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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Strom auf dem Mond, insbesondere während einer vierzehn-tägigen Mondnacht, sowie ein Mond-Dampfkraftwerk.
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Verfahren und Vorrichtungen zur Bereitstellung von Strom sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen vorbekannt.
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Aus der
US 2009/0126923 A1 beispielsweise geht ein Verfahren hervor, bei dem ein Arbeitsmedium unter Aufnahme von Wärme verdampft wird, um eine nachgeschaltete Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Dabei wird vorgeschlagen, als Wärmequelle für die Verdampfung des Arbeitsmediums stillgelegte Kohlenwasserstoffbrunnen zu nutzen, deren Temperaturen im Bereich von 150°C bis 200°C liegen können.
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Die
US 7,647,774 B2 offenbart ein Verfahren, bei dem die Energie einer beispielsweise geothermalen Wärmequelle über einen kryogenischen Wärmetransportprozess in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird. Es wird ein Dampf-Kompressions-Kreislauf genutzt, um Wärme von der Wärmequelle zu absorbieren und ein Rankine-Kreislauf mit einer Expansionsmaschine, um die thermale in mechanische und/oder elektrische Energie zu konvertieren. Als Arbeitsmedium kommt in beiden Kreisläufen ein Kältemittel, beispielsweise flüssiger Stickstoff, zum Einsatz.
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In der
DE 39 43 161 A1 wird vorgeschlagen, Turbinenkraft und Motorenkraft zur Stromerzeugung in Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen zu erzeugen, indem Flüssiggase, beispielsweise Flüssigstickstoff, mit Luftwärme und Erdwärmeheißwasser erwärmt werden, unter Druck geraten und anschließend in gasförmigem Zustand Kolbenmaschinen oder Dampfturbinen durchströmen, um diese anzutreiben.
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Die
US 2010/0327606 A1 offenbart ein System mit einem Arbeitsmediumkreislauf, der einen sich unterirdisch und einen sich oberirdisch erstreckenden Abschnitt, in welchem eine Turbine und eine Pumpe vorgesehen sind, umfasst. In dem im Boden befindlichen Abschnitt sowie in dem oberirdischen Abschnitt kann das Arbeitsmedium jeweils gekühlt beziehungsweise erwärmt werden, um es für das Betreiben der Turbine zu verdampfen beziehungsweise wieder in den flüssigen Zustand zu überführen. Als Arbeitsmedium kommen Fluorkohlenwasserstoffe oder Hydrofluorchlorwasserstoffe zum Einsatz.
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Schließlich geht aus der
WO 96/01363 ein Niedertemperaturmotor hervor, welcher die Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärmeenergie auf einem niedrigen Temperaturniveau ermöglichen soll. Es wird ein flüssiges Gas in einem geschlossenen Kreislauf mittels einer Pumpe auf ein höheres Druckniveau gepumpt, in einem Verdampfer verdampft, in einer Nutzleistung abgebenden Entspannungsmaschine entspannt und dabei abgekühlt, in der Entspannungsmaschine oder in einem dieser nachgeschalteten Entspannungsorgang verflüssigt und in einem Flüssigkeitssammler für ein erneutes Durchlaufen des Kreislaufes bereitgehalten. Das Gas kann über eine Bypassleitung mit einem Bypassventil an der Entspannungsmaschine vorbeiströmen und das flüssige Gas kann in eine weitere Bypassleitung, in der sich ebenfalls ein Bypassventil befindet, überströmen.
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Die verschiedenen Verfahren und Vorrichtungen zur Bereitstellung von Strom haben sich auf der Erde prinzipiell bewährt. Es besteht jedoch auch Bedarf an extraterrestrischer Stromerzeugung.
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Im Kontext bemannter oder unbemannter Mondmissionen sowie der Errichtung von Mondstationen besteht eine besondere Herausforderung darin, eine zuverlässige Energieversorgung von Mensch und Maschine auf dem Mond zu gewährleisten. Ein geeignetes Energieversorgungssystem müsste kontinuierlich während des 29,5 Tage dauernden synodischen Monats Energie – im Allgemeinen in Form von Strom – bereitstellen, wobei insbesondere die vierzehn Tage andauernde Mondnacht ein Problem darstellt. Über diese vergleichsweise ausgedehnte Zeitspanne hinweg wird ein auf der Mondoberfläche befindliches Gerät bzw. eine Mondstation kein Sonnenlicht erreichen, sofern sich diese nicht an den Polen des Mondes befindet. Ein Energieversorgungssystem, welches einfallendes Sonnenlicht nutzt kann über diese Zeitspanne keine Energie beispielsweise für eine Mondbasis bereitstellen. Um dieses Problem zu umgehen wird daher angestrebt, Energieversorgungssysteme auf dem Mond zu verwenden, welche von dem Einfall von Sonnenstrahlung unabhängig sind.
