Двигатель для межзвёздных перелётов

[Vavanzer]

Кто может, помогите снятся с ручника!
Почему термофотопреобразователь, работая с "холодным", то есть ~ 3000 К излучением может показать более высокий КПД преобразования энергии света в ток, чем подобный фотопреобразователь, заточенный на приём горячего излучения, скажем в ~ 6000 К?

Помнится, когда изучал про солнечные панели, инженеры давно пытаются обуздать ИК диапазон, чтобы большую часть солнечного спектра захватить.
 Уход в глубокий ИК сулит фотоэнергию от еле светящихся источников, которые скорее греют, чем светят, и так вплоть до утилизации  теплового излучения комнатной температуры. Это одна сторона вопроса.

Другая - всем известно, что солнечный спектр это 50% оптического диапазона, достаточно энергичного для фотоэлементов. А лампа накаливания в 2800К едва ли 10% в оптике излучает. Остальное ИК, бестолковое тепло. Сильнее разогреть мы её не можем, спираль быстро дохнет. Да и любую печку тоже, выше 3500 не раскочегаришь, развалится. Потому и нужен фотоприемник, максимально преобразующий ИК от 2000-2500К.

[Vavanzer]

Собственно и чисто термодинамически более холодный нагреватель должен давать худший результат по сравнению с более горячим ( 3000 К против 6000 К)

  Есть вариант. Берём шар-баллон, внутри обклеиваем фотоэлементами. Внутрь накачиваем какой нибудь подходящий газ до максимального давления. В середине ставим ядро из самых тугоплавких сплавов с изотопами, и пусть оно греется там по максимуму 3500+. Большое давление должно исключить фактор испарения, и повысить температуру плавления. Лишь бы только газ, точнее уже флюид, не растворил ядро и стенки баллона.
Площадь сферы можно подогнать так, чтоб не перегревалась до озверина!)))

[alex_semenov]

Потому и нужен фотоприемник, максимально преобразующий ИК от 2000-2500К.

Нет, зачем ИК-преобразователь нужен - ясно. "Нема пытань". Вопрос, почему на них получается  добиться такой высокой эффективности преобразования света, за 50%? Тогда как преобразователи более короткой волны (как я понимаю такой же сложности, с таким же числом слоёв) от силы берут в видимом спектре 5-10%. ( типичные солнечен батареи). Хотя, скажем, даже если просто считать поштучно фотоны, то в видимом спектре, каждый фотон несёт большую порцию энергии, чем в инфракрасном. То есть по-идее более коротковолновыми фотонами и нужный процент эффективности фотопреобразователя "набирать" то проще, чем жиденькие инфракрасными фотонами!  Но мы видим обратную картину. В чём фишка?

[Vavanzer]

Вопрос, почему на них получается  добиться такой высокой эффективности преобразования света, за 50%? Тогда как преобразователи более короткой волны (как я понимаю такой же сложности, с таким же числом слоёв) от силы берут в видимом спектре 5-10%.

Откуда такие данные? Помнится, солнечные панели до 44℅ света усваивали. Про ИК не помню чтоб что то упоминалось.

Может в случае с ИК панелями, имеет место эффект схожий с фотосинтезом, но чуть по другому. Для того чтоб выбить электрон, достаточно красной длины волны. Остальные не в удел, ни два ни полтора, их енергия больше, чем достаточно для вышибания электрона, и часть её вбестолку уходит.

[alex_semenov]

Откуда такие данные?

Ни откуда. Это я так брежу и хочу что бы меня поправили-просветили.

Помнится, солнечные панели до 44℅ света усваивали. Про ИК не помню чтоб что то упоминалось.

Это (как я понимаю-туплю) очень продвинутые, дорогие фотопреобразователи с множеством слоёв, то есть такие которые просто напросто заточены (каждый слой) на определённую вырезаемую из спектра полосу. Но так как подобных полос вырезается теперь много, то и доля света, преобразованная в электричество тоже возрастает. Поэтому и получается получить таки вот супер-пупер, тоже под 50%, и в видимом спектре (Солнце - АЧТ с температурой ~ 6000 K). А самые простые, "однослойные", дешёвые и массовые фотопреобразователи это, "однополосные", всего 5-10%.

