Des chercheurs conçoivent un micro-réseau pour la future base lunaire

Alimenter la lune : des chercheurs conçoivent un micro-réseau pour la future base lunaire

Un rendu artistique de ce à quoi pourrait ressembler un micro-réseau résilient pour un camp de base lunaire. Les ingénieurs de Sandia travaillent avec la NASA pour concevoir le contrôleur de système du micro-réseau. Crédit : Eric Lundin

Sandia National Laboratories est une organisation bien connue pour la conception de micro-réseaux fiables et résilients pour les bases militaires et les services vitaux de la ville. Maintenant, les chercheurs de Sandia travaillent avec la NASA pour en concevoir un pour la lune.

Ce n’est pas la première fois que Sandia s’associe à la NASA pour alimenter des équipements sur la lune. En fait, Sandia a assuré la direction technique des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes qui ont alimenté les expériences lunaires placées par de nombreuses missions Apollo.

Le plan de la NASA pour son concept de base lunaire Artemis est qu’elle servira de terrain d’essai technologique pour l’éventuelle exploration humaine de Mars, a déclaré Jack Flicker, un ingénieur électricien de Sandia. Le concept de camp de base consiste en une unité d’habitation – pouvant accueillir jusqu’à quatre astronautes – ainsi que la possibilité d’installations séparées d’exploitation minière et de traitement du carburant, appelées installations d’utilisation des ressources in situ. Les premières missions Artemis comprendront de courts séjours au camp de base dans le but de passer à des séjours de deux mois.

Les installations d’extraction et de traitement pourraient produire du carburant pour fusée, de l’eau, de l’oxygène et d’autres matériaux nécessaires à une exploration prolongée de la surface lunaire tout en réduisant les besoins d’approvisionnement de la Terre. Cette installation sera située loin du camp de base – afin que les autres activités scientifiques et technologiques qui y sont menées ne soient pas interrompues – mais le réseau électrique des deux unités sera connecté en cas d’urgence pour plus de résilience et de robustesse, a ajouté Flicker.

Une partie de l’équipe de Sandia, qui comprend l’ingénieur électricien Lee Raskin et l’ingénieur de contrôle Dave Wilson, conçoit un contrôleur de système électrique pour le micro-réseau du centre d’exploitation minière et de traitement. La NASA est en train de concevoir le contrôleur du système électrique pour l’unité d’habitation, car le système sera très similaire au système électrique à courant continu de la Station spatiale internationale, a déclaré Flicker. Flicker et sa partie de l’équipe développent le système qui connectera les deux micro-réseaux et étudient le flux d’énergie et le fonctionnement entre les deux micro-réseaux.

“Il existe des différences très importantes entre quelque chose comme un micro-réseau de type ISS et quelque chose qui a l’étendue d’une base lunaire”, a déclaré Flicker. “L’une de ces différences est la taille géographique, qui peut être problématique, en particulier lors d’un fonctionnement à basse tension continue. Une autre est que lorsque vous commencerez à étendre ces systèmes, il y aura beaucoup plus d’électronique de puissance ainsi que beaucoup plus d’énergie distribuée. ressources qui existeront dans toute la base. Sandia étudie les micro-réseaux avec beaucoup de ressources énergétiques distribuées depuis assez longtemps. »

Les ressources énergétiques distribuées sont de plus petites sources d’électricité telles que les panneaux solaires et les éoliennes, tandis que l’électronique de puissance est des dispositifs tels que les convertisseurs qui permettent aux systèmes électriques de fonctionner dans les limites des spécifications.

« Régulateur de vitesse » pour le système électrique du centre minier lunaire

Lee Raskin et Dave Wilson conçoivent le logiciel pour réguler l’électricité du centre d’extraction et de traitement depuis le début de l’été 2021. Wilson a comparé leur contrôleur au régulateur de vitesse d’une automobile standard en ce sens qu’il maintient un niveau de tension uniforme sur le réseau, malgré changer les situations extérieures.