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In der Publikation „Multi-Megawatt Gas Turbine Power Systems for Lunar Colonies” von Albert J. Juhasz, Nasa Scientific and Technical Publikation 2006-214658 wird beispielsweise ein derartiges Energieversorgungssystem für eine mögliche Mondkolonie offenbart. Dieses ist als 10 MW Kraftwerk dimensioniert, welches einen gasgekühlten Fusionsreaktor, der erwärmtes Heliumarbeitsmedium zu zwei Parallelen in einem geschlossenen Kreislauf betriebenen Gasturbinen liefert. Mit einem derartigen Energieversorgungssystem soll beispielsweise der Energiebedarf einer Mondkolonie mit einer Besatzung von bis zu 50 Personen gedeckt werden.
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Eine alternative auf dem Mond verwendbare Energiequelle ist durch radioaktiv zerfallende Materialien gegeben, welche von der Erde zum Mond transportiert werden. Für alle bisherigen Mond-Missionen die eine bzw. mehrere lunare Nächte überdauert haben, sind derartige radioaktive Energieträger verwendet worden. Mit diesen sind jedoch die bekannten Nachteile – wie etwa das gesundheitsgefährdende Potential der Materialien sowie das Problem der Endlagerung – verbunden und man ist insbesondere in Anbetracht gesellschaftlicher und politischer Kritik an der Verwendung radioaktiver Materialien bestrebt, die Verwendung dieser zu vermeiden. Darüber hinaus stehen radioaktive Energieträger nicht in unbegrenztem Maße auf der Erde zur Verfügung.
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Ebenso können Energieversorgungssysteme verwendet werden, die auf der Verwendung von Sonnenstrahlung basieren und die eine Speichervorrichtung umfassen, aus welcher während der lunaren Nacht Energie entnommen werden kann. Dazu müssen Energiespeicher auf dem Mond vorgesehen werden, in denen Sonnenenergie, beispielsweise in Form von Wärme, in ausreichenden Mengen gespeichert werden kann. Eine Forschungsarbeit zu diesem Thema ist in dem Artikel „Investigation of the use of the lunar surface layer to store energy for generating power during the lunar night” von Gerald J. Barna und Roy L. Johnson, Nasa TM X-1560, April 1968 veröffentlicht. Im Rahmen dieser Arbeit wird vorgeschlagen, ein Wärmespeicherareal während des Mondtages zu erwärmen und die gespeicherte Energie während der lunaren Nacht nutzbar zu machen. Der Speicher müsste dabei von ausreichender Größe sein, damit während der gesamten Nachtphase auf dem Mond Energie zur Verfügung steht. Da es mit enormem Aufwand verbunden wäre, Materialien für die Wärmespeicherung in großen Mengen zum Mond zu transportieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit erforscht, welche auf dem Mond befindlichen Materialien sich für eine entsprechende Speicherung eignen.
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Es ist jedoch generell mit Nachteilen verbunden, Energie für eine Nutzung zu einem späteren Zeitpunkt speichern zu müssen, da die Speicherung im Allgemeinen mit nicht unerheblichen Verlusten verbunden ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kontinuierliche Energieversorgung auf dem Mond, insbesondere während einer 14 Tage andauernden Mondnacht zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bereitstellung von Strom auf dem Mond, insbesondere während einer vierzehn-tägigen Mondnacht, bei dem ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert, welcher die folgenden Schritte umfasst:
- – flüssiges Arbeitsmedium wird in einer auf der Mondoberfläche vorgesehenen Sammel- und Kühlvorrichtung, die ausgebildet ist, um dauerhaft Temperaturen von unter –150°C standzuhalten, bereitgestellt;
- – das flüssige Arbeitsmedium wird in eine unmittelbar an oder unterhalb der Mondoberfläche vorgesehene Wärmetauscheinheit geführt, die ausgebildet ist, um die Übertragung von Wärme auf das Arbeitsmedium in einem Temperaturbereich unterhalb von 0°C zu ermöglichen;
- – das flüssige Arbeitsmedium wird in der Wärmetauscheinheit unter Aufnahme von Wärme aus dem Mondinneren erwärmt und in den gasförmigen Zustand überführt, wobei es expandiert;
- – das gasförmige Arbeitsmedium wird einer der Wärmetauscheinheit unmittelbar nachgeschalteten Turbine zugeführt und treibt diese an, wobei die mechanische Energie der angetriebenen Turbine zur Stromerzeugung genutzt wird;