Может в случае с ИК панелями, имеет место эффект схожий с фотосинтезом, но чуть по другому. Для того чтоб выбить электрон, достаточно красной длины волны. Остальные не в удел, ни два ни полтора, их енергия больше, чем достаточно для вышибания электрона, и часть её вбестолку уходит.

Гм... может быть. Интересная мысль. Но есть ее подтверждение? Кто Ландау с Лифшицем не листал, а реально читал, объясните!
Вот я и спрашиваю (всего лишь инженер по образованию), есть ли у более холодного спектра некие явные преимущества перед более горячим? В смысле преобразования его в ток на полупроводниках? Для этого надо хорошо разбираться в физике твёрдого тела и по-сути в механике полупроводниковых фотопреобразователей.
Если эта тонкость есть, то народ обычно этим не просвещают (не разжёвывают на пальцах) а свои это и так знают по умолчанию, как само собой разумеющееся.
Хотя, возможно я просто туплю и никакого явного физического преимущества у "холодных" термофотопреобразователей перед "горячими" фотопреобразователями нет. Возможно что 55 и ожидаемые 70% преобразования падающей энергии у термофотопреобразователей просто потому что это такие же "дорогие" многослойные преобразователи как и в случае дорогих преобразователей в видимом спектре?
Вот я и спрашиваю. Мне мерещится или что-то есть?
Суть моего подозрения (что что-то есть) в чём? Сам факт что радетили солнечной энергетики (должен же с этого козла хот какйой-то быть кумыс!) взялись делать обходные варианты через термофото... как бы говорит сам за себя.
Вы же  в курсе? Что они, мерзавцы, надумали (это есть в множестве статей по термо-фото)? Они берут весь солнечный свет (6000 К), пытаются превратить ВСЁ это в тепло (скажем 3000 К) и уже с этого тепла, снимать термофото электричество. Такой вот хитрый обходной путь вместо традиционного прямого.  Если холодные фотоны не имеют никакого особого преимущества перед горячими в смысле превращения их на полупроводниках в ток, то зачем так извращаться? Верно я рассуждаю?
Да, у них на этом пути возники по-сути непреодолимые траблы (тепло в наших земных условиях не так то и просто накопить, сохранить и превратить в более холодный свет с высокой эффективностью, тут вам не вакуум! Земная среда не годится). И не только у них. Была же идея получать ток из топлива таким же способом. Сжигаем топливо. Нагреваем этим же "лампу" до 1500-3000 К (очень похоже на газовые фонари позапрошлого века, там еще и со спектром излучения можно поиграться) и снимаем с этого с кпд 50% (условно) фототок через чудо-термо-фото. Тихо, без тряски, красиво, эффективно. Как топливный элемент. Красоту этой идеи легко понять, когда ходишь по улицам, где у каждого магазина тарахтит "дырчик", вырабатывающий персональный ток, потому что общий - отключили.
Жуткая трескотня стоит. А затраты (даже магазинам!) на самом деле не окупаются, потому что эти двухтактные дырчики больше испаряют топлива, чем сжигают. Жутко прожорливы же твари!
А вот был бы такой вариант... красота!
Одно "но". Опять же в земных условиях (когда есть куча путей отвода тепла в обход Стефану-Больцману) тепло от сжигаемого топлива пытается улизнуть обходными путями но не в в свет AXT 1500-3000 К! Тут нужна идеальная термоизоляция. И тут дёшево и сердито не выходит. То есть идея не для Земли. Именно что для космоса. Хотя как бы было красиво! Это была бы хорошая альтернатива  и топливному элементу (который почему-то так и не стал массовым продуктом) и даже МГД-генератору (прямому преобразованию тепловой энергии в ток) который так и не заработал, а сколько было ожиданий, надежд, чаяний, вожделение, обещаний!
Поэтому, тут, на Земле старая, забытая идея отца Стирлинга таки не умирает и даже обретает второе дыхание... На подлодках это уже стало высшим писком (особенно у стран, которые не могут позволить себе ныряющий атом).

