ES2562713B2 - Sistema de generación de potencia eléctrica en órbita por medio de cables conductores flotantes - Google Patents
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Abstract
El sistema de generación de potencia eléctrica en órbita por medio de cables conductores flotantes embarcado en un vehículo espacial (1) comprende dos conjuntos de cables conductores electrodinámicos desnudos (sin aislante eléctrico) (2, 3) conectados respectivamente a cada uno de los dos polos (4, 5) de un sistema de utilización o almacenamiento de potencia eléctrica (6), y en donde cada conjunto está formado por al menos un cable conductor.#En presencia de un plasma y de un campo magnético, como es el caso de un satélite orbitando en la ionosfera terrestre, una corriente eléctrica fluye de forma natural a lo largo de los cables conductores proporcionando una potencia eléctrica. La cantidad de potencia eléctrica obtenida dependerá del ambiente espacial, de la velocidad del satélite relativa al plasma, y de las propiedades y diseño de los cables (longitud, sección y material). El sistema se podrá optimizar empleando materiales que favorezcan la emisión de electrones por efecto termiónico o fotoeléctrico. Dichos materiales se utilizarán en la composición de los cables o para revestir su superficie a lo largo de su extensión completa o de partes de ella.
Description
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radiacion solar recibida la cual se reduce practicamente a cero en condiciones de eclipses, obligando a los satelites a almacenar energla en baterlas durante la fase iluminada de cada orbita. Ademas, la potencia electrica recibida decae con el cuadrado de la distancia al Sol, lo cual perjudica enormemente el uso de esta tecnologla en misiones espaciales mas alla de Jupiter y Saturno. En esos casos, se suelen emplear costosos sistemas de generacion de potencia electrica basados en reacciones nucleares.
Otra limitation importante de los sistemas fotovoltaicos deriva de su escasa escalabilidad y de la necesidad de control. Los paneles solares que se utilizan hoy dla son bastante pesados y necesitan orientarse continuamente hacia la direction de maxima iluminacion si se quieren evitar importantes perdidas de eficiencia. Como resultado de estas limitaciones, muy pocos satelites tienen una capacidad de generation de potencia electrica superior a los 10 kW, y en el caso de los picosatelites, la potencia electrica maxima es solo de unos pocos vatios.
En el caso de satelites en orbita alrededor de planetas dotados de campo magnetico e ionosfera, como la Tierra o Jupiter, existe otro mecanismo de generacion de potencia electrica menos convencional basado en la interaction de cables conductores en orbita con el ambiente espacial circundante [Drell, S., Foley, H. M., Ruderman, M. A. Drag and propulsion of large satellites in the ionosphere: an Alfven propulsion engine in space, Journal of Geophysical Research, Vol 70, 13, pp 3131-3145, 1965], Este mecanismo se conoce desde hace varias decadas y se basa en la conversion de energla orbital en energla electrica gracias al arrastre electrodinamico que afecta a un cuerpo conductor en movimiento relativo a otro conductor, en este caso el plasma ionosferico y el cable, en presencia de un campo magnetico [Alfven, H, Spacecraft propulsion: new methods, Science, New Series, Vol 176, 4031, pp 167-168, 1972], Segun los principios flsicos que gobiernan esa interaccion, cables conductores en forma de largas cintas delgadas, con longitudes, anchuras y espesores tlpico del orden de kilometros, centlmetros y decenas de micras respectivamente, resultan muy eficientes para generar potencia electrica y se han estudiado de manera extensa en la literatura cientlfica [Sanmartln, J., Martlnez-Sanchez, M and Ahedo, E., Bare wire anodes for electrodynamic tethers, Journal of Propulsion and Power, Vol 9, 3, pp 353359, 1993, Sanmartln, J and Estes, R. D., The orbital-motion-limited regime of cylindrical Langmuir probes, Physics of Plasmas, Vol 6, 1, pp 395-405, 1999,
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Bombardelli, C., Power density of a bare electrodynamic tether generator, Journal of Propulsion and Power, Vol 28, 3, pp 664-668, 2012].