- – das aus der Turbine tretende gasförmige Arbeitsmedium wird in der Sammel- und Kühlvorrichtung gesammelt und unter Abgabe von Wärmestrahlung an die Umgebung gekühlt, so dass es in den flüssigen Zustand übergeht; und
- – das flüssige Arbeitsmedium wird in der Sammel- und Kühlvorrichtung erneut für den Kreislauf bereitgestellt.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch ein Mond-Dampfkraftwerk zur Bereitstellung von Strom auf dem Mond, insbesondere während einer vierzehn-tägigen Mondnacht, mit
- – einer Sammel- und Kühlvorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Arbeitsmediums auf der Mondoberfläche, die ausgebildet ist, um dauerhaft Temperaturen von unter –150°C standzuhalten,
- – einer mit der Sammel- und Kühlvorrichtung auslassseitig verbundenen Wärmetauscheinheit, die ausgebildet ist, umunmittelbar an oder unterhalb der Mondoberfläche platziert zu werden und Wärme von dem Mondinneren auf ein von der Sammel- und Kühlvorrichtung zugeführtes Arbeitsmedium in einem Temperaturbereich unterhalb von 0°C zu übertragen und es in den gasförmigen Zustand zu überführen; und
- – wenigstens einer der Wärmetauscheinheit unmittelbar nachgeschalteten Turbine, die ausgebildet ist, um von gasförmigem Arbeitsmedium, welches von der Wärmetauscheinheit zugeführt wird, angetrieben zu werden, und die mit wenigstens einer Stromerzeugungseinheit zur Umwandlung der mechanischen Energie der angetriebenen Turbine in Strom, verbunden ist;
wobei die Turbine auslassseitig mit der Sammel- und Kühlvorrichtung unter Ausbildung eines geschlossenen Kreislaufs verbunden ist und wobei die Sammel- und Kühlvorrichtung ausgebildet ist, um das aus der Turbine tretende gasförmige Arbeitsmedium zu sammeln und unter Abgabe von Wärmestrahlung an die Umgebung zu kühlen, so dass es in den flüssigen Zustand übergeht.
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Mit anderen Worten liegt der Erfindung die Idee zugrunde, den Temperaturgradient zwischen der Mondoberfläche bzw. dem Erdreich des Mondes einerseits und dem Weltraum andererseits zur Bereitstellung von Strom zu nutzen. In unmittelbarer Nähe zur Oberfläche des Mondes liegt das Temperaturminimum am Ende einer lunaren Nacht bei etwa –160°C, und ab einer Tiefe von etwa 50 cm unterhalb der Mondoberfläche herrscht unabhängig von der Tages- und Nachtphase eine Temperatur von vergleichsweise hohen –25°C und mehr (Messungen im Rahmen der Mondflüge Apollo 15 und Apollo 17) vor. Dahingegen kann Materie im Weltraum durch passive Kühlung, also durch Abgabe von Wärmestrahlung an den umgebenden Raum, auf Temperaturen von bis zu –220°C gekühlt werden (Messung im Rahmen der Planck-Mission der ESA). Dies ist auch auf dem Mond, der praktisch keine Atmosphäre aufweist, bereits in einigen Metern unter Verwendung ausreichender Isolierung auch in wenigen zehn Zentimetern Abstand zur Mondoberfläche möglich.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr ein flüssiges Arbeitsmedium in einer auf der Mondoberfläche vorgesehenen Sammel- und Kühlvorrichtung bereitgestellt, die ausgebildet ist, um dauerhaft Temperaturen von unter –150°C Stand zu halten und somit bei den auf dem Mond vorherrschenden Bedingungen bestehen zu können. Das flüssige Arbeitsmedium wird in eine unmittelbar an oder unterhalb der Mondoberfläche vorgesehene Wärmetauscheinheit geführt. In der Wärmetauscheinheit wird Wärme von dem Mondinneren auf das flüssige Arbeitsmedium übertragen und dieses wird erwärmt und in den gasförmigen Zustand überführt. Der Übergang in den gasförmigen Zustand kann in der Wärmetauscheinheit oder aber hinter dieser erfolgen. Die mit dem Phasenwechsel verbundene Expansion wird genutzt, um eine der Wärmetauscheinheit unmittelbar nachgeschaltete Turbine anzutreiben, und die mechanische Energie der angetriebenen Turbine wird zur Stromerzeugung verwendet. Dazu kann beispielsweise ein Generator mit der Turbine verbunden sein. Das aus der Turbine tretende gasförmige Arbeitsmedium wird anschließend in der Sammel- und Kühlvorrichtung gesammelt und gekühlt. So wird es in den flüssigen Zustand überführt. Die Sammel- und Kühlvorrichtung ist dabei vorzugsweise an ihrem unteren Endbereich gegenüber der Mondoberfläche thermisch isoliert, wodurch verhindert wird, dass Wärmestrahlung der Mondoberfläche die Sammel- und Kühlvorrichtung erreicht und es kann eine Kühlung in ausreichendem Maße erfolgen. Abschließend wird das wieder verflüssigte Arbeitsmedium in der Sammel- und Kühlvorrichtung erneut für den Kreislauf bereitgestellt.