[-Asket-]

Из отчета НАСА Photovoltaic Receivers for Laser Beamed Power in Space за декабрь 1991 года:
...Существующие солнечные элементы имеют пик отклика на монохроматическое освещение около 850 нм (для элементов GaAs) и около 950 нм (для элементов Si). Для длин волн короче пика эффективность будет уменьшаться примерно линейно с длиной волны. Для более длинных волн эффективность быстро падает до нуля. Эффект равен нулю для энергий фотонов ниже ширины запрещенной зоны или для длин волн, превышающих длину волны отсечения λ_c=1.24/E_g где E_g ширина запрещенной зоны в электрон-вольтах и λ_c длина волны в микронах.
Таким образом, важно выбрать длину волны вблизи оптимального значения. Вблизи оптимальной длины волны отклик солнечного элемента на монохроматическое освещение намного выше, чем эффективность, создаваемая широким солнечным спектром. Как обсуждается ниже, высокоэффективные элементы GaAs могут обеспечивать КПД более 50% при лазерном освещении [11-13], а обычные элементы Si более 40% [12]...

[Vavanzer]

Из отчета НАСА Photovoltaic Receivers for Laser Beamed Power in Space за декабрь 1991 года:

  Сегодня какой год?))). Может приведете статьи. 1891года?))))
  Нынешние фотоэлементы на 3 головы выше, чем то чудо, его которое вы говорите!))

[alex_semenov]

Аскет! Ну кто бы сомневался что вы как всегда?!
Спасибо. Да, это видимо оно!

Таким образом, важно выбрать длину волны вблизи оптимального значения.

Я вашу ссылку просто пролистал пока. Но в конце попалась эта вот картинка (видимо ближе всего к тому о чем у нас тут речь):

Рис. 8. Теоретическая эффективность преобразования фотовольтного элемента для монохроматического света в зависимости от ширины запрещенной зоны материала (по Олсену и др.). Также показаны измеренные эффективности преобразования для трех типов ячеек: GaAs (850 нм), Si (950 нм) и GaSb (1500 нм).

Не вижу где тут показано для трех материалов? Кривая то одна! Но это мелочи.  Что меня тут сразу смущает. Тут нет обещанного в вашей, Аскет, цитате (вы же явно даёте перевод цитаты из этой статьи) пика эффективнсти (где-то на ~ 1 мкм), напротив, показанная тут кривуля говорит нам, что чем короче длина волны, тем выше ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ эффективность преобразования монохроматического света в ток. Так для 0.25 мкм (250 нм) эффективность может быть ну почти 90%!
Ничего не понимаю в этом графике!
Но, да, видимо то что вы процитировали, это - ключ к пониманию вопроса. Если это так, то это всё объясняло бы идеально!

Сегодня какой год?))). Может приведете статьи. 1891года?))))
Нынешние фотоэлементы на 3 головы выше, чем то чудо, его которое вы говорите!))

А число пи, нынче сколько? Или по-чем?

Я тоже обратил внимание на год работы. Но я это воспринял как положительный момент. Есть же "неумирающие истины" типа 2+2=4! Фундаментальные. А я о "фундаменте" как раз и спрашивал.

[Vavanzer]

Так в чем ключевая выгода технологии бегства фотопреобарзователей в инфракрасную область?

По ходу дела вот оно. Кремниевые ловят такой диапазон. Разве только полимерные какие то навороченые могут улавливать короткое.
 В монохроме 90% в некоторых диапазонах!

[Vavanzer]

А число пи, нынче сколько? Или по-чем?

