Durante setenta años, con sede en Albuquerque Laboratorios Nacionales Sandia Desarrolla pequeñas redes eléctricas que aumentan la resiliencia de la sociedad y garantizan la seguridad energética. Las aplicaciones incluyen Mostrar la infraestructura de energía inteligente para la confiabilidad y seguridad energética (SPIDER), diseñado para apoyar bases militares en el extranjero, sistemas de energía autónomos para hospitales y áreas donde las redes eléctricas están en riesgo de desastres naturales (como huracanes, inundaciones y terremotos).
en los próximos años, programa artemisaLa NASA enviará astronautas a la Luna por primera vez desde la era Apolo y establecerá un «programa sostenible para la exploración lunar». Para garantizar que los astronautas tengan el poder de mantener su hábitat y apoyar las operaciones en la superficie, la NASA se asoció con Sandia para desarrollar pequeñas redes para la luna! Esta tecnología también podría respaldar esfuerzos futuros, como la minería, el procesamiento de combustible y otras actividades en la Luna.
Uno de los principales objetivos del programa Artemis es crear la infraestructura lunar que permitirá operaciones de superficie a largo plazo y eventuales misiones a Marte. Para asegurarse de que las tripulaciones rotatorias puedan explorar y realizar experimentos científicos en la superficie, la NASA creará puerta de la luna (para 2024) y Campamento base de Artemisa antes de que expire este contrato. Este concepto será una demostración técnica que validará los elementos y sistemas de diseño para el eventual hábitat de Marte, permitiendo estadías cortas con el objetivo final de sobrevivir hasta dos meses.
El concepto del Campamento Base consiste en una unidad de vivienda capaz de albergar hasta cuatro astronautas, así como una instalación de minería y procesamiento que utiliza recursos locales (regolito lunar y hielo de agua) para diseñar combustible para cohetes, agua, gas oxígeno y materiales de construcción, un proceso conocido como Uso de recursos en el sitio. (ISRU). Esto extenderá la duración y el alcance de la exploración de la superficie al tiempo que reduce la dependencia de las misiones de reabastecimiento en tierra. Esta instalación y su pequeña red estarán alejadas del campamento base para evitar la interrupción de otras actividades científicas y tecnológicas.
Pero para garantizar flexibilidad y durabilidad, las redes eléctricas de ambas unidades estarán conectadas durante situaciones de emergencia. Mientras la NASA diseña el módulo de control del sistema eléctrico de la unidad habitacional, que será muy similar al sistema de corriente continua (CC) de la Estación Espacial Internacional (ISS), los ingenieros de Sandia desarrollan el sistema que conectará las dos microrredes y el estudio de potencia. flujo y proceso en el medio. Dijo Jack Flickr Ingeniero eléctrico Sandia en Comunicado de prensa de Sandia Lab:
«Hay algunas diferencias muy importantes entre algo como una pequeña red tipo ISS y algo que tiene el alcance de una base lunar. Una de esas diferencias es el tamaño geográfico, que puede ser un problema, especialmente cuando se opera con voltajes de CC bajos.
«Otra es que cuando comience a expandir estos sistemas, habrá una gran cantidad de electrónica de potencia, así como una gran cantidad de recursos de energía distribuida que estarán por toda la base. Sandia ha estado analizando redes pequeñas que tienen una gran cantidad de recursos de energía distribuidos durante mucho tiempo”.
Las microrredes son parte de un campo tecnológico más amplio que incluye recursos de energía distribuida (fuentes de electricidad más pequeñas, como paneles solares y turbinas eólicas) y electrónica de potencia, dispositivos que mantienen los sistemas eléctricos funcionando dentro de las especificaciones (como los transformadores). Desde 2021, el ingeniero eléctrico Lee Rashkin y el ingeniero de control Dave Wilson han estado diseñando un software para organizar la unidad de control del sistema eléctrico para la microrred del centro de minería y procesamiento.
Este controlador necesita mantener el mismo voltaje durante varios períodos de tiempo que van desde milisegundos y minutos hasta noches lunares completas (28 días). Dave dijo que esta unidad de control es similar en muchos aspectos al sistema de control de crucero de un automóvil, ya que mantiene el mismo nivel de esfuerzo en la parrilla en medio de situaciones externas cambiantes:
«Nuestro objetivo es crear un sistema de gestión de energía lunar que pueda mantener de manera eficiente un sistema de nivel en todas esas escalas de tiempo. Contamos con un especialista Microrred segura escalable [SSM] Metodología de diseño de instalaciones y sistema de control que las analiza. La instalación también contiene simuladores de almacenamiento de energía especializados que pueden ayudarnos a determinar las especificaciones para la cantidad de almacenamiento de energía que la base necesita y requiere”.
