässigen Versorgung mit Energie ist da sehr wichtig. Die Sonnenergie ist in den äußeren Bereichen des Systems schon nicht mehr nutzbar. Ich denke mal so bis zur Venus oder vieleicht noch Saturn???? kann Sonnenenergie noch genutzt werden, aber weiter weg tut sich nicht mehr viel. Oder es wird dann nur noch sehr wenig gesendet und auf der Erde sind riesige Antennenanlagen notwendig um die geringe Strahlungsleistung aufzufangen.

Speicherung der Energie

Heute ist in der Forschung ein toller Kondensator, ennt sich HighCap. So ein Ding mit der größe eines 100uF Topfes hat eine Kapazität von 110 F. Ja ich sagte Farad. Mein ältester Sohn hat an der Uni Ulm gerade siene Diplomarbeit auf diesem Gebiet beendet und ich war völlig überrascht, was diese Dinger heute bereits können. Es wird noch eine kleine Weile dauern, bis Serieneinsatz möglich ist, aber dann kann auf wenig Raum viel Energie gespeichert werden. Nur können die Dingen keinen langzeit Strom abgeben, die Leckverluste sind noch sehr hoch, aber kurzzeitig mal so geschwind 100A oder mehr zur Verfügung stellen, ja das können die bereits.

Netten gruß

Wilfried
Die Symmetrie ist der entscheidende Ansatz Dinge zu verstehen:
-rot E - dB / (c dt) = (4 pi k ) / c
rot B - dE/ / (c dt) = (4 pi j ) / c
div B = 4 pi rho_m
div E = 4 pi rho_e

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Beitrag von gravi » 9. Jun 2007, 20:11

Ist doch gut, wenn man einen Fachmann an Bord hat! :wink:

Diese Superkondensatoren findet man auch unter dem Namen Goldcap und sie finden heute schon vielseitige Anwendung. Ich habe solch ein Ding in meiner Armbanduhr, die solarbetrieben ist. Ich könnte mir auch vorstellen, dass sie in Rechnern eingesetzt werden, um z.B. Speicher abzupuffern.

Auf dem Markt sind sie jedenfalls schon eine Reihe von Jahren.

Gruß
gravi
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Beitrag von wilfried » 9. Jun 2007, 22:59

N'Abned gravi und auch ihr anderen

in seiner Arbeit handelt es sich um Doppelschichtkondensatoren:
EPCOS oder MAXWELL Kondensatoren.

Ich zitiere aus der Diplomarbeit meines Sohnes:
Unten angeführt.

Netten Gruß

Wilfried

Zitat als Ausschnitt aus der Dipl. Arbeit meines Sohnes:

... in Superkondensator kann demzufolge unter Belastung in einem Zeitfenster von einer
Millisekunde bis maximal zu einer Minute betrieben werden. Dies hängt mit der
unterschiedlichen Bauweise und Ausführungen der Superkondensatoren ab.
Unterschiede unter den Doppelschichtkondensatoren liegen in der Ausnutzung
unterschiedlicher Effekte der Ladungsspeicherung.
Es werden vier grundlegende Mechanismen der Ladungsspeicherung in elektrochemischen
Systemen unterschieden:
a) Doppelschichtkapazität:
Hierbei werden Ladungsträger elektrostatisch in der elektrochemischen
Doppelschicht gespeichert. Darunter versteht man die Ausbildung einer
Grenzschicht zwischen der elektronischleitenden Elektrode und ionenleitendem
Elektrolyt. Die Elektrode wird als chemisch inert betrachtet. Bauteile die auf
diesem Prinzip beruhen nennt man Doppelschichtkondensatoren oder
„Ultrakondensatoren“. Aufgrund der großen Oberfläche und des geringen
Abstandes der Ladungsträger werden sehr hohe Kapazitäten erreicht.
b) Adsorptionskapazität:
Der Ursprung liegt in reversiblen zweidimensionalen Oberflächenreaktionen.
Durch die thermodynamischen Eigenschaften der Grenzschicht
Elektrode/Elektrolyt kommt es schon bei niedrigen Potentialen zu einer
Adsorption von Atomen/Molekülen und damit zu einer Bedeckung der Oberfläche
der Faradayschen Unterpotentialabscheidung. Bei dreidimensionaler Adsorption
der elektroaktiven Spezies im Volumen der porösen Elektrode, der
Insertionsreaktion (siehe d), spricht man von Faraday-Abscheidung. Die
gespeicherte Energie ist proportional zur Menge der elektroaktiven Spezies, die im
Inneren der Elektrode adsorbiert werden.
Da dieser Vorgang nicht mehr rein elektrostatisches Verhalten besitzt spricht man
von einer Pseudokapazität.
c) Redoxkapazität:
Ist sehr ähnlich zu der in b) beschriebenen Pseudokapazität. Sie tritt auf, wenn
chemische Redoxprozesse mit einer Änderung des Oxidationszustandes ablaufen.
Eine hohe Leistungsdichte erfordert Prozesse hoher Kinetik und Reversibilität.
Diese ist von einer an den Redoxprozess gekoppelten Diffusion abhängig. Weil der
Prozess trotz allem kondensatorähnliches Verhalten aufweist ist auch dies eine
Pseudokapazität.
d) Interkalationsreaktionen:
Ein wichtiger Prozess mit pseudokapazitivem Verhalten, sind
Einlagerungsreaktionen von Ionen in bestimmte Schichtstrukturen.
Die Lade-/Entladekurven dieser Systeme, deren zugehörige Kapazität und
insbesondere die Spannungsabhängigkeit der Kapazität -CV-Profile- sind denen
für eine zweidimensionale Elektrosorption (b) jedoch sehr ähnlich. Sind die
Kinetik- und Reversibilitätsbedingungen erfüllt ist eine Ausnutzung dieser
Pseudokapazität in Superkondensatoren möglich.

Als Elektrodenmaterial wird aktivierter Kohlenstoff verwendet, der eine spezifische
Oberfläche von 1000 bis 2000 m2/g hat und chemisch weitgehend inert ist. Die
Stromkollektoren bestehen bei den organischen Systemen aus Aluminium. Als Seperator wird in der Regel, da es sich hierbei um ein organisches System handelt, dünnes Papier oder ähnliches Material auf Cellulose-Basis verwendet. Charakterisiert wird der Seperator durch gute Elektrolytaufnahme, geringen Widerstand und geringe Selbstentladung. Der Elektrolyt besteht aus dem Lösungsmittel Acetonitril und als Leitsalz werden Alkylammoniumsalze (z.B. N(Et)4BF4 oder NMe(Et)3BF4 ) eingesetzt.
Die Symmetrie ist der entscheidende Ansatz Dinge zu verstehen:
-rot E - dB / (c dt) = (4 pi k ) / c
rot B - dE/ / (c dt) = (4 pi j ) / c
div B = 4 pi rho_m
div E = 4 pi rho_e

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