antihydrogen: |Psi(r1,r2)|^2 (|Psi|^2)
[personal profile] antihydrogen
К вопросу о орбитальных солнечных станциях и космических буксирах одновременно: проект 1987г. (pdf) орбитального лазера с накачкой от солнечного света.

В общих чертах проект выглядел так: огромный отражатель из металлизированной пленки концентрирует солнечный свет на большой кварцевой колбе, сквозь которую прокачивается газобразный перфтор-т-бутил-йодид (t-C4F9I). Под действием солнечного света иодид разваливается на возбужденный атом иода и радикал C4F9. Возбужденные атомы иода и обеспечивают усиление лазерного излучения. После перехода в основное состояние атом иода соединяется с C4F9-радикалом и опять образует t-C4F9I.

Площадь коллектора 15 гектаров, масса - 15 тонн, собираемая энергия - 160 мегаватт. Из них только 5 мегаватт поглощается в колбе, и только один мегаватт превращается в лазерное излучение. Остальные 4 мегаватта пришлось бы рассеивать с помощью радиатора. То есть полный КПД установки - 0.6 %, а тепловой КПД - 20%.

Кроме того, не весь t-C4F9I рекомбинирует, часть атомов иода превращаются в молекулы I2, а радикалов - в (C4F9)2. В далеких от лабораторных условиях синтезировать его обратно из этих компонент сложно, и примерно пять тонн в год будет расходоваться. Поэтому предполагался 25-тонный запас, который должен был возмещаться рейсами с Земли раз в пять лет. Учитывая радиатор, оптическую систему для направления лазерного луча в нужное место и т.д., общий вес станции должен был составить 90 тонн.

1-мегаватный луч, конечно, несерьезен для нужд "большой энергетики". Предвидя традиционно-пацифисткие мысли читателей: хотя светить оно должно было инфракрасным излучением на длине волны иода 1.315 мкм, которая лежит в одном из "окон прозрачности" земной атмосферы, убить таким лучем кого-то на поверхности Земли также довольно проблематично. А предназначалось оно для того же, для чего предназначается вышеупомянутый орбитальный ядерный буксир:

Лазерным лучем предполагалось светить на космические ракеты, заправленные жидким водородом, греть водород и разгонять их. Преимущество такой системы - разнесение источника энергии и ускоряемого аппарата. Тяжелый 90-тонный источник энергии мирно вращается вокруг Земли, а энергия тратится только на разгон полезной нагрузки.

Почему реализация не сдвинулась дальше проекта? Некоторые догадки по этому поводу можно сделать из того, что в проекте встречаются фразы типа: J. W. Wilson, from the Langley  Research Center, who has experience with both t-C4F9I and i-C3F7I, has suggested that the loss rate for t-C4F9I is perhaps 100 times less than that for i-C3F7I.

" - И было предсказано, что однажды придут игроки, которые смогут обладать таким мечом!  - Кто это предсказал?  - Зальцман, из бухгалтерии."

Но с тех пор появилась отражающая пленка с поверхностной плотностью 10 г/м2, что в десять раз легче заложенной в проект (то есть при той же собираемой мощности коллектор будет весить всего полторы тонны). КПД лазеров с накачкой от солнечного света может достигать 35%. А КПД превращения лазерного излучения в электричество уже достигло 55%, при плотности потока энергии в треть мегаватта на квадратный метр.

Date: 2015-08-08 03:04 pm (UTC)
From: [identity profile] zloradskij.livejournal.com
Т.е. мощность буксира даже в лучшем случае будет всего 1 МBт? ИМХО такой монументальный гемор несоизмерим с пользой.

Предлагаю использовать луч в качестве "метлы" для расчистки орбиты от мусора, так хоть какая-то экономич. польза будет.

Date: 2015-08-08 03:26 pm (UTC)
From: [identity profile] antihydrogen.livejournal.com
Ну я там вверху дал ссылку на проектирующийся ядерный буксир с электрической мощностью как раз в 1 МВт (причем в настоящее время планируемая мощность уже урезана до 250 кВт, из-за отказа от капельного радиатора). Весить он должен 20 тонн.

Аппарат, запитывающий ионные двигатели от батарей, подсвечиваемых лазером, может быть куда легче вышепомянутых 20 тонн, как по причине отсутствия самого реактора, так из за того что КПД преобразования лазерное излучение -> электричество гораздо выше чем КПД тепловой машины. И хотя для охлаждения преобразователей все равно потребуются радиаторы, они будут гораздо меньших размеров.

Кроме того, реактор по современным соглашениям нельзя включать на высоте ниже 800км, что во всех смыслах сильно ограничивает сферу применения ядерного буксира.

Date: 2015-08-13 06:07 am (UTC)
From: [identity profile] tnenergy.livejournal.com
>Аппарат, запитывающий ионные двигатели от батарей, подсвечиваемых лазером, может быть куда легче вышепомянутых 20 тонн,

Не понятно, с чего такой оптимизм по массе. Одна разворачиваемая конструкция диаметром 370 метров (если я в правильную цифру в ПДФ посмотрел) будет весить больше 10 тонн даже при невесомой пленке отражателя. 4-х мегаваттный электрический преобразователь вам тоже выйдет тонн в 10. 100 метровая ферма, оптика, баки с реактивами - в общем в какой-то момент и 90 тонн может оказаться оптимистичным вариантом.

>Кроме того, реактор по современным соглашениям нельзя включать на высоте ниже 800км, что во всех смыслах сильно ограничивает сферу применения ядерного буксира.

Кстати - нельзя включать только первый раз. Потом, в принципе, ООНовский закон позволяет спускаться с контролируемым реактором ниже этой величины, при условии, что есть средство забросить АЗ обратно на 800, пойди что не так.

Date: 2015-08-13 09:50 am (UTC)
From: [identity profile] antihydrogen.livejournal.com
Вы кажется не поняли идеи - у нас отдельно будет болтаться на орбите лазер, который никуда не летит и может весить сколько угодно. Его излучение будет направляться на другие, далекие от него космические аппараты, которыми полученная от него энергия будет использоваться для разгона.

395 м - это диаметр "солнечного" зеркала орбитального лазера. Про диаметр зеркал у получателей лазерного излучения в проекте ровным счетом ничего не сказано. Но можно прикинуть: апертура лазера 1.8 м, длина волны 1.3 мкм, значит расходимость пучка будет порядка 1.e-6 рад. При расстоянии от лазера до приемника в 10000 км пришедший на приемник лазерный пучок будет иметь диаметр порядка 10м.

В исходном проекте полагалось, что на разгоняемых аппаратах лазерным излучением будет греться водород, т.е. никаких электрических преобразователей вообще не предполагалось.

Если заменить нагреваемый водород на ионный двигатель, а зеркало приемника - на солнечную батарею, то (памятуя о 10 м диаметра пучка) потребуется порядка 100 м2 солнечных батарей. У зонда Juno 60 m2 солнечных батарей весят 340 кг.
КПД специально "настроенных" на использование лазерного излучения батарей в настоящее время достигает 55%. Остальное уйдет на нагрев батарей, и можно прикинуть, что при 1 МВт лазерного излучения равновесная температура батарей будет около 200С, что вполне терпимо. То есть на уровне современных технологий вполне реально создать энергетическую систему в электрической мощностью в 550 кВт с массой менее тонны.

Date: 2015-08-13 10:13 am (UTC)
From: [identity profile] tnenergy.livejournal.com
Ага, я в фразе "Аппарат, запитывающий ионные двигатели от батарей, подсвечиваемых лазером" подумал что речь идет про сам аппарат с лазером. В целом идея laser driven space tug'ов ничего так, но надо оценивать с т.з. баллистики еще и экономики.

Date: 2015-08-08 03:58 pm (UTC)
From: [personal profile] shtangen
А почему с земли просто мегаваттным лазером не посветить?

