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La révolution de l'énergie dans l'espace ?



  1. #1
    EspritTordu

    La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    Bonjour,

    En apprenant un peu sur les moteurs Stirling, j'ai lu que certains satellites en avait été équipé. Les moteurs Stirling sont des convertisseurs thermique-mécanique qui dans l'espace et ses écarts de température dus à notre soleil est un bon remplaçant des panneaux solaires (qui ont un rendement moindre).

    En effet, associé à un moteur électrique, on peut produire de l'énergie pour alimenter les satellites.

    Sachant qu'aujourd'hui, le moteur électrique (le moteur ionique) est sujet à des discussions vives, le moteur Stirling ne constituerait-il pas une alternative à l'emploi de moteurs nucléaires pour l'alimentation importante des futurs propulseurs ioniques ? D'autant plus qu'on pourrait gagner en poids puisque on se priverait de moteur nucléaire lourd et de carburant à transporter.

    Qu'en pensez vous?

    Si vous avez plus d'information sur le moteur Stirling et ses applications dans l'espace... Merci

    -----


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  3. #2
    DanielH

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    Je ne connais pas le moteur stirling, mais d'après ce que tu dis, il permet de produire de l'éléctricité à partir de chaleur. Pour obtenir une propulsion il faut tout de même éjecter de la matière. Tu ne peux donc pas te passer d'un moteur ionique (enfin il me semble)

    Par ailleurs, si tu utilises l'énergie solaire tu resteras limité à de faibles puissances qui pourait s'avérer suffisantes proche du soleil, mais plus loin (vers jupiter ou saturn par exemple) ça pourait être un peu limite. C'est un peu pour ça que la NASA envisage des moteurs nucléaires.

    D'un autre coté, le moteur stirling pourait servir à transformer la chaleur d'un réacteur nucléaire en électricité pour alimenter un moteur ionique (bon, je sais, c'est pas vraiment ce que tu voulais )

  4. #3
    Blink

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    Citation Envoyé par DanielH
    D'un autre coté, le moteur stirling pourait servir à transformer la chaleur d'un réacteur nucléaire en électricité pour alimenter un moteur ionique (bon, je sais, c'est pas vraiment ce que tu voulais )
    Il faudrait savoir quel système a le meilleur rendement:
    réacteur nucléaire --> moteur Stirling --> génératrice --> moteur ionique
    ou
    réacteur nucléaire --> thermocouple --> moteur ionique.

    Mais ça peut aussi dépendre de l'utilisation qu'on en fait. A mon avis, le moteur Stirling réagit beacoup plus rapidement qu'un thermocouple. Par contre, le second système étant quasiment dépourvu de pièces mobiles, il est probablement plus fiable.

  5. #4
    DanielH

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    Blink:
    Il faudrait savoir quel système a le meilleur rendement:
    réacteur nucléaire --> moteur Stirling --> génératrice --> moteur ionique
    ou
    réacteur nucléaire --> thermocouple --> moteur ionique.
    Je n'en ai pas la moindre idée. J'ai un peu regardé ce qu'était un moteur Stirling et ça parait interessant. Je pense toutefois que dans l'espace, le fait d'avoir un gaz qui circule et recircule peut poser un problème de fuite. Mais peut-être que ce problème d'étanchéité n'en est pas un.

  6. #5
    Madarion

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    Je vais pas développé sur le moteur Sterling, car ce n'est pas la question ici, mais je peu donner deux indices :

    - Une tasse avec du café chaud, peut faire tourner un mini moteur Sterling pendent plus d'une heure. Joli rendement

    - Pour fonctionner, ce moteur doit avoir deux différentes sources opposées. L'une chaude et l'autre froide. Mais une question me vient à l'esprit : Dans l'espace, si la chaleur du soleil peut être facilement et rapidement captés, l'évacuation de chaleur est-il aussi facile ? Cela ne peut ce faire que par radiation et non plus par convection non ?

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    DanielH

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    Madarion:
    Une tasse avec du café chaud, peut faire tourner un mini moteur Sterling pendent plus d'une heure. Joli rendement
    Oui, j'ai vu ça. Ca ne dit rien sur le rendement, on ne sait pas quelle est la force de frottement, elle est peut-être extrèmement faible. De toute façon on ne peut pas faire mieux que Carnot et il n'y a pas de raison d'en être très loin non ?

    Madarion::
    l'évacuation de chaleur est-il aussi facile ? Cela ne peut ce faire que par radiation et non plus par convection non ?
    Ben oui, c'est bien le problème. Pour faire une source froide il faut rayonner de la chaleur, d'un autre côté on ne veux pas perdre trop de chaleur pour faire de l'électricité. Je me posais la même question et je ne vois pas comment il faudrait faire. C'est d'ailleurs la même chose avec des thermocouples et pourtant c'est bien utilisé dans l'espace (Cassini par exemple).

    Comment ça marche ? Y-a quelqu'un qu'a une explication

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  10. #7
    Lambda0

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    L'évacuation de la chaleur se simplement au moyen de radiateurs, c'est à dire de surfaces de forte émissivité qui rayonnent vers l'espace, comme un corps noir.
    En ce qui concerne les convertisseurs dynamiques, type cycle Stirling, le rendement est en général de l'ordre de 20% à 30%.
    Si la source chaude est par exemple un réacteur nucléaire d'une puissance thermique de 100kWt, on récupera 30kW de puissance électrique, et il faudra évacuer 70kW de puissance thermique en rayonnant vers l'espace.
    La surface de radiateur nécessaire se calcule à partir de la loi de Stefan : P=K.T^4, puissance rayonnée par unité de surface.
    Il faut évidemment éviter que les radiateurs soient tournés vers le soleil pour que l'évacuation soit optimale.

    Le rendement de conversion des thermocouples, (tels que ceux utilisés sur les RTG des sondes spatiales) est de l'ordre de 5 à 10%, donc beaucoup moins bon qu'un convertisseur dynamique.
    Par contre, ce type de système est très fiable (pas de pièces mobiles), et peut fonctionner en continu pendant des dizaines d'années.

    D'une façon générale :
    - la conversion par effet thermoélectrique est adaptée aux faibles puissances (quelques kW), et c'est le seul système opérationnel pour alimenter en électricité des sondes spatiales destinées à des missions lointaines et de longue durée, la source de chaleur étant un générateur radioisotopique (au plutonium en général)
    - la conversion dynamique est nécessaire pour de plus fortes puissances, et est en cours de développement. Pas de système vraiment opérationnel dans l'espace pour l'instant

    Dans l'espace, un système comprenant des pièces mobiles est essentiellement une source de problèmes : il y a évidemment l'usure, tous les problèmes liés à la circulation d'un fluide en apesanteur, mais aussi des vibrations, ce qui est plutôt indésirable sur une sonde spatiale bardée d'instruments de précision.

    Dans le cas d'une propulsion électrique, il faut encore multiplier ce rendement par celui du système de propulsion lui-même : entre 50% et 70% en général. Ce qui correspond à la fraction de puissance effectivement convertie en énergie cinétique des particules éjectées, le reste étant encore dissipé en chaleur.

    Suivant les niveaux de puissance requis, on peut établir une hiérarchie :
    P < 2kW : conversion statique (effet thermoélectrique, thermoionique)
    2kW < P < 50kW : conversion dynamique, cycle Stirling
    P > 50kW : cycle Brayton, cycle Rankine

    Ces seuils sont déterminés par la puissance massique : on peut évidemment en théorie construire un système à conversion statique d'une puissance de 100kW, mais il pèsera beaucoup plus lourd que son équivalent à conversion dynamique (le rendement étant moins bon, le réacteur nucléaire sera plus lourd pour obtenir la même puissance) ce qui est un critère de premier ordre pour une application spatiale.

    Sauf pour des puissances inférieures à quelques kW, de telles puissances ne peuvent de toute façon être produites que par un réacteur nucléaire dès qu'on s'éloigne du soleil.
    A titre indicatif, les moteurs électriques déjà utilisés ont une puissance de l'ordre de 1 à 2kW, ce qui peut encore être couvert par des panneaux solaires, pour des petites sondes de quelques centaines de kg.

    Autre voie de recherche, plus récente : la conversion MHD. Il n'y a plus de pièce mobile, et ce type de système permet de convertir des puissances importantes (des MW !) avec un excellent rendement, supérieur à 60%.

    A+

  11. #8
    DanielH

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    merci beaucoup Lambda0 pour toutes ces précisions. Evidemment la questions est évidente:

    C'est quoi la conversion MHD (Magnéto Hydro Dynamique je suppose)

    Je suis aussi interessé par les cycles Brayton et Rankine mais j'imagine que pour ça Google peut m'aider.

  12. #9
    Lambda0

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    Citation Envoyé par DanielH
    merci beaucoup Lambda0 pour toutes ces précisions. Evidemment la questions est évidente:

    C'est quoi la conversion MHD (Magnéto Hydro Dynamique je suppose)

    Je suis aussi interessé par les cycles Brayton et Rankine mais j'imagine que pour ça Google peut m'aider.
    Bonjour

    Voici quelques références :

    Clé de recherche : MHD power conversion

    http://navier.stanford.edu/PIG/C4_S9.pdf
    http://www.energy.qld.gov.au/infosit...n_kinetic.html
    http://www.inspi.ufl.edu/gcr.pdf

    C'est apparemment une voie de recherche très active, aux Etats-Unis.

    A+

  13. #10
    DanielH

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    Lambda0:
    Voici quelques références :

    Clé de recherche : MHD power conversion

    http://navier.stanford.edu/PIG/C4_S9.pdf
    http://www.energy.qld.gov.au/infosi...on_kinetic.html
    http://www.inspi.ufl.edu/gcr.pdf

    C'est apparemment une voie de recherche très active, aux Etats-Unis.
    Merci pour ces liens. Apparemment il s'agit de convertisseurs très hautes températures (2600 °C) et haut pression (1000 kPa). Ca ne me paraît pas très indiqué pour le spacial (du moins dans les décines à venir). Par contre ca paraît être une bonne voie pour améliorer le rendement des centrales à flamme. La température élevée explique d'ailleurs les bons rendements.

  14. #11
    EspritTordu

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    Pour en savoir plus sur les moteurs Stirling, je vous renvoie au lien proposer par Rodeon dans une autre discussion :

    http://www.moteurstirling.com

    Et pour une approche spatiale qui semble très intéresser les Américains de la Nasa (Site en anglais) ; où l'on apprend aussi sur les paraboles ou concentrateurs légers des rayons solaires :

    http://www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling.html

    Merci particulièrement à Lamba0 pour son analyse précise.
    La surface de radiateur nécessaire se calcule à partir de la loi de Stefan : P=K.T^4, puissance rayonnée par unité de surface.
    Comment utilise-t-on cette formule ?, je suis un peu perdu, je n'arrive pas à avoir une idée de la dimension nécessaire pour votre exemple.

    Les moteurs Stirling ne seraient-ils pas, dans l'immédiat, un "redresseur" potentiel de rendement des moteurs ioniques actuels?

  15. #12
    DanielH

    Re : La révolution de l'énergie dans l'espace ?

    La puissance rayonnée est proportionnelle à la surface et à la puissance 4 de la température exprimée en kelvin (°C + 273)

    Le coef de proportionnalité est la constante de stephan qui vaux 5.67e-8 W/(cm2 T4)

    Par exemple un panneau de 100 m2 à 100 °C rayonne:

    5.67e-8*100*(100+273)^4 = 110 000 W (110 kW)

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