Sandia National Laboratories ist bekannt für die Entwicklung zuverlässiger und widerstandsfähiger Microgrids für Militärbasen und lebenswichtige städtische Dienste. Jetzt arbeiten Sandia-Forscher mit der NASA zusammen, um einen für den Mond zu entwickeln.
Dies ist nicht das erste Mal, dass Sandia mit der NASA zusammenarbeitet, um Geräte auf dem Mond mit Strom zu versorgen. Tatsächlich lieferte Sandia die technische Leitung für die thermoelektrischen Radioisotop-Generatoren, die die Mondexperimente vieler Apollo-Missionen mit Strom versorgten.
Der Plan der NASA für ihr Konzept der Artemis-Mondbasis sieht vor, dass sie als technologisches Testgelände für die eventuelle menschliche Erforschung des Mars dienen wird, sagte Jack Flicker, ein Elektroingenieur von Sandia. Das Basislagerkonzept besteht aus einer Wohneinheit – komplett mit Platz für bis zu vier Astronauten – sowie dem Potenzial für separate Bergbau- und Brennstoffverarbeitungsanlagen, die als In-situ-Ressourcennutzung bezeichnet werden. Frühe Artemis-Missionen beinhalten kurze Aufenthalte im Basislager mit dem Ziel, Aufenthalte von jeweils zwei Monaten aufzubauen.
Die Bergbau- und Verarbeitungsanlagen könnten Raketentreibstoff, Wasser, Sauerstoff und andere Materialien produzieren, die für eine erweiterte Erkundung der Mondoberfläche benötigt werden, während der Versorgungsbedarf von der Erde verringert wird. Diese Einrichtung wird sich weit entfernt vom Basislager befinden – damit andere dort durchgeführte wissenschaftliche und technologische Aktivitäten nicht gestört werden – aber das Stromnetz für die beiden Einheiten wird in Notfällen für Widerstandsfähigkeit und Robustheit verbunden, fügte Flicker hinzu.
Ein Teil des Sandia-Teams, zu dem auch Lee Rashkin und Dave Wilson gehören, entwickelt eine elektrische Systemsteuerung für das Mikronetz des Bergbau- und Verarbeitungszentrums. Die NASA entwirft die elektrische Systemsteuerung für die Wohneinheit, da das System dem elektrischen Gleichstromsystem der Internationalen Raumstation sehr ähnlich sein wird, sagte Flicker. Flicker und sein Teil des Teams entwickeln das System, das die beiden Microgrids verbinden wird, und untersuchen den Stromfluss und den Betrieb zwischen den beiden Microgrids.
„Es gibt einige sehr wichtige Unterschiede zwischen so etwas wie einem Mikronetz vom Typ ISS und etwas, das die Ausmaße einer Mondbasis hat“, sagte Flicker. „Einer dieser Unterschiede ist die geografische Größe, die problematisch sein kann, insbesondere wenn sie mit niedrigen Gleichspannungen betrieben werden. Ein anderer ist, dass es viel mehr Leistungselektronik sowie viel mehr verteilte Energie geben wird, wenn Sie mit der Erweiterung dieser Systeme beginnen Ressourcen, die in der gesamten Basis vorhanden sein werden. Sandia beschäftigt sich schon seit geraumer Zeit mit Microgrids mit vielen verteilten Energieressourcen.“
Dezentrale Energieressourcen sind kleinere Stromquellen wie Sonnenkollektoren und Windturbinen, während Leistungselektronik Geräte wie Konverter sind, die den Betrieb elektrischer Systeme innerhalb der Spezifikationen halten.
‚Tempomat‘ für das elektrische System des Mondbergbauzentrums
Rashkin, ein Elektroingenieur, und Wilson, ein Steuerungsingenieur, entwerfen seit Frühsommer 2021 die Software zur Regulierung der Elektrizität des Bergbau- und Verarbeitungszentrums gleichmäßiges Spannungsniveau im Netz, trotz wechselnder äußerer Umstände.
