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Alimentare la luna: i ricercatori progettano una microgriglia per la futura base lunare

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Una rappresentazione artistica di come potrebbe apparire una microgriglia resiliente per un campo base lunare. Gli ingegneri di Sandia stanno lavorando con la NASA per progettare il controller di sistema per la microgrid. Credito: Eric Lundin

Sandia National Laboratories è un’organizzazione nota per la progettazione di microgrid affidabili e resilienti per basi militari e servizi urbani vitali. Ora, i ricercatori di Sandia stanno lavorando con la NASA per progettarne uno per la luna.

Questa non è la prima volta che Sandia collabora con la NASA per alimentare apparecchiature sulla luna. In effetti, Sandia ha fornito la direzione tecnica per i generatori termoelettrici di radioisotopi che hanno alimentato gli esperimenti lunari posti da molte delle missioni Apollo.

Il piano della NASA per il suo concetto di base lunare Artemis è che servirà come un banco di prova tecnologico per l’eventuale esplorazione umana di Marte, ha affermato Jack Flicker, un ingegnere elettrico di Sandia. Il concetto di campo base consiste in un’unità abitativa, completa di spazio per un massimo di quattro astronauti, nonché il potenziale per l’estrazione separata e il trattamento del carburante, chiamati strutture di utilizzo delle risorse in situ. Le prime missioni Artemis includeranno brevi soggiorni al campo base con l’obiettivo di arrivare a soggiorni di due mesi.

Gli impianti di estrazione e lavorazione potrebbero produrre carburante per razzi, acqua, ossigeno e altri materiali necessari per un’esplorazione estesa della superficie lunare, diminuendo al contempo il fabbisogno di approvvigionamento dalla Terra. Questa struttura sarà situata lontano dal campo base, quindi le altre attività scientifiche e tecnologiche condotte lì non saranno interrotte, ma la rete elettrica per le due unità sarà collegata durante le emergenze per resilienza e robustezza, ha aggiunto Flicker.

Una parte del team Sandia, che comprende l’ingegnere elettrico Lee Raskin e l’ingegnere di controllo Dave Wilson, sta progettando un controller del sistema elettrico per la microrete del centro di estrazione e lavorazione. La NASA sta progettando il controller del sistema elettrico per l’unità abitativa, poiché il sistema sarà molto simile al sistema elettrico a corrente continua della Stazione Spaziale Internazionale, ha affermato Flicker. Flicker e la sua parte del team stanno sviluppando il sistema che collegherà le due microgrid e stanno studiando il flusso di potenza e il funzionamento tra le due microgrid.

“Ci sono alcune differenze molto importanti tra qualcosa come una microgriglia di tipo ISS e qualcosa che ha l’estensione di una base lunare”, ha detto Flicker. “Una di queste differenze è la dimensione geografica, che può essere problematica, specialmente quando si opera a basse tensioni CC. Un’altra è che quando si inizia ad estendere questi sistemi, ci sarà molta più elettronica di potenza e molta più energia distribuita risorse che esisteranno in tutta la base. Sandia ha esaminato microgrid con molte risorse energetiche distribuite per un periodo piuttosto lungo”.

Le risorse energetiche distribuite sono fonti di elettricità più piccole come pannelli solari e turbine eoliche, mentre l’elettronica di potenza è dispositivi come convertitori che mantengono i sistemi elettrici funzionanti entro le specifiche.

‘Cruise control’ per il sistema elettrico del centro minerario lunare

Lee Raskin e Dave Wilson hanno progettato il software per regolare l’elettricità del centro di estrazione e lavorazione dall’inizio dell’estate 2021. Wilson ha paragonato il loro controller al cruise control di un’automobile standard in quanto mantiene un livello di tensione uniforme sulla rete, nonostante mutevoli situazioni esterne.

Il controller deve essere in grado di mantenere un livello di tensione uniforme su diverse scale temporali, da meno di un millesimo di secondo alle stagioni. Al livello più alto del software di controllo, su una scala da minuti a stagioni, le persone possono controllare quali pannelli solari generano energia e quali dispositivi che utilizzano energia sono accesi, ha affermato Wilson. Tuttavia, al livello più basso, a meno di un millesimo di secondo, il controller deve funzionare rapidamente e automaticamente per mantenere le uscite ai livelli richiesti. Sono principalmente focalizzati sul livello medio di controllo, ha detto Raskin.

“Il nostro obiettivo è trovare un sistema di gestione dell’energia lunare in grado di mantenere efficientemente un sistema di livello su tutte quelle scale temporali”, ha affermato Wilson. “Abbiamo una struttura specializzata Secure Scalable Microgrid e una metodologia di progettazione del sistema di controllo che analizza questo aspetto. La struttura dispone anche di emulatori di accumulo di energia specializzati che possono aiutarci a determinare le specifiche per la quantità di accumulo di energia necessaria alla base e i loro requisiti”.

Il Secure Scalable Microgrid Testbed è una struttura di ricerca Sandia unica che il team utilizzerà per mettere a punto il proprio sistema di controllo. Utilizzeranno anche il banco di prova per studiare le domande sui controller del sistema di alimentazione e le interazioni tra le risorse energetiche distribuite, l’accumulo di energia e l’elettronica di potenza su una microgriglia CC che è una rappresentazione in scala e semplificata dell’eventuale microgriglia lunare, ha affermato Raskin. La maggior parte delle microgriglie terrestri e delle reti elettriche terrestri in generale funzionano con alimentazione a corrente alternata.

