Space Power Systems
Vorlesung Space-P bei Dr. Schmiel der TU Dresden
Vorlesung Space-P bei Dr. Schmiel der TU Dresden
Fichier Détails
| Cartes-fiches | 79 |
|---|---|
| Utilisateurs | 19 |
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Technique |
| Niveau | École primaire |
| Crée / Actualisé | 20.02.2018 / 16.02.2025 |
| Lien de web |
https://card2brain.ch/cards/20180220_space_power_systems
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| Intégrer |
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1.1
Welche Energiequellen können für folgende Szenarien primär zum Einsatz kommen? Nennen sie jeweils einen Grund!
a) Satellit, 100W Durchschnittsleistung, t=72h
b) Satellit, 800W Durchschnittsleistung, t=5a
c) Interplanetare Sonde, elektrisches Triebwerk, t>5a
d) Interplanetares bemanntes Raumfahrzeug, 200kW Durschnittsleistung, t>2a
e) Transferfahrzeug Erde - LEO-Raumstation
a) Primärbatterie, geringe Leistung, kurze Missionsdauer, hohe Energiedichte
b) Photovoltaisch, mittlere Leistung, lange Missionsdauer.
c) Radioisotopengenerator, geringe Leistung, lange Dauer, keine Abhängigkeit von Sonne
d) Nuklear, sehr hohe Lesitung, lange Missionsdauer. Sicherheitsprobleme
e) Primärbatterien/Brennstoffzellen, kurze Mussionsdauer
1.2. Welche der folgenden Subsysteme benötigt elektrische Energie? Nenne jeweils einen elektrischen Verbraucher!
- Structure and Mechanisms
- Attitude & Orbit Control
- Propulsion
- Communication
- Command & Data Handling
- Electrical Power
- Thermal Control
- Payload
- Environmental Control & Life Support
- Extra Vehicular Activity
- Bewegen von Klappen/Solarpanelen/Radiatoren.
- Elektrische Stelltriebwerke, Sensorik
- Elektrische Triebwerke, Schunbvektorkontrolle
- Transmitter
- Rechenleistung
- Transformatoren, Wirkungsgrade beim Wandeln?
- Heizer/Peltierelemente
- Sensoren, Experimente, Aktoren
- Sensoren, Aifbereitung Luft/Wasser
- Launch des Vehikels, Kommunikation
1.3.1 Erläutere Exergie!
Exergie bezeichnet den Teil der Gesamtenergie eines Systems, der Arbeit verrichten kann, wenn dieses in das thermodynamische (thermische, mechanische und chemische) Gleichgewicht mit seiner Umgebung gebracht wird.
Exergie + Anergie = Energie = const., Anteile können sich jedoch verändern
Exergie wird zu Anergie, wenn sie Arbeit verrichtet
1.3.2 Erläutere das Masse-Energie-Äquivalent
Es besagt, dass die Masse m und die Ruheenergie E eines Objekts zueinander proportional sind:
E=mc^2
Die Masse eines Atomkerns ist aufgrund der freigesetzten Bindungsenergie kleiner als die Summe der Massen seiner Bestandteile
1.3.3 Erläutere Radioisotop!
Ein chemisches Element wird über die Protonenzahl im Atomkern definiert. Atomkerne, die bei gleicher Protonenzahl eine verschiedene Anzahl von Neutronen besitzen, sind sogenannte Isotope des selbogen chemischen Elements
Die Isotope die Instabil sind, also einem radioaktivem Zerfall unterliegen, sind Radioisotope
1.4 Nennen sie 6 Aufgaben von / Anforderungen an Energiesysteme für RFZ.
- Dauerhafte Versorgung mit elektrischer Leistung über die Lebenszeit (Speicherbedarf)
- Regulieren und Verteilen Elektrischer Leistung zu den Komponenten des RFZ
- Bereitstellen von DC/DC oder DC/AC Wandlern
- Bereitstellen von Durchschnitts- und Spitzenlasten
- Bereitstellung von Housekeeping Daten
- Bereitstellung von redundanzen für sicherheitsrelevante Systeme
- Autonome und / oder ferngesteuerte Kontrolle des EPS
1.5 Nennen sie 4 mögliche Primärenergiequellen, die in der Raumfahrt zur Verfügung stehen. Geben sie jeweils eine Möglichkeit der Wandlung zu elektrischer Energie an!