Como muestra la Figura 3, en el diseno de todos los sistemas de potencia electrica basado en cables electrodinamicos propuestos hasta ahora [Sanmartln, J., Martinez- Sanchez, M and Ahedo, E., Bare wire anodes for electrodynamic tethers, Journal of Propulsion and Power, Vol 9, 3, pp 353-359, 1993 ] (veanse tambien la solicitudes estadounidense US4923151 A, US 6459206 B1, US 6755377 B1, US 6758443 B1, US 6419191 B1, US 7118074 B1, US 6116544 A), un polo del elemento de utilizacion o almacenamiento de potencia electrica se encuentra conectado electricamente a un extremo del cable y el otro a un dispositivo emisor de electrones, tlpicamente un catodo hueco (en ingles "hollow cathode"). En este esquema la intensidad es maxima en el extremo del cable donde se encuentra conectado el elemento de utilizacion o almacenamiento de potencia electrica. Sin embargo, la presencia del catodo hueco introduce importantes desventajas. En primer lugar, la operacion del catodo requiere un sistema de almacenamiento de gas inerte y un dispositivo para controlar su flujo. A lo largo de su vida, el catodo pierde eficiencia porque se erosiona y, al acabarse el gas inerte, deja de funcionar totalmente. En segundo lugar, el sistema deja de ser totalmente pasivo, lo cual disminuye su atractivo. Alternativamente a los catodos hueco tradicionales, se han propuesto dispositivos que no necesitan gas como los FEACs (del ingles "Field emission array cathodes") o los emisores termionicos. Actualmente, la capacidad de emision de electrones de dichos dispositivos se encuentra lejos de los catodos huecos tradicionales.
En ausencia de un dispositivo de emision de electrones, un cable electrodinamico desnudo (sin aislante electrico) es poco eficiente. El cable desnudo intercambia carga de forma natural con el plasma pero, debido a la disparidad de masas entre electrones e iones, la corriente que circula por el mismo se reduce drasticamente. Es lo que se conoce como cable electrodinamico flotante (en ingles "floating electrodynamic tether"), el cual tiene intensidad de corriente nula en sus extremos y ha sido propuesto como instrumento cientlfico para excitar auroras artificialmente [Sanmartin, J., Charro, M., Pelaez, J., Tinao, I., Elaskar, S., Hilgers, A. and Martinez-Sanchez, M., Floating bare tether as upper atmosphere probe, Journal of Geophysical Research, Vol 111, A11310, 1-15, 2006], En dicho artlculo se propone el uso de una cinta electrodinamica conductora conectada en uno de sus extremos a un satelite cientlfico, el cual es
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desorbitado (pierde altura) de forma totalmente pasiva. Un diseno similar de cable flotante para desorbitar satelites al final de mision fue patentado en 2012 (US 2012/0138748 A1).
La eficiencia de un cable flotante aumenta drasticamente si este se recubre con un material con baja funcion de trabajo, el cual emite electrones de manera natural a temperaturas moderadas. Este concepto, denominado cable flotante termionico, ha sido introducido recientemente con aplicacion al desorbitado de satelites [Williams, J. D., Sanmartln, J. and Rand, L. P.,Low-Work function coating for entirely propellantless bare electrodynamic tether, lEEETransactionson Plasma Science, Vol 40, 5, pp 14411445, 2012], El material termionico mas prometedor para esta aplicacion es el C12A7:e" que muestra unas propiedades de emision y estabilidad muy superiores a otros recubrimientos ceramicos, entre los que se incluyen el LaB6, CeB6, BaO-W, Ba- W, BaO y 12CaO-7Al2O3(C12A7:e-).
Tanto en el artlculo de excitacion de auroras con cables flotantes [Sanmartin, J., Charro, M., Pelaez, J., Tinao, I., Elaskar, S., Hilgers, A. and Martinez-Sanchez, M., Floating bare tether as upper atmosphere probe, Journal of Geophysical Research, Vol 111, A11310, 1-15, 2006, como en la solicitud de patente US 2012/0138748 A1, el satelite se encuentra en uno de los extremos del cable. Al ser este de tipo flotante, la corriente es nula en el extremo, y por tanto esa configuration no puede utilizarse para generar potencia electrica a bordo. La unica manera de generar potencia electrica en orbita por medio de cables flotantes es utilizar un sistema de cables multiples (como mlnimo dos) que se extienden desde un satelite en direcciones opuestas con respecto al campo electrico electromotor. Este sistema de cables multiples se describe y analiza por primera vez en esta invention. Es importante subrayar que en el resumen del artlculo de cable flotante con emision termionica [Williams, J. D., Sanmartln, J. and Rand, L. P.,Low-Work function coating for entirely propellantless bare electrodynamic tether, lEEE Transactions on Plasma Science, Vol 40, 5, pp 1441-1445, 2012 ] se menciona la posibilidad de utilizar el concepto para desorbitar y generar potencia electrica. Sin embargo, en el cuerpo del mismo, los autores analizan exclusivamente la primera de estas aplicaciones y no proponen ningun diseno de sistema que permita la generation de potencia electrica.
