Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 43 (vyšlo 4. prosince, ročník 13 (2015)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Stirling přece poletí

Rudolf Mentzl

Když v roce 1816 podával reverend Stirling patent na teplovzdušný motor, asi by se nemálo podivil, kdyby mu někdo prozradil, že by jeho stroje mohly jednou pracovat i na okraji Sluneční soustavy.

Motivace Roberta Stirlinga zkonstruovat horkovzdušný motor byla dvojí. Tehdejší nastupující parní stroje byly málo účinné a především nebezpečné. Technologie počátku devatenáctého století neposkytovala materiály a spoje dostatečně odolné vůči tlakům, do té doby nevyužívaným. Nebezpečí výbuchu parního kotle bylo každodenním strašákem, případné následky byly většinou tragické.

V tepelných strojích, které máme v běžném povědomí, nevydrží pracovní médium v systému déle než jeden pracovní cyklus. V parním stroji je plyn vypouštěn ve formě vodní páry, ve vznětových a zážehových motorech odcházejí spaliny poté, co odevzdají část své energie pístu, výfukem ven. Stirlingův motorStirlingův motor – tepelný motor s vnějším spalováním. Pracovní médium je střídavě ohříváno a ochlazováno díky jeho přemisťování mezi teplou a studenou částí pracovního prostoru. s vnějším spalováním drží médium po celou dobu v systému a k práci ho nutí důmyslným systémem opakovaného ohřívání a ochlazování.

Od dob prvního stroje Roberta Stirlinga uvidělo světlo světa mnoho různých modifikací. Když opomeneme verze s rotačním pístem, mají všechny jedno společné: dva písty. Jeden píst pracovní a jeden určený k přemisťování pracovního média. Název druhého pístu (tzv. displacer) zatím nemá ustálený český překlad, v literatuře se můžeme setkat s výrazy přehaněč či přemísťovač.

Stirlingův motor, varianta A        Stirlinglův motor, varianta B

Dvě možné konfigurace (nazývané alfa a beta) Stirlingova motoru. Zdroj: Wikipedia.

Stirlingův motor – tepelný motor s vnějším spalováním. Pracovní médium je střídavě ohříváno a ochlazováno díky jeho přemisťování mezi teplou a studenou částí pracovního prostoru.

RTG – radioizotopový termoelektrický generátor, zdroj energie využívaný pro mise sond do nejvzdálenějších částí Sluneční soustavy, kde jsou klasické solární panely neúčinné. Základem RTG generátoru je kapsle z radioaktivního materiálu, zpravidla plutonia. Při rozpadu se uvolňuje velké množství tepla, které se v termočláncích konvertuje na elektřinu. Odpadní teplo je vyzařováno do okolního prostoru. RTG články mohou dodávat energii přístrojům několik desítek let.

ASRG – Advanced Stirling radioisotope generator, generátor elektrické energie využívající jako zdroj tepla radioizotopový materiál. Stirlingův motor mění teplo uvolněné rozpadem na pohybovou energii, která je již snadno přeměnitelná na elektrickou. Předpokládaná účinnost je čtyřikrát vyšší než u přeměny energie prostřednictvím termočlánku.

GRC – Glenn Research Center, Glennovo výzkumné středisko. Má za úkol hledat a vyvíjet nové technologie a materiály pro letectví a kosmonautiku. Založeno bylo v roce 1942, nynější název nese po prvním americkém astronautu Johnu Glennovi.

Stirlingův motor je charakteristický vnějším spalováním. Válec je ohříván z vnějšku, teplo přenáší na médium, to se rozpíná a tlačí na pracovní píst. Pohyb je současně přenášen na přehaněč, který se postará o přesun horkého plynu do chlazené části válce. Plyn zchladne, jeho objem se zmenší, pracovní píst zaujme výchozí postavení a cyklus se uzavírá.

Výhody motoru jsou zřejmé. Kontinuální hoření nemá problém s dokonalostí spalování, nepotřebuje ventily a jejich ovládání, významný bonus je tichý chod stroje. Vnější ohřev není závislý na typu tepelného zdroje. Jsou-li třecí plochy navrženy jen v chladné části, nedochází k degradaci maziv a jejich spotřeba je pak zanedbatelná. Klasické konfigurace nepotřebují startér.

Stirlingův motor

Stirlingův motor dokáže pracovat i při malých teplotních rozdílech. Model na obrázku prodává společnost American Stirling Company. Motor může pohánět teplo lidské ruky nebo odpadní teplo z elektrospotřebičů. K jeho trvalému chodu postačí, aby byl rozdíl mezi teplotou v dolní a v horní části pouze 4 °C. Zdroj: ASC.