Alimentare la luna: i ricercatori progettano una microgriglia per la futura base lunare

Gli ingegneri elettrici di Sandia Rachid Darbali-Zamora, front, e Lee Raskin testano un algoritmo su una configurazione hardware-in-the-loop presso il Distributed Energy Technologies Laboratory. Credito: Rebecca Gustav

Come un modello di treno di fascia alta, il banco di prova è costituito da tre microgriglie CC interconnesse con elettronica personalizzata per imitare diversi sistemi di produzione di energia e dispositivi che utilizzano l’elettricità. I sistemi di produzione di energia che possono imitare includono generatori diesel, array fotovoltaici, emulatori di accumulo di energia e convertitori di potenza. Ciascuno degli emulatori può essere controllato da un computer e le microgriglie possono essere configurate per testare una varietà infinita di scenari, ha affermato Raskin. Ciò fornisce un’eccellente piattaforma per eseguire esperimenti ripetuti con un software di controllo leggermente ottimizzato per confrontare la risposta del sistema, ha affermato.

“L’obiettivo qui è l’ingegneria dall’alto verso il basso: stiamo cercando di determinare prima il progetto di controllo, elaborare le specifiche per l’accumulo di energia, e quindi la NASA potrebbe utilizzare quelle specifiche per ottenere i componenti pronti per il volo che soddisfino tali specifiche, “Ha detto Wilson. “Molte volte le persone fanno il contrario; ti portano una batteria e dicono: ‘fallo funzionare’, il che potrebbe degradare le prestazioni della microgrid”.

Altri ricercatori fortemente coinvolti nello sviluppo del controller includono Marvin Cook, un informatico Sandia; Wayne Weaver e Rush Robinett III, professori di ingegneria alla Michigan Technological University; e Joseph Young, capo scienziato di OptimoJoe.

“Ci vogliono due” microgriglie

Il secondo obiettivo principale dei ricercatori di Sandia è lo sviluppo del sistema che collegherà la struttura mineraria e le microgriglie dell’unità abitativa per la resilienza e la robustezza. Esistono due modi principali per ottenere resilienza in una microgrid. Uno è avere la capacità di indirizzare in modo flessibile la potenza dove è necessaria. L’altro è sovradimensionare tutto per garantire che ci sia abbastanza potenza anche se più cose falliscono, ha detto Flicker.

“Di solito, abbiamo una combinazione di questi due, in cui è in una certa misura sovradimensionato, ma sei anche in grado di indirizzare la potenza in modo flessibile come necessario all’interno di una microgrid, o tra microgrid indipendenti ma cooperative come stiamo esplorando per la luna, “Ha detto Sfarfallio. “In un evento di emergenza come il guasto di un sistema di accumulo di energia durante un’eclissi, vogliamo essere in grado di trasferire l’energia dalla struttura mineraria al campo base per mantenere gli astronauti al sicuro”.

La parte del team di Flicker sta anche esplorando come potrebbe funzionare la connessione tra le due microgrid. I ricercatori stanno studiando l’impatto che la distanza tra la struttura mineraria e l’unità abitativa ha sull’efficienza e sulla stabilità del trasferimento, indipendentemente dal fatto che siano distanti cinque miglia o 20. Il team sta anche determinando la tensione ottimale a cui dovrebbe funzionare la connessione e se fa senso che la connessione rimanga DC o se la NASA dovesse convertirsi in AC per fare il viaggio e poi tornare a DC una volta raggiunta l’unità abitativa.

Per rispondere a queste domande ed esplorare vari scenari di emergenza, gli ingegneri elettrici di Flicker e Sandia Rachid Darbali-Zamora e Andrew Dow stanno utilizzando due strutture di ricerca.

Il Distributed Energy Technologies Laboratory di Sandia viene utilizzato per studiare l’integrazione di risorse energetiche rinnovabili come turbine eoliche e pannelli solari in sistemi energetici più grandi. Uno dei punti di forza di questo laboratorio sono gli esperimenti hardware-in-the-loop. Questi tipi di esperimenti implicano il collegamento di un vero pezzo di hardware a un software in grado di sottoporre l’hardware a una varietà di scenari simulati, inclusi blackout catastrofici e condizioni meteorologiche, ha affermato Darbali-Zamora. Questi esperimenti sono un passaggio intermedio tra la simulazione pura e i test sul campo, ha aggiunto.

“Con questa configurazione hardware-in-the-loop di alimentazione CC che stiamo costruendo in laboratorio, possiamo testare i convertitori di potenza, l’impedenza delle linee elettriche tra le strutture lunari; potremmo anche testare la generazione effettiva di energia e i dispositivi di accumulo”, ha detto Darbali-Zamora. “Fondamentalmente, possiamo usarlo per studiare una varietà di situazioni in modo da poter progettare un sistema che sia autosufficiente e possa continuare a funzionare anche se un pannello solare si interrompe”.

Il team utilizzerà anche la microgrid Emera DC sulla base dell’aeronautica militare di Kirtland per vedere come un sistema di alimentazione elettronica pesante può funzionare e trasferire l’alimentazione secondo necessità in scenari di emergenza a bassa energia, ha affermato Flicker.

Naturalmente, l’intero team di Sandia lavora a stretto contatto, ha detto Flicker. Ad esempio, stanno utilizzando toolbox dal Secure Scalable Microgrid Testbed e alcuni toolbox della NASA nelle loro simulazioni al computer. Alla fine hanno anche in programma di testare il controller di Wilson nelle loro simulazioni di connessione, ha detto Darbali-Zamora.

“Anche se questo lavoro è per una microgriglia sulla luna, la ricerca è anche rilevante per creare resilienza per le comunità sulla Terra”, ha detto Darbali-Zamora. “Sono originario di una piccola città di Porto Rico. Spero che alcune delle lezioni che emergono da questo progetto in termini di resilienza siano lezioni che posso implementare a casa”.


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