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Breve descripcion de la invencion
En la presente invencion se propone un diseno original que permite por primera vez generar potencia electrica a bordo de un satelite mediante el uso de cables flotantes, los cuales son responsables de la captura y emision de electrones. El sistema de utilizacion o almacenamiento de potencia electrica dispone de dos polos, cada uno de los cuales se conecta electricamente al extremo de un conjunto de cables conductores, y en donde cada uno de los dos conjuntos de cables conductores esta constituido por al menos un cable conductor. Este detalle es esencial ya que, como se ha discutido anteriormente, un solo cable conductor con un sistema de generation de potencia electrica en un extremo es inutil. Ademas, por primera vez se contempla la emision fotoelectrica de electrones a lo largo de los cables y se describe como deben disenarse los cables para que este mecanismo sea eficiente. Algunos materiales que podrlan facilitar la emision fotoelectrica son los metales alcalinos o los compuestos Ag- Cs2O-Cs, Ag-Cs3Sb, y Na2KSb.
La presente invencion se refiere a un sistema de generacion de potencia electrica para satelites en orbita caracterizado por que comprende dos conjuntos de cables conductores electrodinamicos flotantes (2,3) conectados respectivamente a cada uno de los dos polos (4,5) de un sistema de utilization o almacenamiento de potencia electrica (6) a bordo de un vehlculo espacial en orbita (1).
El diseno del sistema correspondiente a la presente invencion puede ser modificado segun las necesidades de la mision o aplicacion espacial que lo utilice. Las modificaciones comprenden:
- el posible uso de distintos tipos de secciones (en forma substancialmente circular, en forma substancialmente rectangular o de cinta, y en forma substancialmente anular) para los cables.
- el posible empleo de materiales de alta emisividad electronica (por efecto termionico o fotoelectrico) para la composition de los cables y/o para revestir sus superficies.
- el posible empleo de materiales dielectricos para aislar partes de la superficie de los cables.
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- el posible empleo de materiales o tratamientos que proporcionen un alto cociente de absortividad frente a emisividad termica en los cables para que alcancen temperaturas mas altas y aumente su emisividad electronica.
- el posible uso de masas de extremidades conectadas con uno o mas cables en los extremos opuestos a los polos de conexion del sistema de utilization o almacenamiento de potencia electrica, para mejorar la estabilidad dinamica de los cables, y que puede incluir, entre otras, una masa de lastre pasiva, sistema de despliegue para cables, otro satelite, muelle, tapa de satelite.
- el posible uso de multiples cables, no necesariamente del mismo diseno, caracterlsticas geometricas o composition, conectados a un mismo polo.
Descripcion de las figuras
Para complementar la descripcion y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invention, se acompana la presente memoria descriptiva de las figuras de 1, 2 y 3, como parte integrante de la misma.
La invencion se describira en lo que sigue con mas detalle haciendo referencia a un ejemplo de ejecucion de la misma representado en la figura 1 y 2. La figura 3 refleja el estado de la tecnica actual, y se anade para subrayar la novedad comparativa de la presente invencion.
La figura 1 representa el esquema basico de diseno y funcionamiento de la invencion.
La figura 2 explica el mecanismo flsico por el cual los cables capturan corriente desde el plasma circundante y la transmiten al dispositivo de almacenamiento o utilizacion de potencia electrica.
La figura 3 representa el diseno clasico de un sistema de generation de potencia electrica basado en un cable electrodinamico desnudo. A diferencia de la presente invencion, en este diseno se hace uso de un unico cable electrodinamico conectado por un extremo a un vehlculo espacial (7) y una carga (8), y por el otro extremo a una masa de extremidad (9). El cable, de longitud L, ejerce la funcion de coleccion de electrones desde el plasma circundante, aunque parte de su extension se encuentra a potencial negativo con respecto al plasma y absorbe, en manera poco eficiente, iones.