Оно тоже стало  за 32 года на многие и многие сотни цифр после запятой длиннее!)))
  Понятное дело основные принципы физики и базовые такой свойства материи, они никуда не денутся, даже 1800х годов. Но что касается  технологий, тут все по другому.
Новые технологии открывают возможности  создавать запредельные материалы, и раскрывать новые неожиданные свойства многих материалов!
Добавить бы ещё адекватное применение и распределение!?))

[alex_semenov]

По ходу дела вот оно. Кремниевые ловят такой диапазон. Разве только полимерные какие то навороченые могут улавливать короткое.

Да, это больше похоже на то, что процитировал Аскет по форме. Особенно второй график (плохо что нет подписи % - это там что?).
Но... во-первых. Откуда это? Дадите первоисточник? Хиршатость тут важна. Мы тут (в силу образования) двумя руками держимся за авторитетов.
Второе. "Поглощение"... термин расплывчатый. Имеется в виду ПРЕОБРАЗОВАНИЕ в ток? Ведь поглощать можно и часть (какую?) превращая что-то в ток, а что-то просто в тепло.
Тут мухи от котлет отделены? То что там на обоих графиках пик упёрлись почти в 100%... как-то вызывает сильное сомнение что это то самое "поглощение" которое нам тут интересно...
Даже самые крутые оптимисты говорят от 70% (преобразования света в ток), но никак не о 100%!
Или я слишком осторожничаю?
Обратите внимание. Мы пока говорим о МОНОХРОМАТИЧНОМ свете. Обычно лазера. Но не суть источник. Важно что на наш термофотопреобразователь падает узкополосный очень качественный свет (по-сути уже изрядно упорядоченный! Можно сказать как электрический ток!) и то в этом случае идёт речь о 70%, насколько я понимаю.
То есть общий КПД нашего преобразователя-тепловой машины будет по-сути вычисляться умножением пикового процента преобразования (о чем сейчас речь) на процент доли спектра АЧТ, который мы сможем вырезать и подать на фотопреобразователь брегговскими фильтрами и зеркалами. То есть упорядочить. Не так хорошо как лазерный монохром, но плюс-минус...  И именно это вырезание и даст нам вторую часть потерь по пути. То есть  Второе Начало мы всё равно никак не обделим. И 100% никак не получим! Но для начала давайте разберёмся с пределом для термофотопреобразователей. Он действительно должен быть по-идее уже почти достигнут.

Понятное дело основные принципы физики и базовые такой свойства материи, они никуда не денутся, даже 1800х годов. Но что касается  технологий, тут все по другому.
Новые технологии открывают возможности  создавать запредельные материалы, и раскрывать новые неожиданные свойства многих материалов!
Добавить бы ещё адекватное применение и распределение!?))

Новые технологии позволяют ПРИБЛИЗИТСЯ к теоретическому пределу. Но не превзойти их. Увы! Нельзя совершенствовать экономичность автомобильного двигатель так, что вы станете после 100 км пробега, останавливаться и сливать образовавшийся в баке новый бензин.
Теория даёт предел. Вы к нему приближаетесь и только.
Если же практика прыгнули за теоретический предел, тогда надо корректировать теорию. Показывать где она упустила, срезала, ранее скрытые возможности. Такое тоже бывает. Редко. Очень редко.

(кликните для показа/скрытия)

Я тут недавно одну ТЕОРЕТИЧЕСКУЮ работу разбирал (в первом приближении). Она устанавливает для термоядерного взрыволёта с толкающей плитой в духе "Орион" очень ЖЕСТКИЙ  и низкий предел (по сути убивает саму идею межзвездного бомболёта с толкающей плитой на корню! Раз и на всегда!) Вся математика там, без тени сомнения -  абсолютно верная. Да и физика - безупречна. Но я  просто уже вижу где взятая модель просто слишком упрощена! Именно взятая там исходная теоретическая модель описывающая весь процесс (то ест схема упрощения реальности слишком грубая, упущены важные нюансы). И да. Два места там очень чётко видны (я просто могу назвать по номерам формулы)! На этом и было построено всё "убийство".
Я об этой, без тени сомнения, прекрасной работе. Но сейчас не о ней. Это просто пример редкого случая, когда практика может оказаться куда лучше теории.