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Dabei wird ein Arbeitsmedium verwendet, welches eine Siedetemperatur zwischen –220°C und –160°C bei etwa 1 bar Umgebungsdruck aufweist. Ein Arbeitsmedium mit diesen Eigenschaften ist geeignet, um erfindungsgemäß den Temperaturgradienten zwischen der Mondoberfläche und dem Weltraum zur Stromerzeugung zu nutzen, da es bei den unmittelbar an oder unterhalb der Mondoberfläche herrschenden Temperaturen verdampft werden kann und sich wieder verflüssigt, wenn es auf etwa –220°C gekühlt wird. Insbesondere Stickstoff ist als Arbeitsmedium geeignet. Dieser weist eine Siedetemperatur von –195,79°C bei etwa 1 bar Umgebungsdruck auf und kann somit unmittelbar an oder unterhalb der Mondoberfläche verdampft werden und oberhalb der Mondoberfläche in den flüssigen Zustand überführt werden. Da der Mond praktisch keine Atmosphäre hat, ist der auf der Erde vorherrschende Umgebungsdruck von 1 bar nicht gegeben. Dieser kann jedoch in dem geschlossenen System hergestellt werden, wodurch die Verdampfung bei der genannten Siedetemperatur gewährleistet wird.
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Der Faktor der Volumenerhöhung bei dem Wechsel vom flüssigen in den gasförmigen Zustand beträgt für Stickstoff etwa 640. Dies entspricht etwa der Hälfte der Volumenerhöhung, die bei dem Verdampfen von Wasser eintritt. Die Volumenerhöhung von Stickstoff reicht jedoch aus, um eine Turbine anzutreiben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung von Strom auf dem Mond ist von dem direkten Einfall von Sonnenstrahlung unabhängig, weshalb es insbesondere während der Nachtphase eine zuverlässige Energieversorgung gewährleistet. Es kommen ferner keine radioaktiven Materialien bei dem erfindungsgemäßen Verfahren oder dem erfindungsgemäßen Mond-Dampfkraftwerk zum Einsatz, wodurch die mit diesen Materialien verbundenen Nachteile gänzlich vermieden werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sammel- und Kühlvorrichtung mehrere Sammel- und Kühleinheiten aufweist, die zweckmäßiger Weise parallel geschaltet sind und in denen gasförmiges Arbeitsmedium gesammelt, gekühlt und im flüssigen Zustand bereitgestellt wird.
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Es können dabei mehrere Betriebszyklen nacheinander durchlaufen werden, wobei in jedem Betriebszyklus jeweils flüssiges Arbeitsmedium in einer als Quelle dienenden Sammel- und Kühleinheit bereitgestellt und aus dieser in die Wärmetauscheinheit und anschließend in die Turbine geführt wird. Aus der Turbine tretendes gasförmiges Arbeitsmedium wird dann in einer weiteren Sammel- und Kühleinheit gesammelt und gekühlt. Nach Unterschreiten eines vorgegebenen Füllniveaus in der als Quelle dienenden Sammel- und Kühleinheit wird ein neuer Betriebszyklus gestartet, in dem eine weitere Sammel- und Kühleinheit als Quelle für flüssiges Arbeitsmedium dient.
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Gemäß dieser Ausführungsform sind mehrere – beispielsweise drei-, Sammel- und Kühleinheiten vorgesehen. In zwei der drei Sammel- und Kühleinheiten kann dann beispielsweise flüssiges Arbeitsmedium bereitgestellt werden, wobei die dritte Sammel- und Kühleinheit zunächst unbefüllt ist. Zu Beginn des ersten Betriebszyklus dient eine der beiden Sammel- und Kühleinheiten, in welchen flüssiges Arbeitsmedium bereitgestellt wird, als Quelle, aus der flüssiges Arbeitsmedium in die Wärmetauscheinheit und anschließend in die Turbine geführt wird. Das aus der Turbine tretende gasförmige Arbeitsmedium wird in der zu Beginn unbefüllten Sammel- und Kühleinheit gesammelt und gekühlt. Sobald in der als Quelle dienen Sammel- und Kühleinheit ein vorgegebenes Füllniveau unterschritten wird – diese beispielsweise vollständig geleert wurde –, wird ein neuer Betriebszyklus gestartet. Für diesen dient die zweite Sammel- und Kühleinheit, in welcher ebenfalls flüssiges Arbeitsmedium bereitgestellt wird, als Quelle. Das flüssige Arbeitsmedium wird aus dieser in die Wärmetauscheinheit und anschließend in die Turbine geführt, wobei aus der Turbine tretendes gasförmiges Arbeitsmedium in derjenigen Sammel- und Kühleinheit gesammelt und gekühlt wird, welche in dem ersten Betriebszyklus als Quelle diente und geleert wurde. Auf diese Weise dienen die Sammel- und Kühleinheiten im Wechsel als Quelle bzw. Senke für Arbeitsmedium. Es können zwei, drei oder auch mehr Sammel- und Kühleinheiten für diesen Betrieb vorgesehen sein.
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Um das flüssige Arbeitsmedium aus der bzw. das gasförmige Arbeitsmedium in die jeweilige Sammel- und Kühleinheit lassen zu können, sind den Sammel- und Kühleinheiten Ein- und Auslassventile zugeordnet. Diese werden über eine zentrale Steuereinheit gesteuert.
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Auch wenn der Kühlvorgang des gasförmigen Arbeitsmediums und somit die Rückführung in den flüssigen Zustand eine nicht vernachlässigbare Zeitspanne in Anspruch nimmt, kann durch die Bereitstellung von flüssigem Arbeitsmedium in mehreren Sammel- und Kühleinheiten der kontinuierliche Betrieb des erfindungsgemäßen Mond-Dampfkraftwerkes gewährleistet werden. Infolge dessen wird auch kontinuierlich Strom unter Nutzung der mechanischen Energie der angetriebenen Turbine erzeugt und kann von Mensch und Maschine auf dem Mond genutzt werden. In dem genannten Beispiel mit insgesamt drei Sammel- und Kühleinheiten steht dem gasförmigen Arbeitsmedium, nachdem es aus der Turbine getreten ist und in einer Sammel- und Kühleinheit gesammelt wurde, zum Abkühlen die Zeit von zwei Betriebszyklen zur Verfügung, bis es für den kontinuierlichen Betrieb wieder im flüssigen Zustand bereitstehen muss. Die Zeitspanne kann verlängert werden, indem eine größere Anzahl von Sammel- und Kühleinheiten vorgesehen wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem unteren Endbereich der Sammel- und Kühlvorrichtung und/oder an den unteren Endbereichen der Sammel- und Kühleinheiten eine thermischen Isolierung gegen die Mondoberfläche, insbesondere gegen Wärmestrahlung von der Mondoberfläche, vorgesehen ist. Mit Hilfe der Isolierung wird verhindert, dass das gasförmige Arbeitsmedium in der Sammel- und Kühlvorrichtung bzw. den Sammel- und Kühleinheiten der Wärmestrahlung der Mondoberfläche ausgesetzt ist, wodurch ein effizienter passiver Kühlvorgang gewährleistet wird.
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Das gasförmige Arbeitsmedium kann beispielsweise in Tanks der Sammel- und Kühleinheiten gesammelt und gekühlt werden. Tanks sind geeignet, um eine ausreichende Menge von flüssigem Arbeitsmedium bereitzustellen, sowie die Abkühlung von gasförmigem Arbeitsmedium unter Abgabe von Wärme an die Umgebung zu ermöglichen. Tanks können auf einfachem Wege thermisch gegen die Restwärme der Mondoberfläche isoliert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann gasförmiges Arbeitsmedium durch Rohre der Sammel- und Kühleinheiten geführt und dabei gekühlt werden. Rohre sind ebenfalls geeignet, um eine Abkühlung des durch diese strömenden gasförmigen Mediums unter Abgabe von Wärme an die Umgebung zu ermöglichen und auf einfachem Wege gegen die Mondoberfläche isoliert zu werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das aus der Turbine tretende gasförmige Arbeitsmedium zusätzlich gekühlt wird, indem