Möjligheter och förutsättningar för lokala likströmsnät i hushåll

Kandidatexjobb Elektroteknik

Bachelor Thesis Project

KTH Skolan för Elektro- och Systemteknik

School of Electrical Engineering

Kandidatexjobb Elektroteknik

Bachelor Thesis Project

KTH Skolan för Elektro- och Systemteknik

School of Electrical Engineering

FÖRORD

Den föreliggande boken är en sammanställning av alla tekniska rapporter som skrevs i samband med kandidatexjobbskursen våren 2011 vid skolan för elektro- och systemteknik på KTH.

Kandidatexjobbet är avslutningsarbetet på den 3-åriga kandidatutbildningen. Den har en omfattning av 15 högskolepoäng och pågår under hela vårterminen. Kandidatexjobbet är obligatoriskt för att kunna ta ut sin kandidatexamen och för att kunna fortsätta den efterföljande 2-åriga mastersutbildning.

Kursen genomfördes för andra året i rad och är en del av den pågåenden omställningen av utbildningsstrukturen under Bologna-processen, inom vilken alla högskolor inom Europa anpassar sina utbildningar till samma 3+2-struktur. KTHs mål är att införa denna struktur utan att förlora den höga standarden på den svenska civilingenjörsutbildningen. Kandidatexjobbskursen består av ett eget handlett arbete med lösning av ett teoretiskt eller tekniskt problem i grupper av max 2 personer. Med hjälp av en seminarieserie, rapportskrivning, muntlig presentation och granskning av andras arbeten inövas färdigheter som skriftlig och muntlig kommunikation samt värdering av egna och andras resultat. Kursens uppbyggnad syftar till att vara en bra förberedelse inför det mer omfattande och självständigt examensarbete i slutet av mastersutbildningen

Genom kandidatexjobbet kan studenterna få en bra inblick i de olika avdelningar på skolan för elektro- och systemteknik, vilket hjälper inför valet av mastersinriktningen. I år erbjöds kandidatexjobbsprojekt på 11 av 12 avdelningar inom 5 olika kontext: teoretiska studier om hur människan kan leva på en månbas (Kontext A), teknikstödd koordination av räddningspersonal vid katastrofinsatser (Kontext B), utveckling av metoder för effektivare

energianvändning inom byggnader (Kontext C), automatisering av elektrisk infrastruktur i privathushåll (Kontext D) och utveckling av mätinstrument på en sondraket (inom ramen av RAIN-projektet) (Kontext E). Beroende på teknologernas val, bearbetades vissa teman av fler grupper, andra teman föll bort, vilket syns i den oregelbundna projektnumreringen i innehållsförteckningen.

Bland 52 teknologer fanns 38 studenter från skolan för elektro- och systemteknik, en australiensisk utbytesstudent och 11 studenter från skolan för teknikvetenskap. På en gemensam presentationsdag med skolan för teknik och hälsa presenterade alla kandidatexjobbsdeltagare sina färdiga arbeten i form av muntliga föredrag. Över 100 teknologer och deras handledare kunde då lyssna på avslutningspresentationerna av teknologer från 3 olika KTH-skolor inom vitt spridda teman.

Blandningen av engelska och svenska rapporter återspeglar den internationella miljön på KTH som har både en stor andel internationella studenter och utländska forskare. Språket i vilken kandidatexjobbetstiteln återges i

innehållsförteteckningen motsvarar språket i själva rapporten.

Varje kontext börjar med en gemensam sammanfattning skriven av alla teknologer inom samma kontext.

Sammanfattningen beskriver vad de olika projekten handlar om, vilka resultat man kom fram till och hur resultaten inom kontexten hänger ihop.

Ett stor tack till alla handledare, seminariehållare och inte minst alla teknologer för er stora insats som ledde till ett lyckat kursgenomförande trots alla nybörjarsvårigheter. Det var väldigt spännande och givande att organisera en sådan stor kurs för första gången. Ett speciellt tack gäller Stefan Karnebäck för samordnandet av en lyckad presentationsdag med skolan för teknik och hälsa, kurssamordnaren Joakim Lilliesköld för all hjälp under kursens gång och sist men inte minst Hanne Eklund för administrativt stöd.

