Alimentando la luna: diseño de una microrred para la futura base lunar

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

Esta no es la primera vez que Sandia se asocia con la NASA para alimentar equipos en la luna. De hecho, Sandia proporcionó la dirección técnica de los generadores termoeléctricos de radioisótopos que impulsaron los experimentos lunares realizados por muchas de las misiones Apolo.

El plan de la NASA para su concepto base lunar Artemisa es que servirá como campo de pruebas tecnológicas para la eventual exploración humana de Marte, dijo Jack Flicker, ingeniero eléctrico de Sandia. El concepto del campamento base consiste en una unidad habitacional, completa con espacio para hasta cuatro astronautas, así como el potencial para instalaciones separadas de procesamiento de combustible y minería, denominadas instalaciones de utilización de recursos in situ. Las primeras misiones de Artemis incluirán estadías cortas en el campamento base con el objetivo de acumular estadías de dos meses a la vez.

Las instalaciones de minería y procesamiento podrían producir combustible para cohetes, agua, oxígeno y otros materiales necesarios para una exploración prolongada de la superficie lunar al tiempo que disminuyen las necesidades de suministro de la Tierra. Esta instalación se ubicará lejos del campamento base, por lo que no se interrumpirán otras actividades científicas y tecnológicas que se realicen allí, pero la red eléctrica para las dos unidades se conectará durante las emergencias para brindar resistencia y solidez, agregó Flicker.

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

«Hay algunas diferencias muy importantes entre algo como una microrred de tipo ISS y algo que tiene la extensión de una base lunar», dijo Flicker. «Una de esas diferencias es el tamaño geográfico, que puede ser problemático, especialmente cuando se ejecuta con voltajes de CC bajos. Otra es que cuando comience a extender estos sistemas, habrá mucha más electrónica de potencia y mucha más energía distribuida». recursos que existirán en toda la base. Sandia ha estado buscando microrredes con una gran cantidad de recursos de energía distribuida durante bastante tiempo».

Los recursos de energía distribuida son fuentes de electricidad 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 centro minero lunar

Rashkin, ingeniero eléctrico, y Wilson, ingeniero de control, han estado diseñando el software para regular la electricidad del centro de minería y procesamiento desde principios del verano de 2021. Wilson comparó su controlador con el control de crucero en un automóvil estándar en el sentido de que mantiene un incluso el nivel de voltaje en la red, a pesar de las situaciones externas cambiantes.

El controlador debe poder mantener un nivel de voltaje uniforme en varias escalas de tiempo diferentes, desde menos de una milésima de segundo hasta estaciones. En el nivel más alto del software de control, en la escala de minutos a temporadas, las personas pueden controlar qué paneles solares generan energía y qué dispositivos que usan energía están encendidos, dijo Wilson. Sin embargo, en el nivel más bajo, en menos de una milésima de segundo, el controlador necesita 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 crear un sistema de administración de energía de energía lunar que pueda mantener de manera eficiente un sistema de nivel en todas esas escalas de tiempo”, dijo Wilson. «Tenemos una instalación de microrred escalable segura especializada y una metodología de diseño de sistema de control que analiza esto. La instalación también cuenta con emuladores de almacenamiento de energía especializados que pueden ayudarnos a determinar las especificaciones de la cantidad de almacenamiento de energía que necesita la base y sus requisitos».

El banco de pruebas de microrred escalable seguro es una instalación de investigación única de Sandia que el equipo utilizará para afinar su sistema de control. También utilizarán el banco de pruebas para estudiar preguntas sobre los controladores 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 la eventual microrred lunar, dijo Rashkin. La mayoría de las microrredes terrestres, y las redes eléctricas terrestres en general, funcionan con energía de CA de corriente alterna.

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 diferentes sistemas de producción de energía y dispositivos que utilizan electricidad. Los sistemas de producción de energía que pueden imitar incluyen generadores diésel, matrices fotovoltaicas, emuladores de almacenamiento de energía y convertidores de energía. 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 modificado para comparar cómo responde el sistema, agregó.

«El objetivo aquí es la ingeniería de arriba hacia abajo: primero estamos tratando de determinar el diseño del control, proponer 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. «La mayoría de las veces, las personas harán lo contrario, te traerán una batería y dirán: ‘haz que funcione’, lo que puede degradar 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 conectará las microrredes de las instalaciones mineras y las unidades habitacionales para lograr resiliencia y solidez. Hay dos formas principales de obtener resiliencia en una microrred, dijo Flicker. Una es tener la capacidad de enrutar energía de manera flexible donde se necesita. El otro es sobredimensionar todo para garantizar que haya suficiente energía incluso si fallan varias cosas, dijo Flicker.

«Por lo general, tenemos una combinación de esos dos, donde es sobredimensionado hasta cierto punto, pero también puede enrutar la energía de manera flexible como lo necesita dentro de una microrred o entre microrredes independientes pero cooperativas como estamos explorando para la luna, – dijo Flicker. «En un evento de contingencia, como la falla de un sistema de almacenamiento de energía durante un eclipse, queremos poder transferir la energía de la instalación minera al campamento base para mantener seguros a los astronautas».

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

Para responder a estas preguntas y explorar varios escenarios de contingencia, Flicker y los ingenieros eléctricos Rachid Darbali-Zamora y Andrew Dow están utilizando dos instalaciones de investigación.

El Laboratorio de Tecnologías de Energía Distribuida de Sandia se utiliza para estudiar la integración de recursos 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. Este tipo de experimentos implican conectar una pieza real de hardware a un software que puede someter el hardware a una variedad de escenarios simulados, incluidos apagones 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 Darbalí-Zamora. «Básicamente, podemos usarlo para estudiar una variedad de situaciones para que podamos diseñar un sistema que sea autosuficiente y pueda continuar operando incluso si una matriz de paneles solares falla».

El equipo también utilizará la microrred Emera DC en la Base de la Fuerza Aérea de Kirtland para ver cómo un sistema de energía electrónica pesada puede operar y transportar energía según sea necesario en escenarios de contingencia de baja energía, dijo Flicker.

Por supuesto, todo el equipo de Sandia trabaja en estrecha colaboración, agregó Flicker. Por ejemplo, están utilizando cajas de herramientas del banco de pruebas Secure Scalable Microgrid y algunas de las cajas de herramientas de la NASA en sus simulaciones por computadora. Eventualmente, incluso planean probar el controlador 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 para las comunidades en la Tierra», dijo Darbali-Zamora. «Soy originario de un pequeño pueblo de Puerto Rico. Espero que algunas de las lecciones que surjan de este proyecto en términos de resiliencia sean lecciones que pueda implementar en casa».