- Solarenergie - Photovoltaisch, Konzentrator
- Nukleare Energie - Reaktoren, RTG
- Gespeicherte Energie - Chemisch (Batterien), Mechanisch (Momentenräder)
1.6 Erläutern sie den Unterschied zwischen einem Thermoionischen und einem Thermoelektrischen Wandler!
Thermoionischer Wandler
- Elektrode wird so stark erhitzt (1500-2000K), dass sie thermisch Elektronen abgibt
- Kalte Elektrode fängt Elektronen auf --> Stromfluss
- Spannungen 0,5-1V, einige Ampere pro cm^2 elektrodenfläche
Thermoelektrtischer Wandler
- basiert auf Seebeck Effekt
- p und n dotierte HAlbleitermaterialien werden so verbunden, dass Kontaktstellen abwechselnd heiß und kalte Kontaktstellen vorkommen sowie der Strom nur in eine Richtung fließt.
1.7 Nennen sie 5 verschiedene Möglichkeiten der Energiespeicherung
- Batterien
- Reversible Brennstoffzellen
- Momentenräder
- Elektrische Kapazitäten
- Thermische Kapazitäten
1.8 Nennen sie 5 Kriterien für die Auswahl eines chemischen Energiespeichers!
- Energiedichte
- Lade-Entlade Zyklen
- Ladeeffizienz
- Nominalspannung
- Temperaturspanne
1.9 Nenne die vier Untersysteme eines Energiesystems und zeigen sie anhand einer Skize den Leistungsfluss!
- Einheit zur Energieumwandlung/Leistungserzeugung
- Leistungsregulierende Einheit
- Leistungsverteilende Einheit
- Energiespeicher
1.11 Was Verstehen sie unter dem BOL/EOL - Faktor
Maß für die Degradation der Eneriequelle. Beschreibt die bereitstellbare Leistung zum Beginn der Mission im Verhältniss zum Ende der Mission
1.12 Si-Solarzellen erfahren im GEO - Orbit in 6 Jahren eine Degradation von ca. 20%. Berechnen sie den BOL/EOL Faktor!
EOL=(1-0,2)*BOL
BOL/(0,8*BOL)=1,25
1.13 Ein Satellit mit einem IR - Spektroskop, welches stets zum NADIR ausgerichtet sein soll, befindet sich im geostationären Orbit. Welche 3 grundsätzlichen Möglichkeiten gibt es, Solarzellen an diese Satellitenstruktur anzubringen? Nenne Vor- und Nachteile hinsichtlich projizierter Solarzellenfläche, Eigenenergie- und Massenbedarf und Lageregelung
Körperfestes Solarpanel
+ keine Nachführung
- teilweise schlecht Einfallswinkel der Sonne --> Speichermöglichkeiten
Drehbar gelagertes Solarpanel
+ immer perfekte Ausrichtung zur Sonne
- zusätzliche Struktur --> Massenzunahme
- Nachführung verbraucht Energie
- mechanische bewete Teile --> Fehleranfällig
- Bewegen der Panels erzeugt Moment --> ausgleichen durch AOC
externe Flächen der Satellitenstruktur
+ keine Gelenke/Flexiblen Strukture
+ keine zusätzliche Struktur
+ Energiebeadrf von alpha/beta Nachführng kann Vorteile von 2 aufwiegen
- Teile der Solarzellen immer im Schatten
- Maximale Leistung durch Satelliten - Fläche begrenzt
1.14 Was verstehen sie unter Apha - und Beta - Nachführung eines Solarpanels?
Kippen des Solarpanels so, dass Sonnestrahlung möglichst rechtwinklig auf es eintrifft.