Le contrôleur doit être capable de maintenir un niveau de tension uniforme sur plusieurs échelles de temps différentes, de moins d’un millième de seconde aux saisons. Au plus haut niveau du logiciel de contrôle, à l’échelle des minutes aux saisons, les gens peuvent contrôler quels panneaux solaires génèrent de l’énergie et quels appareils consommateurs d’énergie sont allumés, a déclaré WIlson. Cependant, au niveau le plus bas, à moins d’un millième de seconde, le contrôleur doit fonctionner rapidement et automatiquement pour maintenir les sorties aux niveaux requis. Ils se concentrent principalement sur le niveau intermédiaire de contrôle, a déclaré Raskin.

“Notre objectif est de proposer un système de gestion de l’énergie lunaire capable de maintenir efficacement un système de niveau sur toutes ces échelles de temps”, a déclaré Wilson. “Nous avons une installation spécialisée Secure Scalable Microgrid et une méthodologie de conception de système de contrôle qui analyse cela. L’installation dispose également d’émulateurs de stockage d’énergie spécialisés qui peuvent nous aider à déterminer les spécifications de la quantité de stockage d’énergie dont la base a besoin et leurs exigences.”

Le Secure Scalable Microgrid Testbed est une installation de recherche unique de Sandia que l’équipe utilisera pour affiner son système de contrôle. Ils utiliseront également le banc d’essai pour étudier les questions sur les contrôleurs du système électrique et les interactions entre les ressources énergétiques distribuées, le stockage de l’énergie et l’électronique de puissance sur un micro-réseau à courant continu qui est une représentation simplifiée et à l’échelle de l’éventuel micro-réseau lunaire, a déclaré Raskin. La plupart des micro-réseaux terrestres, et les réseaux électriques terrestres en général, fonctionnent sur courant alternatif.

Alimenter la lune : des chercheurs conçoivent un micro-réseau pour la future base lunaire

Les ingénieurs électriciens de Sandia Rachid Darbali-Zamora, à l’avant, et Lee Raskin testent un algorithme sur une configuration hardware-in-the-loop au Distributed Energy Technologies Laboratory. Crédits : Rebecca Gustaf

Comme un ensemble de trains miniatures haut de gamme, le banc d’essai se compose de trois micro-réseaux CC interconnectés avec une électronique sur mesure pour imiter différents systèmes de production d’énergie et appareils utilisant l’électricité. Les systèmes de production d’énergie qu’ils peuvent imiter comprennent des générateurs diesel, des panneaux photovoltaïques, des émulateurs de stockage d’énergie et des convertisseurs de puissance. Chacun des émulateurs peut être contrôlé par un ordinateur et les micro-réseaux peuvent être configurés pour tester une variété infinie de scénarios, a déclaré Raskin. Cela fournit une excellente plate-forme pour exécuter des expériences répétées avec un logiciel de contrôle légèrement modifié pour comparer la façon dont le système répond, a-t-il déclaré.

“L’objectif ici est l’ingénierie descendante : nous essayons d’abord de déterminer la conception des commandes, de proposer les spécifications pour le stockage d’énergie, puis la NASA pourrait utiliser ces spécifications pour obtenir les composants prêts à voler qui répondent à ces spécifications, “, a déclaré Wilson. “La plupart du temps, les gens feront l’inverse ; ils vous apporteront une batterie et vous diront : “faites-la fonctionner”, ce qui peut dégrader les performances du micro-réseau.”

D’autres chercheurs fortement impliqués dans le développement du contrôleur incluent Marvin Cook, un informaticien de Sandia ; Wayne Weaver et Rush Robinett III, professeurs d’ingénierie à la Michigan Technological University ; et Joseph Young, scientifique en chef d’OptimoJoe.

“Il faut deux” micro-réseaux

Le deuxième objectif majeur des chercheurs de Sandia est de développer le système qui connectera les micro-réseaux de l’installation minière et de l’unité d’habitation pour plus de résilience et de robustesse. Il existe deux façons principales d’obtenir la résilience dans un micro-réseau. L’un est d’avoir la capacité d’acheminer de manière flexible l’énergie là où elle est nécessaire. L’autre consiste à tout surdimensionner pour s’assurer qu’il y a suffisamment de puissance même si plusieurs choses échouent, a déclaré Flicker.