Date: 2015-08-08 04:19 pm (UTC)
From: [identity profile] antihydrogen.livejournal.com
Да можно, конечно. Но атмосфера сильно мешает прохождению мощных пучков из-за нелинейных эффектов (из-за преломления на нагретом самим пучком воздухе получаются самофокусировки, пробои, дефокусировки и т.д.).

А орбитальный лазер - во-первых, это красиво...

Date: 2017-01-30 08:18 pm (UTC)
From: [identity profile] trubetskoyroman.livejournal.com
Не известны ли примеры экономических расчетов линии наземных электростанций с микроволновыми излучателями? Окупились ли бы такие капитальные затраты в долгосрочной перспективе при условии, что сильное снижение стоимости вывода на орбиту простимулирует сильный рост спроса на вывод, что обеспечит большой объем вывода, который будучи умноженным даже на малую стоимость, окупит инвестиции?

Date: 2015-08-09 10:55 am (UTC)
From: [identity profile] kray-zemli.livejournal.com
А зачем лазер? Просто сфокусировать солнечный свет и направить в направлении покрашенного чёрной краской бака с водородом нельзя?

Date: 2015-08-09 11:25 am (UTC)
From: [identity profile] antihydrogen.livejournal.com
Угловая расходимость солнечного света равна полградуса (видимый угловой размер Солнца). Чтобы зеркало именно фокусировало свет на чем то, а не просто пускало зайчик, нужно, чтобы угловой размер зеркала с точки зрения приемника были много больше углового размера Солнца. При расстоянии между зеркалом и приемником в 1000км потребуется зеркало диаметром много больше 10км.

Date: 2015-09-12 09:02 pm (UTC)
From: [identity profile] insane-reader.livejournal.com
Если пленка легче в 10 раз,почему бы не увеличить площадь коллектора.
Для преобразования солнечной энергии в электрическую фотоэлементы,а тепловой энергии двигатель Стирлинга и или термоэлементы.
И вместо лазера использовать мазер.И для приёма микроволн не диоды Шотки, а плазменные ректенны.

Date: 2015-09-13 01:53 pm (UTC)
From: [identity profile] antihydrogen.livejournal.com
Основная проблема с тепловыми машинами в космосе - необходимость огромного радиатора. Можно уменьшить радиатор, увеличив его температуру, но это уменьшит КПД. Повышение же температуры нагревателя вызовут проблемы с выбором материалов для турбины (или двигателя Стрилинга).

Вышеописанный проект утилизирует напрямую ультрафиолет солнечного света, а избытки тепла сбрасываются с высокотемпературного радиатора.

Date: 2015-09-14 03:30 am (UTC)
From: [identity profile] insane-reader.livejournal.com
Делаем приемник излучения и радиатор из тугоплавких материалов вольфрама его сплавов или карбида тантала-гафния.И кипятим в приёмнике соли или металлы - натрий, калий, висмут,свинец и т.д. Тогда одним из преобразователей энергии может быть МГД-генератор.


Date: 2015-11-08 05:49 pm (UTC)
From: [identity profile] tnenergy.livejournal.com
Проблемы начнутся уже при попытке сделать трубку из вольфрама. А продолжаться на решении задачи отогрева замерзшего теплоносителя в радиаторе. Ну и последним гвоздем будет машинерия, которая должна работать на температурах выше, чем у радиатора.

Date: 2016-05-20 04:14 am (UTC)
From: [identity profile] Андрей Гаврилов (from livejournal.com)
что, кстати, возвращает нас к вопросам по изначально заявленной теме:

"КПД превращения лазерного излучения в электричество уже достигло 55%, при плотности потока энергии в треть мегаватта на квадратный метр"


(кстати, мельком глянув по ссылке, увидел там цифру 57%).

- а именно, - как нам рассеивать оставшуюся ~~ четверть мегаватта с того самого кв. метра? Опять лишь - "городить дополнительные радиаторы"?