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La emision de electrones, necesaria para cerrar el circuito y conseguir una corriente estacionaria I en el cable, se obtiene por medio de un catodo hueco (10) a bordo del vehlculo espacial. La totalidad de los disenos de sistemas de produccion de potencia electrica en orbita por medio de cables electrodinamicos que se han considerado hasta ahora utilizan un esquema similar.
Descripcion detallada de la invencion
El diseno y funcionamiento de la invencion se puede entender facilmente tomando como referencia la figura 1.
Desde el vehlculo espacial (1) se despliegan dos conjuntos de cables conductores desnudos (sin aislante electrico) (2) y (3), en direcciones opuestas. En este ejemplo particular, cada conjunto consta de tres cables. Los cables pertenecientes al conjunto (2) estan conectados electricamente al polo positivo (4) mientras que los cables pertenecientes al conjunto (3) estan conectados electricamente al polo negativo (5). Un dispositivo de almacenamiento o utilizacion de potencia electrica (6) esta conectado a los dos polos (4) y (5).
Todos los cables interaccionan con el ambiente circundante, caracterizado por la presencia de un campo magnetico B y de una ionosfera. Debido al movimiento orbital vrel del vehlculo espacial con respecto al plasma ionosferico altamente conductor, existe un campo electrico electromotor E= vrel x B en el plasma lejano en el referencial ligado al vehlculo y una corriente I fluye a lo largo de los cables. Dicha corriente atraviesa el dispositivo de almacenamiento o utilizacion de potencia electrica (6) y da lugar a una potencia electrica util para el vehlculo espacial (1).
Los principios flsicos basicos del funcionamiento de la invencion se explicaran a continuation haciendo referencia a la figura 2. En este ejemplo particular, no necesariamente correspondiente al diseno optimo del sistema, dos cables, de longitud L1 y L2, respectivamente, estan conectados a un dispositivo de almacenamiento o utilizacion de potencia electrica de impedancia Zl.
Asumiendo que la proyeccion del campo electrico electromotor E segun la direction tangente a los cables Et es constante, el potencial electrico del plasma lejano Vplasma
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varla linealmente a lo largo de los cables. La subida total de potencial entre los extremos del cable es DVplasma= Et (L1 + L2). Por otro lado, el potencial electrico propio de los cables Vtether se mantiene aproximadamente constante a lo largo de sus longitudes, siempre y cuando se desprecien, como es razonable para un analisis preliminar, los efectos ohmicos de los mismos. Sin embargo, al pasar de un polo al otro, se verifica una calda de potencial (DVl) debido a la presencia del dispositivo de almacenamiento o utilization de potencia electrica de impedancia (Zl) no nula.
En aquellos puntos donde el potencial del cable sea mayor que el del plasma lejano, el cable capturara electrones como una sonda de Langmuir colectora. En aquellos puntos donde el potencial del cable sea menor que el del plasma lejano, el cable emitira electrones, bien por el impacto de iones o por encontrarse el cable fabricado o recubierto de un material de que favorezca la emision de electrones por efecto termionico o fotoelectrico. En la figura 2 se muestra un caso particular en el que cada uno de los cables tiene un segmento colector y otro emisor. En funcion de las condiciones ambientales (campo magnetico y densidad de plasma), diseno de los cables (section, material y longitud) y de la impedancia electrica del sistema de almacenamiento o generation de potencia electrica existen otras configuraciones de emision y captura de electrones a lo largo de los cables. El principio flsico que las gobiernan es identico al descrito anteriormente.
Al ser los electrones del plasma ambiente capturados y emitidos en distintos tramos de cada cable, se obtiene finalmente un perfil de corriente (/) que varla a lo largo de los cables. Es importante destacar que la corriente se hace cero en las extremidades libres de los cables por ser estos flotantes. La conclusion es que a traves del dispositivo de almacenamiento o utilizacion de potencia electrica fluye una corriente no nula (/ ) que proporciona la potencia electrica P= AV£ /l.