“Habituellement, nous avons une combinaison de ces deux, où il est surdimensionné dans une certaine mesure, mais vous pouvez également acheminer de manière flexible l’énergie dont vous avez besoin au sein d’un micro-réseau, ou entre des micro-réseaux indépendants mais coopératifs comme nous explorons pour la lune, ” dit Flicker. “Dans un événement d’urgence tel qu’un système de stockage d’énergie défaillant pendant une éclipse, nous voulons être en mesure de transférer l’électricité de l’installation minière vers le camp de base pour assurer la sécurité des astronautes.”

La partie de l’équipe de Flicker explore également comment la connexion entre les deux micro-réseaux pourrait fonctionner. Les chercheurs étudient l’impact de la distance entre l’installation minière et l’unité d’habitation sur l’efficacité et la stabilité du transfert, qu’ils soient distants de cinq miles ou 20. L’équipe détermine également la tension optimale à laquelle la connexion doit fonctionner et si elle rend sens pour que la connexion reste en courant continu ou si la NASA doit se convertir en courant alternatif pour effectuer le voyage, puis revenir en courant continu une fois qu’elle atteint l’unité d’habitation.

Pour répondre à ces questions et explorer divers scénarios d’urgence, les ingénieurs électriciens de Flicker et Sandia, Rachid Darbali-Zamora et Andrew Dow, utilisent deux installations de recherche.

Le laboratoire de technologies énergétiques distribuées de Sandia est utilisé pour étudier l’intégration des ressources énergétiques renouvelables telles que les éoliennes et les panneaux solaires dans des systèmes énergétiques plus vastes. L’un des points forts de ce laboratoire réside dans les expériences hardware-in-the-loop. Ces types d’expériences impliquent de connecter un matériel réel à un logiciel qui peut soumettre le matériel à une variété de scénarios simulés, y compris des pannes de courant catastrophiques et des conditions météorologiques, a déclaré Darbali-Zamora. Ces expériences sont une étape intermédiaire entre la simulation pure et les tests sur le terrain, a-t-il ajouté.

“Avec cette configuration de matériel d’alimentation en courant continu dans la boucle que nous construisons en laboratoire, nous pouvons tester les convertisseurs de puissance, l’impédance des lignes électriques entre les installations lunaires ; nous pourrions également tester les dispositifs de production et de stockage d’énergie réels”, dit Darbali-Zamora. “Fondamentalement, nous pouvons l’utiliser pour étudier une variété de situations afin de concevoir un système qui est autonome et qui peut continuer à fonctionner même si un panneau solaire tombe en panne.”

L’équipe utilisera également le micro-réseau Emera DC sur la base aérienne de Kirtland pour voir comment un système à forte puissance électronique peut fonctionner et alimenter le port selon les besoins dans des scénarios d’urgence à faible consommation d’énergie, a déclaré Flicker.

Bien sûr, toute l’équipe de Sandia travaille en étroite collaboration, a déclaré Flicker. Par exemple, ils utilisent des boîtes à outils du Secure Scalable Microgrid Testbed et certaines des boîtes à outils de la NASA dans leurs simulations informatiques. Finalement, ils prévoient même de tester le contrôleur de Wilson dans leurs simulations de connexion, a déclaré Darbali-Zamora.

“Même si ce travail concerne un micro-réseau sur la lune, la recherche est également pertinente pour créer de la résilience pour les communautés sur Terre”, a déclaré Darbali-Zamora. “Je suis originaire d’une petite ville de Porto Rico. J’espère que certaines des leçons qui ressortent de ce projet en termes de résilience sont des leçons que je pourrai mettre en œuvre chez moi.”


La technologie améliore l’option solaire pendant les pannes


Fourni par Sandia National Laboratories

Citation: Powering the moon: Researchers design microgrid for future lunar base (2022, 5 mai) récupéré le 5 mai 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-05-powering-moon-microgrid-future-lunar.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.