in einem zwischen der Turbine und der Sammel- und Kühlvorrichtung vorgesehenen Wärmetauscher Wärme von dem aus der Turbine tretenden gasförmigen Arbeitsmedium auf flüssiges Arbeitsmedium, welches von der Sammel- und Kühlvorrichtung zu der an oder unterhalb der Mondoberfläche vorgesehenen Wärmetauscheinheit geführt wird, übertragen wird. Durch die zusätzliche Kühlung kann die Zeit, welche benötigt wird, um das gasförmige Arbeitsmedium in den flüssigen Zustand zu überführen verkürzt werden. Dies wird erzielt, indem zwischen der Turbine und der Sammel- und Kühlvorrichtung eine Kühleinrichtung mit einem Wärmetauscher vorgesehen wird, durch welchen das aus der Turbine tretende gasförmige Arbeitsmedium geführt wird. Es wird ebenfalls flüssiges Arbeitsmedium, welches von der Sammel- und Kühlvorrichtung zu der unterhalb der Mondoberfläche vorgesehenen Wärmetauscheinheit geführt wird, durch den der Turbine nachgeschalteten Wärmetauscher geführt, damit Wärme von dem aus der Turbine tretenden gasförmigen Arbeitsmedium auf das flüssige Arbeitsmedium übertragen wird. Dabei können das flüssige und das gasförmige Arbeitsmedium den Wärmetauscher in an sich bekannter Weise in gleicher Richtung oder aber in entgegengesetzter Richtung durchströmen. Auf diesem Weg wird das gasförmige Arbeitsmedium effizient gekühlt und es findet gleichzeitig eine Vorwärmung des flüssigen Arbeitsmediums statt, bevor dieses zur weiteren Erwärmung in die Wärmetauscheinheit geführt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das flüssige Arbeitsmedium in eine Wärmetauscheinheit geführt wird, die wenigstens 0,5 m unterhalb der Mondoberfläche vorgesehen ist. In dieser Tiefe herrscht dauerhaft eine vergleichsweise hohe Temperatur von –25°C vor. Eine möglichst hohe Temperatur ist erstrebenswert, da der Carnot-Wirkungsgrad, welcher den größtmöglichen theoretischen Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie angibt, von dem Verhältnis der höchsten und der niedrigsten Temperatur des Prozesses abhängt. Um eine effiziente Umwandlung der aus dem Mondinneren aufgenommenen Wärmeenergie in mechanische Energie zu ermöglichen, sollte das Arbeitsmedium demgemäß einen möglichst hohen Temperaturgradienten während des Kreislaufs durchlaufen.
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Zweckmäßiger Weise kann wenigstens eine Pumpe in dem geschlossenen Kreislauf, insbesondere zur Förderung von flüssigem Arbeitsmedium von der Sammel- und Kühlvorrichtung zu der Wärmetauscheinheit, vorgesehen sein. Das flüssige Arbeitsmedium kann von der Sammel- und Kühlvorrichtung unter Ausnutzung der Gravitationskraft des Mondes in die Wärmetauscheinheit geführt werden, wobei es vorteilhaft sein kann, wenn für die Förderung zusätzlich eine Pumpe vorgesehen ist. Auch an anderen Stellen in dem Kreislauf können Pumpen vorgesehen sein, beispielsweise um das aus der Turbine tretende gasförmige Arbeitsmedium zu der Sammel- und Kühlvorrichtung zu fördern.
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Hinsichtlich weiter vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:
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die einzige Figur ein erfindungsgemäßen Mond-Dampfkraftwerk zur Bereitstellung von Strom auf dem Mond, insbesondere während einer 14-tägigen Mondnacht in schematischer Darstellung.
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Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Mond-Dampfkraftwerk umfasst eine Sammel- und Kühlvorrichtung 1 zur Bereitstellung eines flüssigen Arbeitsmediums, die ausgebildet ist, um dauerhaft Temperaturen von unter –150°C Stand zu halten und oberhalb der Mondoberfläche M in einigen Metern Abstand zu dieser platziert ist.
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Die Sammel- und Kühlvorrichtung 1 weist drei Sammel- und Kühleinheiten 2 für ein fluides Arbeitsmedium auf. In der Zeichnung sind nur die Tanks der Sammel- und Kühleinheiten 2 dargestellt, und diese sind parallel geschaltet. In der linken und der mittleren Sammel- und Kühleinheit 2 ist flüssiges Arbeitsmedium, hier Stickstoff, bereitgestellt, und die rechte Sammel- und Kühleinheit 2 ist unbefüllt. Stickstoff weist eine Siedetemperatur von –195,79°C bei einem Umgebungsdruck von etwa 1 bar auf, der eingestellt wird. Ferner ist jeweils am oberen Endbereich der Sammel- und Kühleinheiten 2 ein Einlassventil 2a für gasförmigen und am unteren Endbereich ein Auslassventil 2b für flüssigen Stickstoff vorgesehen.