El sistema propuesto es adecuado para la generacion de potencia electrica a bordo de un satelite en orbita alrededor de un planeta dotado de su propio campo magnetico e ionosfera, como la Tierra o los grandes planetas exteriores. A diferencia de los sistemas fotovoltaicos, puede proporcionar potencia electrica en fase de eclipse.
Una ventaja clave del diseno propuesto para esta invention es su robustez. Si algun
cable resultara cortado durante su operation, por ejemplo debido a un impacto de un
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micro-meteoroide o fragmento de basura espacial, la vida del satelite no se verla comprometida. Un cable flotante cuya longitud se ha visto reducida por un corte no deja de funcionar; sigue proporcionando potencia electrica, aunque esta se vera reducida una cantidad que dependera de la longitud de cable cortada.
Para aumentar la eficiencia del sistema, se pueden utilizar materiales o recubrimiento de materiales de alta emisividad electronica (materiales termionicos con baja funcion de trabajo o fotoelectricos). Dichos recubrimientos o materiales podran ser empleados en uno o mas cables flotantes y a lo largo de toda su longitud o en un segmento de la misma.
Un aspecto clave es la seleccion de las dimensiones de los cables (longitudes y seccion transversal). A modo de ejemplo se describe a continuacion los pasos a seguir para obtener un diseno optimo en el caso de la figura 2, en donde los dos cables tienen igual perlmetro y estan fabricados con los mismos materiales. Aunque este modelo debe ser adaptado a la configuration especlfica que se quiera estudiar, por ejemplo anadir mas cables o aislar electricamente algun segmento respecto al plasma, el esquema de diseno es siempre similar.
En primer lugar es necesario calcular los perfiles de corriente y potencial a lo largo del cable. En el caso de la figura 2, si se desprecian efectos ohmicos, la diferencia de potencial entre el cable y el plasma vale:
V(x) ° Vtether (x) - Vplasma (x) =
V - Etx
Vo +DV -Etx
x < l L < x < L
(0.1)
donde V0 > 0 es la diferencia de potencial entre el cable y el plasma lejano para x=0 y
L=L1+L2. Como se explica a continuacion, el valor de V0 se conoce como parte de la solucion del problema asl como las longitudes LA = V0/Et, L2A =-L+(V0 +DVl)/Et,
L1C L L A y L
2C
= L2 - L
2A
En segundo lugar, se calcula el perfil de corriente consistente con la ecuacion (0.1).
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Los dos segmentos de cables L1A < x < L1 y L1 + L2A < x < L, cuyas secciones, tienen, por simplicidad, el mismo perimetro pt, emiten electrones gracias a tres efectos fisicos diferentes segun la ecuacion (1.2):
dl_
dx
■Pt
ej S (U )Y (U )dU + aT2 exp
0
V
w_ + N
kBT j p
2eV (x)
(1 + y\ V(x)|)
(0.2)
El primer termino del miembro derecho de la precedente ecuacion representa el efecto fotoelectrico e involucra el flujo solar S(U) de energia incidente en el cable (numero de fotones por unidad de tiempo, superficie y energia U) y el rendimiento cuantico Y(U) (en ingles "photoelectric yield") del cable, es decir, el numero de fotoelectrones extraidos por foton incidente de energia U. La emision fotoelectrica por parte del propio cable nunca ha sido propuesta anteriormente en aplicaciones de cables electrodinamicos desnudos.
El segundo termino es la emision termionica, propuesta en la Ref. [Williams, J. D., Sanmartln, J. and Rand, L. P.,Low-Work function coating for entirely propellantless bare electrodynamic tether, lEEE Transactionson Plasma Science, Vol 40, 5, pp 14411445, 2012 ]. Este mecanismo involucra la constante de Richardson (a = 1.2x106 A/m2K2 ), la constante de Boltzmann (kB) y la temperatura (T) y funcion de trabajo del cable (W), respectivamente.
El tercer termino es la corriente emitida al recibir el cable el impacto de los iones, un mecanismo propuesto en la Ref. [Sanmartin, J., Charro, M., Pelaez, J., Tinao, I., Elaskar, S., Hilgers, A. and Martinez-Sanchez, M., Floating bare tether as upper atmosphere probe, Journal of Geophysical Research, Vol 111, A11310, 1-15, 2006]. Depende de la densidad de plasma (N0), de la masa (m) de los iones del plasma, de la carga del electron (e) y del producto g\DV \ que representa el numero de electrones emitidos por ion que impacta.