Date: 2016-05-22 10:43 am (UTC)
From: [identity profile] antihydrogen.livejournal.com
Во первых, от трети мегаватта при таком КПД в тепло перейдет одна седьмая мегаватта (а не одна четвертая). Если не охлаждать - преобразовательная батарея нагреется до 1200К. Рабочая температура батарей на арсениде галлия - до 150С. Чтобы охлаждать их то такой температуры - потребуется 70 м2 радиатора для 1 м2 батарей.

Ну или не гнаться за рекордами по потоку энергии на м2 батареи, и просто поставить 200 м2 батарей на каждый мегаватт входной мощности. Именно этот вариант я предполагаю в комменте выше http://antihydrogen.livejournal.com/42635.html?thread=354187#t354187

Date: 2016-05-22 11:26 am (UTC)
From: [identity profile] Андрей Гаврилов (from livejournal.com)
тьфу, да, не половина ведь, а треть мегаватта на входе.

Мне больше интересно - нет ли решений, позволяющих если не "не городить", то радикально уменьшить радиаторы. Высокая рабочая температура, etc.

PETE там какие-нибудь, или высокотемпературные полупроводниковые решения для лазерного излучения.

Date: 2016-05-22 11:43 am (UTC)
From: [identity profile] antihydrogen.livejournal.com
PETE - это конечно выглядит перспективно, но пока что
current device only has an efficiency of 2%
http://www.extremetech.com/extreme/151160-stanfords-solar-cell-turbocharger-could-boost-solar-power-output-by-50



Date: 2016-05-20 04:26 am (UTC)
From: [identity profile] Андрей Гаврилов (from livejournal.com)
хотелось бы освещения темы coherent optical phased array

( DARPA EXCALIBUR ( http://www.darpa.mil/program/excalibur ), например )

и прогремевшего (благодаря Мильнеру) Любиновского DE-STAR'a ( https://www.google.ru/search?q=Dr.+Philip+M.+Lubin%3A+DE-STAR ) (правильно ли я понимаю, там - то же самое?)

как раз в разрезе "как нам при помощи буханки хлеба и двух спиц этого захватить освоить Солнечную Систему", и прочие проблемы постройки таких систем в нечерноземной полосе на Луне / Меркурии. Какую плотность потока можно получить на расстоянии пояса Койпера/ Нептуна/ Сатурна/ ... /Марса от такой системы, размером с Луну/ Меркурий; и т.д., и т.п.


(Строить, разумеется, будем роботами из "Advanced Automation for Space Missions"-образных комплексов, но это уже детали (кстати, если у вас есть оригинальные идеи, могущие пойти на пользу делу разработки таких комплексов - было бы интересно прочесть пост о них:))).

Просто прижгите иодом

Date: 2016-08-24 06:23 am (UTC)
From: [identity profile] livejournal.livejournal.com
Пользователь [livejournal.com profile] kcp_frm сослался на вашу запись в своей записи «Просто прижгите иодом (http://kcp-frm.livejournal.com/3280.html)» в контексте: [...] Оригинал взят у в Просто прижгите иодом [...]

Date: 2016-11-20 12:47 pm (UTC)
From: [identity profile] pz-true.livejournal.com
а зачем в схеме лазер?

Может проще делать зеркало которое там гнется автоматически как надо и просто свет фокусирует в нужной точке космоса?

Нет я предполагаю конечно, что до этого кто-то додумывался до меня, просто хотелось бы знать почему отказались от это йдеи?

Date: 2016-11-20 05:06 pm (UTC)
From: [identity profile] antihydrogen.livejournal.com
Уже отвечал выше на аналогичный вопрос http://antihydrogen.livejournal.com/42635.html?thread=352395#t352395

Date: 2016-11-21 04:46 am (UTC)
From: [identity profile] pz-true.livejournal.com
не заметил, спасибо.
Page generated Jul. 27th, 2017 06:46 pm
Powered by Dreamwidth Studios