1.15 Geben sie für folgende Solararry Geometrien den Ausrichtungsfaktor K in Abängigkeit des Sonneneinfallswinkels theta an.
a) K=cos(theta)
b) K=1/pi*cos(theta)
c&d) K=1/4*cos(theta)
1.16 Der Solare Strahlungsfluss auf die Solarzellen beträgt im Erdorbit ungefähr 1371 W/m². Beum Verbraucher kommen letzendlich während der Schattenphase nur 70 W/m² Solarzellenfläche an. Nennen sie mind. 5 Gründe dafür
- Wirkungsgrad der Solarzelle
- Effizienz der SPannungswandlung/regulierung
- Speicherwirkungsgrad
- Leitungsverluste
- Verteilungwirkungsgrad
1.20 Warum sollte bei höherer Satellitenleistung auch eine höhere Verteilungsspannung eingesetzte werden?
P=U*I
--> Strom sollte gering gehalten werden
- Plasmawechselwirkungen
- Magnetfeldwechselwirkungen
- geringere Leitungsverluste I²*R
- geringere Leistungsverluste in switching devices
1.21 Welches Spannungslevel wird für welche Leistung benötigt?
U=0,025*P
Standardisierte Spannungen: 28V, 50V, 70V, 100V, 120V, 160V DC
Solarzellenspannungen: 38V, 80V, 150V DC
1.22 Warum sollte für ein Raumfahrzeug mit Solarzellen im LEO die Verteilungsspannung 120V DC nie überschreiten?
stetiger Potentialaustausch zwischen Plasmaumgebung und Solarzellen --> Verluste, Entladungen
2.1 Was ist ein Masse - Energieäquivalent? Nennen sie drein physikalische Prinzipien zur Energieerzeugung unter Nutzung des Massendefektes!
Es besagt, dass die Masse m und die Ruheenergie E eines Objekts zueinander proportional sind:
E=mc^2
Die Masse eines Atomkerns ist aufgrund der freigesetzten Bindungsenergie kleiner als die Summe der Massen seiner Bestandteile
- Radioaktive Zerfall
- Kernspaltung
- Kernfusion
2.2 Warum sind Atomkerne mit höherer Nukleonenzahl stabiler, wenn mehr Neutronen als Protonen eingebaut sind?
Weil sich Protonen aufgrund der Elektromanetischen Wechselwirkung voneinander abstoßen. Durch hinzufügen von Neutronen werden die Abstände zwischen Protonen größer und damit der Kern stabiler. Dies gilt jedoch nur bis zu einem gewissen Maß, da im Kern die Neutronen dann höhere Energieniveaus besetzen müssen. Dies führt zu einem bestreben der Neutronen zu zerfallen (Proton, Elektron, Antineutrino), und damit in einen energetisch günstigeren Status zu kommen.
2.3 Welche Erkenntnisse können aus dem Tröpfchenmodell zur Beschreibung der Bindungsenergie eines Atomkerns gewonnen werden?
Das Tröpfchenmodell beschreibt einen Atomkern in Analogie zu einem Flüssigkeitstropfen. Die Grundannahme dabei ist, dass die Massendichte im Atomkern weitgehend konstant ist und dass neben der Coulomb-Abstoßung zwischen den Protonen eine kurzreichweitige, von der Ladung unabhängige, Anziehung existiert. Die Bindungsenergie des Kerns wird dabei durch Volumenenergie, Oberflächenenergie, Coulombenergie, Symmetrie und Parität beschrieben
2.4 Das Alter der Erde beträgt ca. 4 Milliarden Jahre. Warum gibt es in der Natur noch radionuklide mit wesentlich kürzeren Halbwertszeit.
Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der sich die Anzahl der Nuklide halbiert. Die Abnahme folgt also einer exponentiellen Funktion, nähert sich also nur der 0 und trifft sie nie.
2.5 Warum ist es nicht möglich vorauszusagen, nach welchem Zeitraum eine bestimmte Menge radioaktives Material vollständig zerfallen ist?
Der Zeitpunkt der Umwandlung eines einzelnen Atomkerns kann nicht vorhergesagt werden, nur die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung pro Zeitintervall kann angegeben werden, da die Halbwertszeit nur ein statistischer Mittelwert ist
2.6 Yttrium 90 hat eine Halbwertszeit von 64 Stunden. Nach welcher Zeit sind 3/4 der Nuklide zerfallen?
N(t)/No = (1/2)^(-t/T)
t=128h
2.8 Radongas ist ein natürliches radioaktives Gas. Gibt man in einen Behälter die doppelte Menge Radongas, dann wird die Halbwertszeit...