En funcion del diseno de los cables, por ejemplo que estos esten recubiertos o no de un material con bajo W o alto Y(U), y de su operacion (temperatura que puedan alcanzar), es de esperar que uno de los tres terminos domine sobre el resto.
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Por ultimo, los dos segmentos de cables 0 < x < L1A y L1 < x < L1 + L2A, con secciones
del mismo perimetro pt, capturan electrones. Una buena aproximacion para modelar
los electrones capturados es la ley Orbital-Motion-Limited (OML) en regimen de alta diferencia de potencial V(x) [Sanmartln, J., Martinez-Sanchez, M and Ahedo, E., Bare wire anodes for electrodynamic tethers, Journal of Propulsion and Power, Vol 9, 3, pp 353-359, 1993]:
dl_
dx
eptN0 2eV (x)
p V m
0 < x < L1A, L1 < x < L1 + L2A
(0.3)
La integration de las Ecuaciones (0.2) y (0.3) con el potencial dado por (0.1) y las condiciones de contorno I(0)=I(L)=0 proporciona el perfil de corriente I(x) y el valor de V0 (asi como las longitudes L1A, L1C, L2A y L2C).
Conocido el perfil de corriente, se calculan las figuras de merito:
Potencia electrica generada por unidad de masa wgen
DVIt,
mt ’
Probabilidad de corte Nc
PLDtmn I"' Def (d) ^
Jdmin dd
dd,
donde Ie es la corriente que fluye a traves del dispositivo de almacenamiento o utilizacion de potencia electrica en x=Li, mt es la masa total de los cables, Dtmission es el tiempo esperado de mision, Deff es el diametro efectivo del cable, G el flujo de
micrometeoroides con tamano d, y d¥ , dmn el tamano de micrometeoroide maximo y mmimo que pueden cortar el cable, respectivamente.
Estas figuras de merito han sido propuestas anteriormente para optimizar el diseno de cables electrodinamicos equipados con contactores de plasma en los trabajos [Sanmartin, J., Martinez-Sanchez, M and Ahedo, E., Bare wire anodes for electrodynamic tethers, Journal of Propulsion and Power, Vol 9, 3, pp 353-359, 1993][J. Sanmartin, A. Sanchez-Torres, S. B. Khan, G. Sanchez-Arriaga and M. Charro, Optimimum sizing of bare-tethers for de-orbiting satellites at end of mission, Advances in Space Research 56, 7, 1485-1492, 2015]. En funcion de la mision el diseno de los cables, incluyendo sus longitudes y secciones, se optimizara
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maximizando la potencia electrica generada por unidad de masa y minimizando la probabilidad de corte.
El ejemplo de la figura 2, en donde cada cable tiene un segmento anodico y otro catodico, debe entenderse como un ejemplo de realization con el unico objeto de ilustrar el funcionamiento y optimization del sistema y no como un diseno universal. Es mas, incluso para un mismo sistema de cables, es decir fijadas todas las propiedades flsicas de los mismos, el sistema puede funcionar en otros reglmenes de operation. Por ejemplo, durante parte de la mision podrla haber un segmento catodico y otro anodico en cada cable y en otro momento que un cable entero actuara como segmento catodico (negativamente polarizado respecto al plasma y emitiendo electrones). Esto es asl porque el sistema de ecuaciones (0.1)-(0.3) depende de parametros ambientales, tales como la densidad de plasma o el campo electromotor, y en funcion de estos su solution es diferente. Existen soluciones en las que algunas de las longitudes L1A, L1C, L2A y L2C es nula.
Un aspecto crucial en el diseno optimo del sistema en el caso en el que se pretenda que este trabaje dominado por emision termionica, es la temperatura de los cables. Este aspecto es crltico debido a la dependencia exponencial de la corriente emitida con el factor W/kBT en la ecuacion (0.2). Ignorando el calentamiento por efecto Joule y
la energla aportada por los electrones al impactar en el segmento anodico, la temperatura de equilibrio Teq del cable se encuentra determinada por un balance entre el calentamiento solar y el enfriamiento radiativo segun la ecuacion:
T =
eq
/ \ 1/4
V ^emis pSB J
(1.4)
donde S es la constante solar, sB la constante de Stefan-Boltzmann y aabs y £emis la absortividad y emisividad termica del cable.