Anita Kullen

Kursansvarig för kandidatexjobbskursen 2011 Skolan för elektro- och systemteknik

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

A. KONTEXT: PROJEKT MÅNBAS

5

A.1. Elförsörjning med solpaneler för månbas

7

A.2.

Månkommunikation

17

A.4. Brytning

av

månbaserat

He för användning som fusionsbränsle

38

A.5. Magnetisk skärmning av kosmisk strålning för månbas

50

B. KONTEXT: RÄDDNINGSPERSONAL I KRIS OCH KATASTROF

55

B.1. Positionering av räddningspersonal och material

58

B.2. Image- and video coding for rescue operations

67

B.3. Design av kommunikationsnätverk för nödsituationer

75

B.4. Robust punkt till punkt-kommunikation i kommunikationsnätverk

82

C. KONTEXT:

FRAMTIDENS

ENERGIBÄRARE

101

C.1.

Solcellspaneler

på

hustak

104

C.2. Hemautomation – sparar man så kostar det!

113

C.3. Möjligheter och förutsättningar för lokala likströmsnät i hushåll

123

C.4.

Miljövänligare

system

med

elmaskiner

134

C.5. Lågenergilampans funktion och egenskaper

145

D. CONTEXT:

THE

SMART

BUILDING

155

D.2.

Building

Automation

158

D.4.1. Cooperative networked control of autonomous ground vehicles

169

D.4.2. Cooperative networked control of autonomous ground vehicles

178

D.5.1. UAV in a smart home environment

190

D.5.2. Cooperative networked control of unmanned air vehicles

197

D.6.1. Movement detection and tracking using wireless camera networks

213

D.6.2. Movement detection and tracking using wireless camera networks

224

E. KONTEXT:

THE

SOUNDING

ROCKET

EXPERIMENT

239

E.1.

Strömförsörjningssystem

för

raketexperimentet

241

E.2.

GPS

experimentet

254

E.3.

The

GPS

experiment

267

E.4.

Data acquisition and communication systems for sounding rocket

experiment

280

E.5. Localization system and remote cutter for sounding rocket experiment 297

E.6. Aerosol collection turntable for a rocket-borne atmospheric study

308

Kontext A

Projekt Månbas

Introduktion och målsättning

På senare år har åter intresset för månen och möjligheten att bygga en permanent bas på denna vuxit. En av anledningarna till detta är att stora mängder energi teoretiskt skulle kunna utvinnas från helium-3 (3He) som antas finnas i stora mängder på månen. En annan anledning till att bygga en bas på månen och dess baksida är dess skyddade läge i fråga om störningar från jordisk radiostrålning, något som kan vara en stor fördel ur forskningssynpunkt. För att projektet ska kunna genomföras krävs att ett antal frågor utreds. Bland annat måste ett system för kommunikationen mellan månbasen och jorden tas fram och frågan hur energiproduktionen ska gå till bör utredas. Även frågor som hur ett skydd mot kosmisk strålning kan upprättas och hur förutsättningarna ser ut för gruvdriften är saker man måste ta hänsyn till innan man börjar bygget. För att ge svara på dessa frågor har ett kandidatexamensarbete upprättats och genomförts på KTH under våren 2011. Projektet har delats in i fyra olika delprojekt med egna delmål för att underlätta arbetet. De olika delprojekten och deras delmål är följande:

Delprojekt A1-Elförsörjning med solplaneler för månbas

(Avdelning: Rymd- och plasmafysik, handledare: Tomas Karlsson)

Kontext B börjar med projektet ”Positionering av räddningspersonal och material” som Målet med projektet är att utreda hur mycket energi som en eventuellt framtida månbas behöver för olika storlekar på populationen. Utöver detta ska solpaneler och energilagring på nätterna utvärderas för att maximal energiutvinning ska vara möjlig.

Bedömningsprocessen görs med avseende på behovet av mat och hur stort energikrav matproduktionen har per person och dag. På samma sätt ges värden på syreproduktion samt syretillförsel likväl som vattenförsörjning. Vid vattenförsörjning inkluderas reningssystem i bedömningsprocessen. Rapporten behandlar även lagring av energi via batterier där det jämförs med vanligt förekommande batterityper.

Delprojekt A2. Utformande av system för kommunikation mellan månen och jorden

(Avdelning: Elektroteknisk teori och konstruktion, handledare: Martin Norgren)

Detta projekt har målet att utreda hur kommunikationen skulle kunna möjliggöras mellan jorden och en bas på månens baksida. Man jämför tre olika kommunikationssystem; satellit-, antennlänk- och markvågssystemet, bland annat med avseende på överföringshastighet, energitillförsel och robusthet.