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An ihrem unteren Endbereich weist die Sammel- und Kühlvorrichtung 1 eine thermische Isolierung 3 gegen die Mondoberfläche, insbesondere gegen Wärmestrahlung von der Mondoberfläche auf. Ferner sind zwischen den Sammel- und Kühleinheiten 2 ebenfalls thermische Isolierungen 3 vorgesehen, um eine Wärmeübertragung dieser untereinander zu unterbinden. Die Sammel- und Kühlvorrichtung 1 kann auch in geringerem Abstand zu der Mondoberfläche M platziert sein, als in der dargestellten Ausführungsform. Sofern eine ausreichende Isolierung 3 vorgesehen ist kann diese beispielsweise nur wenige zehn Zentimeter oberhalb der Mondoberfläche M vorgesehen sein.
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Die Sammel- und Kühlvorrichtung 1 ist auslassseitig über eine Verbindungsleitung L1 mit einer Wärmetauscheinheit 4 verbunden. In der Verbindungsleitung L1 ist eine Pumpe P vorgesehen. Die Wärmetauscheinheit 4 ist in der dargestellten Ausführungsform unterhalb der Mondoberfläche M in einer Tiefe von etwa 50 cm vorgesehen und ausgebildet, um die Übertragung von Wärme auf Stickstoff bei einer Temperatur von etwa –25°C zu ermöglichen und den Stickstoff zu verdampfen.
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Der Wärmetauscheinheit 4 unmittelbar nachgeschaltet ist eine Turbine 5, die ausgebildet ist, um von gasförmigem Stickstoff, welcher von der Wärmetauscheinheit 4 zugeführt wird, angetrieben zu werden. Die Turbine 5 ist mit einem Generator 6 verbunden, welcher der Umwandlung der mechanischen Energie der angetriebenen Turbine 5 in Strom dient. Die Turbine 5 ist auslassseitig mit der Sammel- und Kühlvorrichtung 1 über eine Verbindungsleitung L2 unter Ausbildung eines geschlossenen Kreislaufs verbunden. Die Sammel- und Kühlvorrichtung 1 ist ausgebildet, um den aus der Turbine 5 tretenden gasförmigen Stickstoff zu sammeln und unter Abgabe von Wärmestrahlung an die Umgebung zu kühlen, so dass er in den flüssigen Zustand übergeht.
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In der dargestellten Ausführungsform ist ferner eine Kühleinrichtung zur zusätzlichen Kühlung von aus der Turbine 5 tretendem gasförmigen Stickstoff vorgesehen, die ein zwischen der Turbine 5 und der Sammel- und Kühlvorrichtung 1 vorgesehenen Wärmetauscher 7 umfasst. Dieser ist ausgebildet, um Wärme von aus der Turbine 5 tretendem gasförmigen Stickstoff auf flüssigen Stickstoff, welcher von der Sammel- und Kühlvorrichtung 1 zu der an oder unterhalb der Mondoberfläche M vorgesehenen Wärmetauscheinheit 4 geführt wird, zu übertragen. Für die Kühlung wird sowohl gasförmiger Stickstoff, als auch flüssiger Stickstoff, durch den Wärmetauscher 7 geleitet. Der gasförmige und der flüssige Stickstoff durchströmen den Wärmetauscher 7 hier in entgegengesetzte Richtung.
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Schließlich gehört zu dem Mond-Dampfkraftwerk eine nicht eingezeichnete zentrale Steuereinheit, welche die Komponenten des Mond-Dampfkraftwerkes steuert.
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Im Betrieb werden mehrere Betriebszyklen nacheinander durchlaufen.
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Zu Beginn des ersten Betriebszyklus dient die linke Sammel- und Kühleinheit 2 als Quelle für flüssigen Stickstoff. Dafür wird das Auslassventil 2b dieser Sammel- und Kühleinheit 2 von der zentralen Steuereinheit geöffnet. Das Einlassventil 2a der rechten Sammel- und Kühleinheit 2, welche unbefüllt ist, wird ebenfalls geöffnet. Die übrigen Ein- und Auslassventile 2a, 2b bleiben verschlossen.
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Aus der linken Sammel- und Kühleinheit 2 wird durch die Pumpe P flüssiger Stickstoff in die Wärmetauscheinheit 4 gefördert. Dabei strömt der flüssige Stickstoff durch den Wärmetauscher 7 der Kühleinrichtung, nimmt in diesem während einer Anlaufphase, in der noch kein gasförmiger Stickstoff aus der Turbine 5 tritt, jedoch keine Wärme auf.
