Gasturbinen als Energiekonverter im Weltraum

Bammert, Karl GND

Im Weltraum können elektrischer Strom und Wärme (für Heizung und als Prozeßwärme) nur in geschlossenen Umwandlungssystemen erzeugt werden, wenn man vom Standpunkt des Wirkungsgrades und des Bauaufwandes von der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität absieht. Der Untersuchung werden geschlossene Gasturbinen zugrunde gelegt, mit denen hohe Wirkungsgrade, große Betriebssicherheit und lange Laufzeiten erzielt werden. Einer der wichtigsten Parameter in diesen Kreisläufen stellt - wie bei allen thermischen Energiekonvertern - die Temperatur der Wärmesenke dar. Sie beeinflußt sowohl den Umwandlungswirkungsgrad des Konverters als auch seinen technologischen Aufbau, der im wesentlichen durch die sehr verschiedenen Wärmesenken von Erdatmosphäre und Weltall bedingt ist als auch von der Aufgabe, die das Raumobjekt - die Raumstation oder die Raumfähre - zu erfüllen hat. Solarkraftwerke, die ihre aus Sonnenenergie erzeugte Elektrizität entweder mit Mikrowellen zur Erde senden und dort in Empfangsstationen zur Weiterleitung durch die vorhandenen Stromnetze in die entsprechende Stromart übertragen oder direkt an Ort und Stelle in Raumstationen zur industriellen Produktion einsetzen, werden in Modulbauweise im Weltraum montiert. Die großflächigen Elemente stellen die Radiatoren dar, die als Wärmesenke des Umwandlungssystems die Tiefsttemperaturen des Weltraumes ausnutzen und ihre Abwärme nur durch Strahlung gegen den Kältehintergrund des Alls abgeben. Raumflugkörper - wie Wetter-, Beobachtungs- und Nachrichtensatelliten - oder Raumfahrzeuge - wie Forschungslaboratorien, Lastenträger, Raumgleiter etc., die wieder nach Erfüllung ihrer Mission auf die Erde zurückkehren - sind in ihren äußeren Abmessungen eingeschränkt. Die kompakte Bauweise schließt großflächige Radiatoren aus. Zwar erfordert die Eigenversorgung der Raumflugkörper ohnehin nur kleine Leistungen; die sich allein daraus ergebenden kleineren Abmessungen der Radiatoren sind aber noch nicht ausreichend. So entsteht das Phänomen, daß die Eintrittstemperatur des Arbeitsfluids in die Verdichter von Gasturbinen, die als Solarkraftwerke im Weltraum konzipiert werden, merklich unterhalb und für Raumfahrzeuge oftmals oberhalb oder in der Nähe der Temperaturen liegen, wie sie bei Verdichtern in terrestrischer Umgebung üblich sind. Den Sachverhalt veranschaulichen im folgenden zwei Beispiele, nämlich: Ein Solarkraftwerk für eine industrielle Raumstation mit einer Nutzleistung von 50 MWe und ein Raumfahrzeug, das auf seiner Umlaufbahn an Bord einen Energiebedarfvon 200 kWe hat.

In space electricity and heat (for central heating and as process heat) can only by generated in closed conversion systems - the direct conversion of solar energy into electric power is discounted for reasons of efficiency and construction effort. The study is based on closed-cycle gas turbines, with which high efficiencies, high operating reliability and long lifetimes can be achieved. As is the case with all thermal energy conversion systems, one of the most important parameters for such cycles is the temperature of the heat sink. This affects both the efficiency of the converter and its engineering design which is in essence governed by the completely different natures of the heat sinks in the Earth's atmosphere and in space and by the task which the spacecraft - space station or space ship - is to fulfil. Solar power plants, which either transmit the electricity which they generate to receiver stations on Earth by microwave for conversion into the appropriate type of electricity on existing transmission grids or use this electricity in situ in space stations for industrial production, are constructed in modular fashion in space. The large-area components are the radiators which, as the heat sink of the energy conversion system, make use of the very low temperatures of space, discharging the rejected heat into their cold environment by radiation only. Spacecraft - such as weather, observation and telecommunications satellites - or space vehicles - such as research laboratories, payload carrriers, space gliders, etc. which return to Earth on completion of their missions - are restricted in their outside dimensions. Their compact construction rules out the use of large-area radiators. Although the on-board power requirements of spacecraft are not large, the reduction in the dimensions of the radiators which this alone permits is not enough. Thus the problem arises that the compressor inlet temperatures of the working fluids of gas turbines which are designed as solar power plants in space are considerable below and in space vehicles often above or near the temperatures which occur in compressors in the terrestrial environment. This problem is illustrated in the following by two examples: firstly, that of a solar power plant with a net output of 50 MWe for an industrial space station and secondly that of a space vehicle which in orbit has a power requirement on board of 200 kWe.

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Bammert, Karl: Gasturbinen als Energiekonverter im Weltraum. Göttingen 1987. Goltze.

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