Der Controller muss in der Lage sein, einen gleichmäßigen Spannungspegel auf mehreren verschiedenen Zeitskalen aufrechtzuerhalten, von weniger als einer Tausendstelsekunde bis hin zu Jahreszeiten. Auf der höchsten Ebene der Steuerungssoftware, auf der Skala von Minuten bis Jahreszeiten, können die Menschen steuern, welche Solarmodule Strom erzeugen und welche stromverbrauchenden Geräte eingeschaltet werden, sagte Wilson. Auf der niedrigsten Stufe, bei weniger als einer Tausendstelsekunde, muss die Steuerung jedoch schnell und automatisch arbeiten, um die Ausgänge auf den erforderlichen Pegeln zu halten. Sie konzentrieren sich in erster Linie auf die mittlere Kontrollebene, sagte Rashkin.
„Unser Ziel ist es, ein Mondenergie-Energiemanagementsystem zu entwickeln, das ein Level-System auf all diesen Zeitskalen effizient aufrechterhalten kann“, sagte Wilson. „Wir verfügen über eine spezialisierte sichere skalierbare Microgrid-Einrichtung und eine Steuersystem-Designmethodik, die dies analysiert. Die Einrichtung verfügt auch über spezialisierte Energiespeicheremulatoren, die uns dabei helfen können, die Spezifikationen für den Energiespeicherbedarf der Basis und ihre Anforderungen zu bestimmen.“
Das Secure Scalable Microgrid Testbed ist eine einzigartige Sandia-Forschungseinrichtung, die das Team zur Feinabstimmung ihres Steuerungssystems nutzen wird. Sie werden das Testbed auch nutzen, um Fragen zu Stromversorgungssystemsteuerungen und den Wechselwirkungen zwischen verteilten Energieressourcen, Energiespeicherung und Leistungselektronik in einem DC-Mikronetz zu untersuchen, das eine skalierte und vereinfachte Darstellung des späteren Mondmikronetzes ist, sagte Rashkin. Die meisten terrestrischen Microgrids und terrestrische Stromnetze im Allgemeinen werden mit Wechselstrom betrieben.
Wie eine High-End-Modelleisenbahn besteht das Testbed aus drei miteinander verbundenen DC-Mikronetzen mit speziell angefertigter Elektronik, um verschiedene Stromerzeugungssysteme und -geräte nachzuahmen, die Strom verwenden. Zu den Stromerzeugungssystemen, die sie imitieren können, gehören Dieselgeneratoren, Photovoltaikanlagen, Energiespeicheremulatoren und Stromrichter. Jeder der Emulatoren kann von einem Computer gesteuert werden, und die Microgrids können so konfiguriert werden, dass sie eine endlose Vielzahl von Szenarien testen, sagte Rashkin. Dies bietet eine hervorragende Plattform, um wiederholte Experimente mit leicht angepasster Steuersoftware durchzuführen, um zu vergleichen, wie das System reagiert, fügte er hinzu.
„Das Ziel hier ist Top-Down-Engineering: Wir versuchen zuerst, das Steuerungsdesign zu bestimmen, die Spezifikationen für den Energiespeicher zu erstellen, und dann könnte die NASA diese Spezifikationen verwenden, um die flugfertigen Komponenten zu erhalten, die diese Spezifikationen erfüllen.“ sagte Wilson. „Häufig machen die Leute das Gegenteil, sie bringen Ihnen eine Batterie und sagen: ‚Mach es zum Laufen‘, was die Leistung des Microgrids beeinträchtigen kann.“
Andere Forscher, die stark an der Entwicklung von Controllern beteiligt sind, sind Marvin Cook, ein Sandia-Informatiker; Wayne Weaver und Rush Robinett III, Ingenieurprofessoren an der Michigan Technological University; und Joseph Young, Chefwissenschaftler von OptimoJoe.
„Es braucht zwei“ Microgrids
Der zweite Hauptfokus der Sandia-Forscher liegt auf der Entwicklung des Systems, das die Mikronetze der Bergbauanlage und der Wohneinheit verbindet, um Widerstandsfähigkeit und Robustheit zu gewährleisten. Laut Flicker gibt es zwei Hauptwege, um Resilienz in einem Microgrid zu erreichen. Einer davon ist die Fähigkeit, Strom flexibel dorthin zu leiten, wo er benötigt wird. Das andere ist alles überdimensioniert, um sicherzustellen, dass genügend Strom vorhanden ist, selbst wenn mehrere Dinge ausfallen, sagte Flicker.