Nevýhod je sice méně, ale jsou natolik podstatné, že Stirlingův motorStirlingův motor – tepelný motor s vnějším spalováním. Pracovní médium je střídavě ohříváno a ochlazováno díky jeho přemisťování mezi teplou a studenou částí pracovního prostoru. odsunují na druhé místo za běžné spalovací motory. Jsou to především materiálové nároky na výměník ohřívače, které podstatně zvyšují cenu motoru. Potřeba mohutného chladiče zvyšuje velikost motoru. Menší účinnost stroje může být sice kompenzována levnějším palivem, ale z principu je to jev nevítaný.

Z výše uvedených důvodů zapadl Stirlingův motor v zapomnění. Přesto se dočkal začátkem minulého století obrození, když firma Philips hledala možnosti napájení svých rádií v místech, kde není zaveden elektrický proud. Jedna ze zkoumaných možností padla i na Stirlingův motor. Cenili si ho zejména pro absenci elektrického rušení, tichý chod, minimální nároky na údržbu, ale především pro nezávislost na konkrétní realizaci ohřevu.

Poslední bod se postaral o vzkříšení zájmu i v našem století. Situace je podobná. Není to Philips, ale NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších., kdo hledá zdroj proudu pro odlehlé oblasti. V blízkosti naší ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. je situace dobře řešitelná pomocí panelů slunečních baterií. Mise vesmírných sond do vzdálenějších koutů Sluneční soustavy však vyžadují zdroje nezávislé na intenzitě a spolehlivosti dodávky slunečních paprsků. Vzpomeňme na problémy sondy RosettaRosetta – sonda ESA vypuštěná 2. března 2004, která byla jako první navedena na oběžnou dráhu kolem jádra komety (67P/Čurjumov–Gerasimenko dne 6. srpna 2014). Dále uskutečnila průlet kolem planetek 2867 Steins (5. září 2008) a 21 Lutetia (10. července 2010); řízené přistání na jádru komety (modul Philae, 12. listopadu 2014). Během cesty ke kometě se podílela na projektu Deep Impact při pozorování komety 9P/Tempel 1 a projektu New Horizons při pozorování Jupiteru a plazmového toru měsíce Io. Sonda spolu s kometou prošla perihéliem 13. srpna 2015. Mise byla několikrát prodloužena a definitivně byla ukončena dne 30. září 2016 řízeným pádem na povrch komety. a modulu PhilaePhilae – robotický přistávací modul ESA, který 12. listopadu 2014 jako první provedl řízené přistání na povrch komety. Ke kometě 67P/Čurjumov-Gerasimenko byl dopraven na sondě Rosetta. Přistávací manévr se nerealizoval podle plánu a výsledná poloha po dvou odpoutáních od povrchu komety je zhruba kilometr od vybrané lokality v poloze na boku a ve stínu terénní nerovnosti. Po vyčerpání energie primárních baterií byl modul v listopadu 2014 hibernován. Po přiblížení ke Slunci se baterie dobily a modul se ze spánku probudil v červnu 2015., který usedl do stínu balvanu a neměl jak napájet své přístroje. Z dalších jmenujme třeba marsovská vozítka, která by si také ušetřila nejeden problém, kdyby nebyla závislá na přísunu energie ze SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium..

Tam, kde je třeba dlouhodobé napájení a je problematické použít sluneční baterie, dnes používáme radioizotopové zdroje označované RTGRTG – radioizotopový termoelektrický generátor, zdroj energie využívaný pro mise sond do nejvzdálenějších částí Sluneční soustavy, kde jsou klasické solární panely neúčinné. Základem RTG generátoru je kapsle z radioaktivního materiálu, zpravidla plutonia. Při rozpadu se uvolňuje velké množství tepla, které se v termočláncích konvertuje na elektřinu. Odpadní teplo je vyzařováno do okolního prostoru. RTG články mohou dodávat energii přístrojům několik desítek let.. Principiálně jde pouze o radioaktivní zdroj tepla a termočlánek. Řešení jednoduché, odolné proti poruchám, ale málo výkonné. Limitující je účinnost termočlánku. Zdroje tepla vycházejí zbytečně těžké, což nejen omezuje hmotnost užitečného zatížení, ale je tu i citlivá otázka manipulace se strategicky významným radioaktivním materiálem. Stirlingův motorStirlingův motor – tepelný motor s vnějším spalováním. Pracovní médium je střídavě ohříváno a ochlazováno díky jeho přemisťování mezi teplou a studenou částí pracovního prostoru.  slibuje přibližně čtyřikrát vyšší účinnost než termočlánek.

NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. Glenn Research CenterGRC – Glenn Research Center, Glennovo výzkumné středisko. Má za úkol hledat a vyvíjet nové technologie a materiály pro letectví a kosmonautiku. Založeno bylo v roce 1942, nynější název nese po prvním americkém astronautu Johnu Glennovi. se chopila úkolu vyvinout zdroj elektrické energie ASC (Advanced Stirling Convertor). Slibuje si od něj energetické pokrytí případných misí k MarsuMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila., měsícům Titan a Europa, a k vnějším planetám UranUran – jedna ze čtyř obřích planet, sedmá planeta sluneční soustavy má charakteristický modrozelený nádech. Průměrná hvězdná velikost 5,5m je na hranici viditelnosti lidským okem. Planeta má soustavu prstenců a kolem krouží rozsáhlý systém měsíců podobně jako u ostatních obřích planet. Kromě vodíku a helia obsahuje atmosféra také metan, způsobující namodralé zbarvení. Ve středu Uranu je jádro z hornin a železa. Rotační osa Uranu je vzhledem k rovině oběhu stočená na bok (98°), patrně díky střetu s jinou velkou planetou při vzniku sluneční soustavy. Rotace je diferenciální s periodou 16÷17 hodin. Rychlost větrů v atmosféře dosahuje až 600 km/h. Magnetická osa svírá s osou rotace úhel 59° a  je značně excentrická (prochází 8 000 km od středu planety). Magnetosféra je výrazná, intenzita pole je srovnatelná s intenzitou pole Země, ohon je zkroucen do tvaru vývrtky díky vlastní rotaci planety.NeptunNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8m, a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru.. Pro sondy pohybující se v blízkosti SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. je Stirlingův konvertor také zajímavý. Sluneční baterie degradující přílišným ostřelováním částicemi slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v m3. Částice vylétávající v polárním směru mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. by mohly být nahrazeny Stirlingovým motorem ohřívaným přímo slunečním zářením.

Koncepčně motor připomíná beta konfiguraci klasického Stirlingova motoru, ale chybí klikový mechanismus převádějící přímočarý pohyb pístu na otáčení setrvačníku. Energie pístu je odčerpávána lineárním alternátorem. Jako pracovní médium bylo pro svou inertnost a dobré dynamické i tepelné vlastnosti vybráno heliumHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi.. O zdroj tepla se postará radioizotopový generátor postavený na bázi oxidu plutonia PuO2.

Stirlingův konvertor ASC

Advanced Stirling Convertor. Zdroj: NASA.

Parametry konvertoru uváděné NASA
výkon  130 W (na začátku mise)
účinnost 26 %
hmotnost 32 kg
zdroj energie 1,2 kg PuO2 ve dvou kapslích
rozměry  76×46×40 cm 
předpokládaná životnost 17 roků

Historie zařízení sahá k počátkům sedmdesátých let, kdy započal vývoj generátoru SRG (Stirling Radioisotope Generator). V devadesátých letech byl program ukončen a znovu byl vzkříšen až počátkem nového tisíciletí, tentokrát pod názvem ASRGASRG – Advanced Stirling radioisotope generator, generátor elektrické energie využívající jako zdroj tepla radioizotopový materiál. Stirlingův motor mění teplo uvolněné rozpadem na pohybovou energii, která je již snadno přeměnitelná na elektrickou. Předpokládaná účinnost je čtyřikrát vyšší než u přeměny energie prostřednictvím termočlánku. (Advanced Stirling Radioisotope Generator). Principiálně se projekty příliš nelišily, víceméně stouply jen požadavky na výkon. Nadějný projekt bohužel spolykal příliš prostředků, a tak byl roku 2013 zrušen.

Nyní se opět zablýsklo na lepší časy. Výhody, které slibuje zdroj postavený na principu Stirlingova motoru, jsou příliš lákavé na to, aby byly jen tak shozeny ze stolu. Vedení NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. požaduje od vývojářů kompletaci a odevzdání veškeré technické dokumentace týkající se ASRGASRG – Advanced Stirling radioisotope generator, generátor elektrické energie využívající jako zdroj tepla radioizotopový materiál. Stirlingův motor mění teplo uvolněné rozpadem na pohybovou energii, která je již snadno přeměnitelná na elektrickou. Předpokládaná účinnost je čtyřikrát vyšší než u přeměny energie prostřednictvím termočlánku. s odůvodněním, že je třeba na práci pokračovat. Dosažené úspěchy považuje za důležité a nechce začít vývoj od nuly. S nasazením generátoru se počítá od roku 2017.

Animace Stirligova konvertoru vyvíjeného v NASA.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage