Investigadores diseñan microrred para futura base lunar

Investigadores diseñan microrred para futura base lunar


11 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Sandia National Laboratories es conocido por desarrollar microrredes confiables y resistentes para bases militares y servicios vitales de la ciudad. Ahora los investigadores de Sandia están trabajando con la NASA para desarrollar uno para la luna.

Esta no es la primera vez que Sandia se asocia con la NASA para alimentar dispositivos en la luna. De hecho, Sandia proporcionó orientación de ingeniería para los generadores termoeléctricos de radioisótopos que impulsaron los experimentos lunares en muchas misiones Apolo.

El plan de la NASA para su concepto de base lunar Artemisa es que sirva como campo de pruebas tecnológicas para la eventual exploración humana de Marte, dijo Jack Flicker, ingeniero eléctrico de Sandia. El concepto de campamento base consiste en una unidad de vivienda, completa con alojamiento para hasta cuatro astronautas, más el potencial para instalaciones separadas de procesamiento de combustible y minería, conocidas como utilización de recursos in situ. Las primeras misiones de Artemis implican estadías cortas en el campamento base con el objetivo de acumular estadías de dos meses cada una.

Las instalaciones de minería y procesamiento podrían producir combustible para cohetes, agua, oxígeno y otros materiales necesarios para la exploración ampliada de la superficie lunar al tiempo que reducen las necesidades de suministro de la Tierra. Esta instalación estará ubicada lejos del campamento base, por lo que no interrumpirá otras actividades científicas y tecnológicas que se llevan a cabo allí, pero la red eléctrica para las dos unidades estará conectada para brindar resistencia y solidez en emergencias, agregó Flicker. representación de un artista de cómo sería una microrred resistente para un campamento base lunar Representación de un artista de cómo sería una microrred resistente para un campamento base lunar. Ingenieros de Sandia National Laboratories están trabajando con la NASA para desarrollar el panel de control para la microrred. (Ilustración de Eric Lundin)

Parte del equipo de Sandia, que incluye a Lee Rashkin y Dave Wilson, está desarrollando un controlador de sistema eléctrico para la microrred del centro de minería y procesamiento. La NASA está diseñando los controles del sistema eléctrico para la unidad de vivienda porque el sistema será muy similar al sistema eléctrico de CC de la Estación Espacial Internacional, dijo Flicker. Flicker y su parte del equipo están diseñando el sistema que conectará las dos microrredes y estudiando el flujo de energía y el funcionamiento entre las dos microrredes.

«Hay algunas diferencias muy importantes entre algo como una microrred tipo ISS y algo del tamaño de una base lunar», dijo Flicker. “Una de esas diferencias es el tamaño geográfico, que puede ser problemático, especialmente cuando funcionan con voltajes de CC bajos. Otra razón es que a medida que comience a expandir estos sistemas, habrá mucha más electrónica de potencia, así como muchos más recursos de energía distribuidos en toda la base. Sandia ha estado analizando las microrredes con muchos recursos energéticos distribuidos durante mucho tiempo”.

Los recursos de energía distribuida son fuentes de energía más pequeñas, como paneles solares y turbinas eólicas, mientras que la electrónica de potencia son dispositivos como convertidores que mantienen los sistemas eléctricos funcionando dentro de las especificaciones.

‘Control de crucero’ para el sistema eléctrico del Moon Mining Center

Rashkin, ingeniero eléctrico, y Wilson, ingeniero de control, han estado diseñando el software para regular la electricidad del centro de procesamiento y minería desde principios del verano de 2021 para garantizar niveles de voltaje constantes en la red a pesar de las circunstancias externas cambiantes.

El controlador debe ser capaz de mantener un nivel de voltaje constante en varias escalas de tiempo diferentes, desde submilésimas de segundo hasta estacionales. En el nivel más alto de software de control, en la escala de minutos a temporadas, las personas pueden controlar qué paneles solares generan energía y qué dispositivos que consumen energía se encienden, dijo Wilson. Sin embargo, en el nivel más bajo, en menos de una milésima de segundo, el controlador debe operar rápida y automáticamente para mantener las salidas en los niveles requeridos. Se centran principalmente en el nivel medio de control, dijo Rashkin.

«Nuestro objetivo es desarrollar un sistema de administración de energía de energía lunar que pueda mantener de manera eficiente un sistema de nivel en todas estas escalas de tiempo», dijo Wilson. “Tenemos una metodología de diseño de sistema de control y una instalación de microrred escalable segura especializada que analiza esto. La instalación también cuenta con emuladores de almacenamiento de energía especializados que pueden ayudarnos a determinar las especificaciones para las necesidades y requisitos de almacenamiento de energía de la base”.

Secure Scalable Microgrid Testbed es una instalación de investigación única de Sandia que el equipo utilizará para ajustar su sistema de control. También utilizarán el banco de pruebas para estudiar preguntas sobre los controles del sistema de energía y las interacciones entre los recursos de energía distribuidos, el almacenamiento de energía y la electrónica de potencia en una microrred de CC, que es una representación simplificada y escalada de lo que más tarde se convertiría en la microrred lunar, dijo Rashkin. La mayoría de las microrredes terrestres, y las redes eléctricas terrestres en general, funcionan con alimentación de CA.

Al igual que un modelo de tren de gama alta, el banco de pruebas consta de tres microrredes de CC interconectadas con componentes electrónicos personalizados para imitar varios sistemas de generación de energía y dispositivos que utilizan electricidad. Los sistemas de generación de energía que pueden imitar incluyen generadores diésel, paneles fotovoltaicos, emuladores de almacenamiento de energía y convertidores de potencia. Cada uno de los emuladores puede ser controlado por una computadora y las microrredes pueden configurarse para probar una variedad infinita de escenarios, dijo Rashkin. Esto proporciona una excelente plataforma para ejecutar experimentos repetidos con un software de control ligeramente personalizado para comparar cómo responde el sistema, agregó.

«El objetivo aquí es la ingeniería de arriba hacia abajo: primero tratamos de determinar el diseño de control, creamos las especificaciones para el almacenamiento de energía y luego la NASA podría usar esas especificaciones para obtener los componentes listos para volar que cumplan con esas especificaciones», dijo Wilson. . «A menudo, las personas hacen lo contrario, te traen una batería y te dicen ‘haz que funcione’, lo que puede afectar el rendimiento de la microrred».

Otros investigadores muy involucrados en el desarrollo de controladores incluyen a Marvin Cook, un científico informático de Sandia; Wayne Weaver y Rush Robinett III, profesores de ingeniería de la Universidad Tecnológica de Michigan; y Joseph Young, científico jefe de OptimoJoe.

Microrredes “Se necesitan dos”

El segundo enfoque principal de los investigadores de Sandia es desarrollar el sistema que conecta las microrredes de la instalación minera y la unidad de vivienda para garantizar la resiliencia y la solidez. Según Flicker, hay dos formas principales de lograr la resiliencia en una microrred. Uno de ellos es la capacidad de dirigir la electricidad de manera flexible hacia donde se necesita. El resto está sobredimensionado para garantizar que haya suficiente energía incluso si fallan varias cosas, dijo Flicker.

«Por lo general, tenemos una combinación de esos dos en los que se aprovisiona en exceso hasta cierto punto, pero también puede enrutar la energía de manera flexible de la manera que la necesita, dentro de una microrred, o entre microrredes independientes pero cooperativas, como buscamos. «busca la luna. —dijo Flicker—. «En una emergencia, como una falla en el sistema de almacenamiento de energía durante un eclipse solar, queremos poder transportar energía desde la instalación minera hasta el campamento base para garantizar la seguridad de los astronautas».

La parte del equipo de Flicker también está investigando cómo podría funcionar la conexión entre las dos microrredes. Están estudiando los efectos que tiene la distancia entre la plataforma minera y la unidad de vivienda en la eficiencia y estabilidad de la transmisión, ya sea que estén a cinco o 20 millas de distancia. El equipo también está determinando el voltaje óptimo al que debe operar el enlace, y si tiene sentido que el enlace permanezca en CC o si la NASA debe cambiar a CA para hacer el viaje y luego volver a CC una vez que llegue a la unidad de vivienda.

Para responder a estas preguntas y estudiar varios escenarios de emergencia, Flicker y los ingenieros eléctricos Rachid Darbali-Zamora y Andrew Dow utilizan dos instalaciones de investigación.

El Laboratorio de Tecnologías de Energía Distribuida de Sandia se utiliza para estudiar la integración de fuentes de energía renovable, como turbinas eólicas y paneles solares, en sistemas de energía más grandes. Uno de los puntos fuertes de este laboratorio son los experimentos de hardware en el circuito. Estos tipos de experimentos implican conectar hardware real a software que puede someter el hardware a una variedad de escenarios simulados, incluidos cortes de energía catastróficos y condiciones climáticas, dijo Darbali-Zamora. Estos experimentos son un paso intermedio entre la simulación pura y las pruebas de campo, agregó.

«Con esta configuración de hardware en el circuito de alimentación de CC que estamos construyendo en el laboratorio, podemos probar convertidores de energía, la impedancia de las líneas eléctricas entre las instalaciones lunares, también podríamos probar dispositivos reales de generación y almacenamiento de energía», dijo Darbali. dijo Zamora. «Básicamente, podemos usarlo para estudiar una variedad de situaciones para que podamos diseñar un sistema que sea autosuficiente y pueda continuar funcionando incluso si falla un conjunto de paneles solares».

El equipo también utilizará la microrred Emera DC en la Base de la Fuerza Aérea de Kirtland para ver cómo un sistema electrónico de potencia puede operar en escenarios de emergencia con bajo consumo de energía y transmitir energía a pedido, dijo Flicker.

Por supuesto, todo el equipo de Sandia trabaja en estrecha colaboración, agregó Flicker. Por ejemplo, utilizan cajas de herramientas de Secure Scalable Microgrid Testbed y algunas de las cajas de herramientas de la NASA en sus simulaciones por computadora. Eventualmente, incluso planean probar los controladores de Wilson en sus simulaciones de conexión, dijo Darbali-Zamora.

«Aunque este trabajo es para una microrred en la Luna, la investigación también es relevante para crear resiliencia comunitaria en la Tierra», dijo Darbali-Zamora. “Soy originario de un pequeño pueblo en Puerto Rico. Espero que algunas de las lecciones aprendidas de este proyecto en términos de resiliencia sean lecciones que pueda implementar en casa”.



Related post

Nanotechnology Now – Comunicado de prensa: La Sociedad Nacional del Espacio ayuda a financiar la expansión de la Academia de Empresarios de Verano de Brownsville de Frontier: La Sociedad Nacional del Espacio y el Club para el Futuro apoyan el Programa de Desarrollo Juvenil del Sur de Texas

Nanotechnology Now – Comunicado de prensa: La Sociedad Nacional…

Inicio > Prensa > La Sociedad Nacional del Espacio ayuda a financiar la expansión de la Academia de Empresarios de Verano…
Tesla establece un sorteo aleatorio para la Junta General de Accionistas de 2022

Tesla establece un sorteo aleatorio para la Junta General…

Tesla realizará un sorteo al azar para seleccionar accionistas para asistir a la AGM de 2022, informa oráculo de tesla, que…
Estudiantes universitarios diseñan concreto que brilla en la oscuridad

Estudiantes universitarios diseñan concreto que brilla en la oscuridad

Con el fin de encontrar soluciones a los problemas de poder mundial, los estudiantes de la Universidad de América en El…

Leave a Reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.