El sitio de prueba SSM es una instalación de investigación única de Sandia con una versión simplificada y escalada de DC Lunar MicroNetwork. La prueba consta de tres microrredes interconectadas con electrónica especialmente diseñada que puede simular diferentes sistemas y dispositivos de producción de energía (por ejemplo, generadores diésel, paneles fotovoltaicos, simuladores de almacenamiento de energía, transductores). Cada simulador puede ser controlado por una computadora y se pueden configurar pequeñas redes para probar diferentes escenarios.
Esta plataforma proporciona una excelente manera de realizar experimentos con software de control ligeramente modificado para comparar cómo responde el sistema. El equipo utilizará SSM para afinar su sistema de control y estudiar preguntas sobre los controladores del sistema de energía, incluidas las interacciones entre los recursos de energía distribuidos, el almacenamiento de energía y la electrónica de potencia. Wilson dijo:
“El objetivo aquí es la ingeniería de arriba hacia abajo: primero tratamos de definir el diseño de control, proponemos especificaciones de almacenamiento de energía y luego la NASA puede usar esas especificaciones para obtener componentes listos para volar que cumplan con esas especificaciones”, dijo Dave. “Muchas veces la gente hace lo contrario. ; Te traerán una batería y te dirán: «Haz que funcione», lo que puede degradar el rendimiento de la micro-red. «
Un segundo enfoque para los investigadores de Sandia es desarrollar el sistema que conectará la instalación minera y las microrredes de la unidad de vivienda para garantizar la resiliencia en situaciones de emergencia. Una forma de hacerlo es desarrollar un sistema que pueda redirigir la energía de manera flexible hacia donde la necesite. Otra es escalar el sistema, de modo que haya suficiente energía si fallan muchas partes. Jack dijo:
“Por lo general, tenemos una combinación de estos dos, donde es bastante grande, pero también puede dirigir la energía de manera flexible de la manera que la necesita dentro de una microred o entre microredes independientes pero cooperativas como lo que estamos explorando en la luna. una situación de emergencia como una falla en el sistema de almacenamiento de energía durante un eclipse. Queremos poder trasladar la energía de la instalación minera al campamento base para mantener seguros a los astronautas».
Consideraciones adicionales incluyen el efecto de la distancia entre redes pequeñas sobre la eficiencia y la estabilidad de ambas. El equipo también está estudiando el voltaje óptimo al que debe operar la conexión y si la NASA debe seguir con el sistema de CC o desarrollar algo que use corriente alterna (CA) para el minero, luego cambia la corriente CC una vez que llega a la carcasa. Para explorar estas preguntas e investigar escenarios de emergencia, el equipo de Sandia utiliza dos instalaciones de investigación.
la primera es sandia Laboratorio de tecnología de energía distribuida (DETL), una instalación de investigación multipropósito diseñada para integrar nuevas tecnologías energéticas con infraestructura eléctrica nueva y existente. Este laboratorio está equipado con herramientas para realizar Dispositivos en el episodio Experimentos, donde los dispositivos están expuestos a varios escenarios simulados, incluidos cortes catastróficos y condiciones climáticas. Estos experimentos son un paso crítico entre la simulación de laboratorio y las pruebas de campo reales, dijo el ingeniero Rachid Derbali Zamora:
«Al configurar dispositivos de energía en un bucle de CC que construimos en el laboratorio, podemos probar los transductores y la impedancia de la línea eléctrica entre las instalaciones lunares, y también podemos probar los dispositivos reales de generación y almacenamiento de energía. Esencialmente, podemos usarlo para estudiar un variedad de situaciones para que podamos diseñar un sistema que sea autosuficiente y pueda seguir funcionando incluso si falla el conjunto de paneles solares”.
El equipo también utilizará un archivo Microrred Emera DC en la Base de la Fuerza Aérea de Kirtland para aprender cómo funciona su sistema de energía y distribución de energía en escenarios de emergencia de baja potencia. Además, los equipos trabajarán en estrecha colaboración y utilizarán cajas de herramientas de la NASA y el banco de pruebas SSM en su simulación de comunicación; finalmente, también planean probar la consola de desarrollo en esta simulación. Como señaló Rashid, esta investigación también tendrá aplicaciones aquí en la Tierra.
«Aunque este trabajo es específico para una pequeña red en la Luna, la investigación también es muy relevante para crear resiliencia para las comunidades en la Tierra», dijo. «Soy originario de un pequeño pueblo de Puerto Rico. Espero que algunas de las lecciones que han surgido de este proyecto en términos de resiliencia sean lecciones que pueda implementar en casa».
Este proyecto está financiado por Oficina de Electricidad del Ministerio de Energía Como parte de una asociación entre el Departamento de Energía y la NASA para desarrollar los sistemas necesarios para futuras misiones lunares.
Lectura profunda: laboratorio sandia
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