[Vavanzer]

Он действительно должен быть по-идее уже почти достигнут.

Судя по всему, до предела ещё очень далеко. Да и кажущийся предел со временем перестаёт быть пределом.
Было время, когда думали что 22нм техпроцесс в электронике это физический предел. Потом предрекали что менее 7нм не возможно сделать процессоры... Сейчас вродь и 7 мм не предел!))

По поводу графиков, это в картинках, по теге спектр  поглощения фотоэлемента. С картинки можно было на сайт попасть. Но телефонный браузер почему то не позволяет.
Если порыться в этой и ме, то полезет много интересных ссылок. Сначала поиска одна попса идёт, скопированые отрезки из википедии на разных сайтах.

[Vavanzer]

Но я  просто уже вижу где взятая модель просто слишком упрощена!

Вообще большинство старых моделей и утопических идей очень топорны уже на корню, и не учитывают множество факторов, очевидных для инженеров. Возможно это были просто хайповые проекты, шумиху навести, науку пропиарить, продажи журналов поднять, интерес общества привлечь.
Да и судя по всему, их изначально не собирались воплощать.

Даже тот же солнечный парус почему то не пошёл...

[alex_semenov]

Если порыться в этой {теме}

Там так много (и в основном про зелёную энергетику) что это даже создаёт сложности откопать что надо. Почему я и запросил помощи тут, полагая что такой путь быстрей и легче.
Но термин "поглощение" (и потолок в 100%) на вашем графике у меня вызывает сомнения.
Да, фотоэлемент может поглощать чуть ли не 100% света. Черное же тело. Почти. Ну 95-97%. Но это не значит что он на эти же почти 95% его превращает в ток. Скорей всего в ток он превратит, скажем 70%, а на 25% просто нагреется.

[alex_semenov]

Вообще большинство старых моделей и утопических идей очень топорны уже на корню, и не учитывают множество факторов, очевидных для инженеров. Возможно это были просто хайповые проекты, шумиху навести, науку пропиарить, продажи журналов поднять, интерес общества привлечь.
Да и судя по всему, их изначально не собирались воплощать.

Я не понял. Вы вообще или о бомболётах? Бомболёты лучше не трогать а то я опять начну и тут ругаться и кусаться.
Они не полши чисто по политическим причинам. Точно по тем же причинам тормозит как лыжи на асфальте развитие буквально  ВСЕЙ ядерной энергетики.  Там чудовищный застой за пол века! Всё брошено на борьбу за безопасность (очень опасных и изначально хреновых, но простых в самой своей основе реакторов).

Даже тот же солнечный парус почему то не пошёл...

Родной! Ответьте, а что за 50 лет в этой ГРЁБАННОЙ космонавтике пошло?
Рюшечки? Финтифлюшечки?
С 70х - ни одной базовой идеи же!
Там же БОЛОТО! Непролазное. Стояк и смрад! Запредельный. Одни лягушки трели разводят на форуме "Новости космонавтики". Предвестники грядущего... 

[-Asket-]

Не вижу где тут показано для трех материалов? Кривая то одна! Но это мелочи. Что меня тут сразу смущает. Тут нет обещанного в вашей, Аскет, цитате (вы же явно даёте перевод цитаты из этой статьи) пика эффективнсти (где-то на ~ 1 мкм), напротив, показанная тут кривуля говорит нам, что чем короче длина волны, тем выше ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ эффективность преобразования монохроматического света в ток. Так для 0.25 мкм (250 нм) эффективность может быть ну почти 90%!