2.9 Beschreiben sie das Wirkprinzip sowie den generellen Aufbau eines Radioisotopengenrators!
2.10 Wie ist die Zerfallswahrscheinlichkeit definiert?
Die Wahrscheinlichkeit (Zerfallskonstante λ mit Einheit 1s) für den Zerfall eines instabilen Atomkerns innerhalb des nächsten Zeitabschnitts.
2.11 Warum sollten Alphastrahler bevorzugt werden?
Sehr geringe Eindringtiefe in umgebendes Material --> einfach abschirmbar
2.12 Was besagt die Geiger - Nuttallsche Beziehung?
Sie verknüpft die Zerfallskonstante eines radioaktiven Isotops mit der Energie der emittierten Alphateilchen. Kurzlebige Isotope emittieren hochenergetische Alphateilchen.
2.13 Wie ist die Halbwertszeit eines Radioisotopes definiert?
Die Halbwertszeit ist die Zeitspanne, nach der eine mit der Zeit abnehmende Größe die Hälfte des anfänglichen Werts erreicht.
2.14 Begründen sie, warum aus über 800 bekannten Radioisotopen nur sehr wenige im RTG in der Raumfahrt eingesetzt werden können! Nennen sie wenigstens 7 Auswahlkriterien!
- Halbwertszeit --> bestimmt Energiedichte am Ende der Mission
- Leistungsdichte --> möglichst hoch, kompakte Bauweise
- Treibstoff darf ncht mit Behältermaterialien reagieren
- Schmelzpunkt des Radionuklids und der Zerfallsprodukte muss über der max. Arbeitstemperatur liegen
- möglichst keine gamma-Strahlung --> Abschirmanforderungen
- Verfügbarkeit
- Sicherheit beim Bau/Montage
- Preis
2.15 Nennen sie Anforderungen an die Abschirmung in Abhängigkeit der Strahlungsart
Alpha --> relativ einfach abzuschirmen, hohe Gasdrücke
Beta --> erzeugt Bremsstrahlung im Material --> Gamma - Strahlung
Gamma --> Hohes Durchdringungsvermögen, schwere Atome (Pb)
Abschirmung ist so auszulegen, dass selbst bei Zersetzung und Abschmelzen des Abschirmmaterials durch die Strahlung eine Abschirmung des RFZ gewährleistet ist
2.17 Wovon hängt der Druck in der Radioisotopenkapsel ab?
alpha Strahler --> Heliumgas wird abgegeben
Druck ist abhängig von der Temperatur und der Anzahl der abgegebenen Heliumatome
2.18 Warum wird bei einem Alpha Strahler der Druck in der Radioisotopenkapsel nicht einfach entlüftet?
Nur möglich mit speziellen Ventilen, die nur Gas, aber keine Partikel durchlassen --> bisher technisch nicht umsetzbar
2.19 Welche physikalischen Prinzipien liegen dem Thermoelektrischen Generator zugrunde
Seebeckt-Effekt: Hat in einem Leiterkreis unterschiedlicher Materialien eine Berührungsstelle eine andere temperatur als die anderen Teile, dann wird eine Thermospannung hervorgerufen.
2.20 Wie ist der Wirkungsgrad eines Thermoelektrischen Generators definiert? Wodurch wird dieser begrenzt?
- Temperaturen T1 und T2 (Hohe differenz)
- Ohmscher Widerstand (gute elektrische Leitfähigkeit)
- Thermische Leitfähigkeit (schlechte thermisch Leitfähigkeit)
Wirkungsgrad bei ca. 4-7%
2.22 Wie ordnen sch die p-n Übergänge thermisch und elektrisch an, um einerseits einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen und andererseits die Strom- und Spannungsanforderungen zu gewährleisten?
- Ordnung der Thermoelemente so, dass das heiße Ende ein n-p Übergang ist. So addieren sich die Thermokräfte
- Elektrische Serienschaltung und thermische parallelschaltung der Einzelpaare
- TEG Einheiten in Serie für Strom, Paralell für Spanungsanforderungen