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In der Wärmetauscheinheit 4 wird der flüssige Stickstoff unter Aufnahme von Wärme aus dem Mondinneren erwärmt. Die Erwärmung erfolgt dabei auf eine Temperatur, die oberhalb der Siedetemperatur von Stickstoff liegt, so dass dieser in den gasförmigen Zustand überführt wird und expandiert. Der gasförmige Stickstoff wird der der Wärmetauscheinheit 4 unmittelbar nachgeschalteten Turbine 5 zugeführt und treibt diese an. Die mechanische Energie der angetriebenen Turbine 5 wird zur Stromerzeugung genutzt. Die Stromerzeugung erfolgt hier mittels des mit der Turbine 5 verbundenen Generators 6.
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Der aus der Turbine 5 tretende gasförmige Stickstoff wird durch den Wärmetauscher 7 der Kühleinrichtung zu der Sammel- und Kühlvorrichtung 1 zurückgeführt. In dem Wärmetauscher 7 wird Wärme von dem aus der Turbine 5 tretenden gasförmigen Stickstoff auf flüssiges Stickstoff, welcher von der Sammel- und Kühlvorrichtung 1 zu der an der Wärmetauscheinheit 4 geführt wird, übertragen. Durch den zurückströmenden gasförmigen Stickstoff erfolgt somit eine Vorwärmung des flüssigen Stickstoffs, bevor dieser in die unterhalb der Mondoberfläche M vorgesehene Wärmetauscheinheit 4 gelangt.
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Der aus dem Wärmetauscher 7 strömende gasförmige Stickstoff, welcher unter Abgabe von Wärme an flüssigen Stickstoff bereits gekühlt wurde, gelangt im Anschluss in die rechte Sammel- und Kühleinheit 2 der Sammel- und Kühlvorrichtung 1, wird in dieser gesammelt und unter Abgabe von Wärmestrahlung an die Umgebung weiter gekühlt, sodass er in den flüssigen Zustand übergeht.
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Sobald in der linken, als Quelle dienenden Sammel- und Kühleinheit 2 ein vorgegebenes Füllniveau unterschritten wird, hier sobald die Sammel- und Kühleinheit 2 vollständig geleert ist, bewirkt die Steuereinheit eine Schließung des Auslassventils 2b von dieser und es wird ein neuer Betriebszyklus gestartet. Für diesen dient die mittlere Sammel- und Kühleinheit 2 als Quelle und die linke Sammel- und Kühleinheit 2, welche in dem ersten Betriebszyklus als Quelle diente und geleert wurde, als Senke. Entsprechend wird das Auslassventil 2b der mittleren Sammel- und Kühleinheit 2 sowie das Einlassventil 2a der linken Sammel- und Kühleinheit 2 von der Steuereinheit geöffnet und die übrigen Ein- und Auslassventile 2a, 2b werden verschlossen. Aus der mittleren Sammel- und Kühleinheit 2 wird flüssiger Stickstoff in die Wärmetauscheinheit 4 und anschließend in die Turbine 5 geführt. Aus der Turbine 5 tretendes gasförmiges Arbeitsmedium wird in der linken Sammel- und Kühleinheit 2 gesammelt und gekühlt. Damit der gasförmige Stickstoff in diese gelangen kann, wird deren Einlassventil zu Beginn des neuen Betriebszyklus geöffnet.
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Auf diese Weise dienen die Sammel- und Kühleinheiten 2 im Wechsel als Quelle bzw. Senke für Arbeitsmedium.
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Die in der Figur dargestellte Sammel- und Kühlvorrichtung 1 umfasst drei Sammel- und Kühleinheiten 2, es können alternativ auch nur zwei oder aber mehr als drei Sammel- und Kühleinheiten 2 für den Betrieb vorgesehen sein.
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Auch wenn der Kühlvorgang des gasförmigen Arbeitsmediums und somit die Rückführung in den flüssigen Zustand eine Zeitspanne in Anspruch nimmt, die von nicht vernachlässigbarer Länge ist, kann durch die Bereitstellung von flüssigem Arbeitsmedium in mehreren Sammel- und Kühleinheiten 2 ein kontinuierlicher Betrieb des dargestellten Mond-Dampfkraftwerkes gewährleistet werden. Demzufolge kann auch kontinuierlich Strom unter Nutzung der mechanischen Energie der angetriebenen Turbine 5 durch das Mond-Dampfkraftwerk bereitgestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Mond-Dampfkraftwerk ist von dem direkten Einfall von Sonnenstrahlung unabhängig, weshalb es insbesondere während der vierzehn-tägigen Nachtphase auf dem Mond eine zuverlässige Energieversorgung gewährleistet. Es werden ferner keine radioaktiven Materialien für das Mond-Dampfkraftwerk verwendet, wodurch die mit diesen Materialien verbundenen Nachteile gegenüber dem Stand der Technik gänzlich vermieden werden.