Три плюсика это и есть точки практически измеренной эффективности трех разных материалов для конкретной длины волны лазера. Там еще нижняя шкала есть, ширина запрещенной зоны, это же теоретическая кривая, т.е. для предельной эффективности на каждой волне по верхней шкале мы выбираем и наиболее эффективный материал, существует ли такой в реальности совсем другой вопрос.

[alex_semenov]

Три плюсика это и есть

А!!!! Семён Семёныч!



Плюсики то я и не заметил! Нет, я заметил, но думал знаки препинания, украшения ради...
Эко всё сложно то?! Не зря ты и  называешься физикой ТВЁРДОГО тела. Не мягкого...

Там еще нижняя шкала есть, ширина запрещенной зоны, это же теоретическая кривая, т.е. для предельной эффективности на каждой волне по верхней шкале мы выбираем и наиболее эффективный материал, существует ли такой в реальности совсем другой вопрос.

Эко как!... Нижняя шкала - именно ШИРИНА запрещённой зоны? Гмм... логично. Выше энергия фотона, шире зона...
Хорошо, а что же тогда отгораживает теоретическая граница (та самая кривая), если она ни к какому материалу не перевязана? (надо, видимо, сесть просто и почитать статью, поискать знакомы буквы, вот только свет включат...)
То есть (хитро рассуждаю я), существе некая теоретическая, абстрактная модель твердого тела, которая не привязана ни к какому конкретно полупроводнику, но она уже ограничивает эффективность преобразования света в ток (в зависимости от длинны волны или ширины зоны)? И чем короче волна (чем энергичней фотон) или чем шире запрещённая зона тем ближе эта чисто теоретическая граница к 100%. Осмелюсь протупить еще раз. Почему?

[Sergey E.]

Помоему тонкопленочные солнечные элементы как раз работают в области 0.7 микрометра- 2 микрометра или 1.8 эв -0.7 эв которые требуются для температуры реактора 3000 К. Как только сделать сам реактор максимально простым пока не понятно. На быстрых нейтронах, со средой отражателя из углерода, так как у углерода огромная теплопроводность -6000 ватт.

[alex_semenov]

Как только сделать сам реактор максимально простым пока не понятно. На быстрых нейтронах, со средой отражателя из углерода, так как у углерода огромная теплопроводность -6000 ватт.

А в чём сложность сделать максимально простой реактор?
Нет, я не пробовал считать, но на глаз мне кажется там не должно быть больших трудностей.
Отражатель только с торцов. Бока - открыты (что бы излучению ничто не мешало). Стержни из оксида-урана-235 будут как дрова в печке друг другу поддерживать критичность = 1, раскалятся до 3000 К. Не нужен никакой замедлитель, никакой отражатель. Я даже думаю никаких регуляторов по центру (как раньше предполагал) пускать не надо. Торцы (через которые стержни вводятся с двух сторон) и будут тонко регулировать критичность, меняя отражающую-поглощающую нейтроны способность. Там это можно сделать как в NERVA или можно что-то еще хитрей придумать...

[библиограф]

     Стержни из оксида-урана-235 будут как дрова в печке друг другу поддерживать критичность = 1, раскалятся до 3000 К. Не нужен никакой замедлитель, никакой отражатель   

alex_ semenov в  экзальтации вываливает  целые котлы лапши на уши доверчивых недоумков.
Оксид урана, как раз, плавится при 3000К. Но в вакууме он расплавится просто не успеет!
Просто испарится, минуя жидкое состояние
Что такое возгонка слыхали? А про испарение в вакууме? Это курс средней школы.

Про более сложные материи, типа геометрия активной зоны реактора на быстрых нейтронах
я даже не буду говорить - пакет стержней из двуокиси урана просто разлетится вдребезги при
достижении критичности.

      На быстрых нейтронах, со средой отражателя из углерода, так как у углерода огромная теплопроводность -6000 ватт.   

О, ещё один диванный инженер -ядерщик!
Думаешь, сумеешь уговорить быстрые нейтроны отражаться от графита, а не замедляться
в нем?