„Normalerweise haben wir eine Kombination aus diesen beiden, wo es bis zu einem gewissen Grad überdimensioniert ist, aber Sie können den Strom auch flexibel so leiten, wie Sie es benötigen, innerhalb eines Microgrids oder zwischen unabhängigen, aber dennoch kooperativen Microgrids, wie wir nach dem Mond suchen. “, sagte Flicker. „In einem Notfall wie dem Ausfall eines Energiespeichersystems während einer Sonnenfinsternis wollen wir in der Lage sein, den Strom von der Bergbauanlage zum Basislager zu transportieren, um die Sicherheit der Astronauten zu gewährleisten.“
Flickers Teil des Teams untersucht auch, wie die Verbindung zwischen den beiden Microgrids funktionieren könnte. Sie untersuchen die Auswirkungen, die die Entfernung zwischen der Bergbauanlage und der Wohneinheit auf die Übertragungseffizienz und -stabilität hat, unabhängig davon, ob sie fünf oder 20 Meilen voneinander entfernt sind. Das Team bestimmt auch die optimale Spannung, mit der die Verbindung betrieben werden sollte, und ob dies der Fall ist Es ist sinnvoll, dass die Verbindung DC bleibt oder wenn die NASA auf AC umstellen sollte, um die Reise zu machen, und dann zurück auf DC, sobald sie die Wohneinheit erreicht.
Um diese Fragen zu beantworten und verschiedene Notfallszenarien zu untersuchen, nutzen Flicker und die Elektroingenieure Rachid Darbali-Zamora und Andrew Dow zwei Forschungseinrichtungen.
Das Distributed Energy Technologies Laboratory von Sandia wird verwendet, um die Integration von erneuerbaren Energiequellen wie Windkraftanlagen und Sonnenkollektoren in größere Energiesysteme zu untersuchen. Eine der Stärken dieses Labors sind Hardware-in-the-Loop-Experimente. Diese Art von Experimenten beinhaltet die Verbindung einer echten Hardware mit einer Software, die die Hardware einer Vielzahl von simulierten Szenarien aussetzen kann, darunter katastrophale Stromausfälle und Wetterbedingungen, sagte Darbali-Zamora. Diese Experimente seien ein Zwischenschritt zwischen reiner Simulation und Feldtests, fügte er hinzu.
„Mit diesem DC-Power-Hardware-in-the-Loop-Aufbau, den wir im Labor bauen, können wir Leistungswandler testen, die Impedanz elektrischer Leitungen zwischen Mondanlagen, wir könnten auch tatsächliche Energieerzeugungs- und Speichergeräte testen “, sagte Darbali-Zamora. „Grundsätzlich können wir es verwenden, um eine Vielzahl von Situationen zu untersuchen, damit wir ein System entwerfen können, das autark ist und weiter betrieben werden kann, selbst wenn ein Solarpanel-Array ausfällt.“
Das Team wird auch das Emera DC-Mikronetz auf der Kirtland Air Force Base verwenden, um zu sehen, wie ein leistungselektronisches System in Notfallszenarien mit niedrigem Energieverbrauch betrieben und Strom nach Bedarf übertragen kann, sagte Flicker.
Natürlich arbeite das gesamte Sandia-Team eng zusammen, fügte Flicker hinzu. Beispielsweise verwenden sie in ihren Computersimulationen Toolboxen des Secure Scalable Microgrid Testbed und einige der NASA-Toolboxen. Schließlich planen sie sogar, Wilsons Controller in ihren Verbindungssimulationen zu testen, sagte Darbali-Zamora.
„Obwohl diese Arbeit für ein Mikronetz auf dem Mond ist, ist die Forschung auch relevant, um die Widerstandsfähigkeit von Gemeinschaften auf der Erde zu schaffen“, sagte Darbali-Zamora. „Ich komme ursprünglich aus einer kleinen Stadt in Puerto Rico. Ich hoffe, dass einige der Lektionen, die sich aus diesem Projekt in Bezug auf Resilienz ergeben, Lektionen sind, die ich zu Hause umsetzen kann.“