Para tener valores razonables de eficiencia las densidades de corriente emitida y capturada deben ser de igual orden, lo cual proporciona la siguiente ligadura entre la funcion de trabajo del material y su temperatura [ver ecuaciones (0.2) y (1.3)]
W » ~kBTqq ln
- f eN„
- EL 1
- V A<i
- me J
(1.5)
La seleccion del cociente aabs/eemis en la ecuacion (1.4) es crltica ya que la
temperatura debe estar comprendida en cierto rango de operacion. El cable debe estar caliente para favorecer la emision de electrones por efecto termionico pero sin 5 sobrepasar el llmite de temperatura por encima del cual el material pierde propiedades mecanicas. El estado del arte de las funciones de trabajo de los materiales LaB6 y CeB6 se encuentran alrededor de los 2,5 eV y para el material C12A7:e" puede ser potencialmente 0,65 eV [Y. Toda, K. Kobayashi, K. Hayashi, S. Ueda, T. Kamiya, M. Hirano y H. Hosono, Field Emission of Electron anions clathrated in subnanometer- 10 sized cages in [Ca24Al28O 64]4+(4e"), Adv. Matter, 16, 685-689, 2004 ]. Estos valores, junto con los parametros ambientales de Et y N0 en baja orbita terrestre, indican que la temperatura del cable debera encontrarse entre los 300 y los 1000 K (mayores si el material conductor puede soportarlo). Estas dos temperaturas conducen a cocientes de a, /e alrededor de 1 y 130, respectivamente.
abs f emis J 1 1
15
5
10
15
20
25
30
35
REIVINDICACIONES (EN LIMPIO)
1. Sistema de generation de potencia electrica en orbita por medio de cables conductores flotantes caracterizado por que comprende dos conjuntos de cables conductores electrodinamicos desnudos (sin aislante electrico) (2,3) conectados respectivamente a cada uno de los dos polos (4,5) de un sistema de utilization o almacenamiento de potencia electrica (6), y donde cada conjunto esta formado por al menos un cable conductor,
donde cada conjunto de cables esta orientado en direcciones opuestas con respecto a un campo electrico electromotor,
y donde al menos uno de los cables electrodinamicos esta compuesto de un material que facilita la emision de electrones por efecto termionico o fotoelectrico, o de un substrato conductor recubierto a lo largo de su extension completa o parte de ella por un material que facilita la emision de electrones por efecto termionico o fotoelectrico.
2. Sistema segun la reivindicacion 1, donde cada conjunto de cables conductores formado por dos o mas cables conductores tiene sus conductores conectados electricamente entre si a lo largo de su extension en uno o mas puntos.
3. Sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos uno de sus cables electrodinamicos tiene una masa de extremidad conectada en el extremo opuesto al polo de conexion con el sistema de utilizacion o almacenamiento de potencia electrica.
4. Sistema segun la reivindicacion 3, donde la masa de extremidad comprende al menos uno de los elementos siguientes: masa de lastre pasiva, sistema de despliegue para cables, otro satelite, muelle, tapa de satelite.
5. Sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos uno de sus cables electrodinamicos tiene section substancialmente circular, anular o de cinta.
6. Sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material que facilita la emision de electrones por efecto termionico incluye al menos uno de
Claims (5)
10
15
20
los siguientes compuestos: LaB6, CeB6, BaO-W, Ba-W, BaO, y 12CaO- 7Al2O3(C12A7:e-).
7. Sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material que facilita la emision de electrones por efecto fotoelectrico incluye al menos un metal alcalino o alguno de los compuestos Ag-Cs2O-Cs, Ag-Cs3Sb y Na2KSb.
8. Sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde uno o mas de sus cables electrodinamicos esta recubierto a lo largo de su extension completa o parte de ella por un material aislante.
9. Sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos uno de sus cables electrodinamicos esta substancialmente fabricado de materiales que incluyen al menos uno de los siguientes: grafeno, aleaciones de Aluminio, aleaciones de Berilio-Cobre.
10. Sistema segun la reivindicacion 9, donde la superficie de uno o mas de sus cables ha sido preparada para alcanzar un alto cociente de absortividad/emisividad termica con el fin de obtener altas temperaturas que favorezca la emision termionica del recubrimiento.
FIG. 1
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