För att jämföra de tre systemen har olika kriterier använts, bland annat installationsarbete och systemens respektive arbetsfrekvens, men även omgivningens påverkan och systemens robusthet har analyserats.

Delprojekt A4. Brytning av månbaserat 3He för användning som fusionsbränsle

(Avdelning: Fusionsplasmafysik, handledare: Jan Scheffel)

Här utreds hur lönsamt det skulle vara att bryta 3He från månen för att använda som bränsle i fusionsreaktorer på jorden. Målet med projektet är att besvara om det skulle vara ekonomisk lönsamt att använda 3He som bränsle i en fusionsprocess tillsammans med deuterium, trots kostnaderna som uppstår, inte minst för att man måste transportera heliumet från månen till jorden. Målsättningen är även att först undersöka vilka fördelar fusionsprocessen D-3He har framför den typ av fusion som är aktuell i dagsläget, nämligen D-T fusion (deuterium-tritium-fusion). Bland undersökningarna ingår vilka typer av modifikationer som måste göras på dagens modeller av reaktorer för att få dessa att kunna hantera D-3He-fusion.

Delprojekt A5. Magnetisk skärmning av kosmisk strålning för månbas

(Avdelning: Rymd- och plasmafysik, handledare: Tomas Karlsson)

Projektet syftar till att med hjälp av matlab-simulering utreda möjligheten att skydda månbasen och dess personal från kosmisk strålning genom att använda ett artificiellt magnetfält som ska efterlikna det som skyddar oss här på jorden. Man utreder även hur stor strålning som bedöms farlig samt hur mycket av den farliga strålningen som är möjlig att skärma bort.

Resultat

Projektets har alltså främst syftat till att utreda några av de mest grundläggande frågor som uppstår då man överväger hur en eventuell månbas ska konstrueras. Sammanfattningsvis kan det klargöras att brytningsprocessen på månen kräver kommunikation mellan basen och mobila enheter. För att möjliggöra forskningsexpeditioner i närheten av månbasen krävs att personalen kan skyddas från kosmisk strålning och att både mat och utrustning kan få sina energibehov tillgodosedda.

Resultaten för de olika delprojekten visar på att energitillförseln fördelaktigt kan ske med solpaneler. En nackdel med detta system är att basen inte kommer ha direkt solljus hela tiden vilket medför att storleken på solcellerna måste dimensioneras så att de ger ett överskott av energi som även måste lagras via batterier eller bränsleceller för att täcka basens energibehov under nätterna.

Vidare rekommenderas en industriliknande brytningsprocess för själva utvinning av 3He. Strategin är att använda mobila enheter, den så kallade Mark II vid olika platser på månen för utförandet av brytningen samt att använda en central processanläggning vid månbasen för isotopuppdelning av gasen helium. Därefter skulle transporteringen av 3He från månen till jorden möjliggöras med en raket av VASIMR-konceptet som beskrivs i rapporten. Resultatet visar att det kan vara lönsamt att använda 3He som fusionsbränsle på jorden.

Vad gäller kommunikationen är ett satellitsystem att föredra i månbasens tidiga skede. Detta föreslås sedan kompletteras med ett antennlänksystem då basen och därmed överföringskraven av data växer. Detta kombinerade system har också fördelen, utöver god redundans att det spänner upp ett trådlöst nätverk på månens yta vilket är en förutsättning för gruvdriften. Eventuellt kan markvågssystemet fungera som nödsystem då det ordinarie kommunikationssystemet slås ut. Här måste dock konduktiviteten i månens yta utredas för att fastställa från hur långt in på månens baksida signalen kan höras. Vad gäller den magnetiska skärmningen ger simuleringar i Matlab att 30 % av strålningen kan skärmas bort med en enkel magnetisk modell bestående av endast en dipol. Slutsatser dras att om dipolen kombineras med ytterligare en dipol som placeras vinkelrät mot den första, kan en väldigt stor del av strålningen skärmas bort. Detta bör dock verifieras experimentellt i nästa skede av projektet. Det är således teoretiskt möjligt att skydda månbasen med magnetisk skärmning.

Tanken att utnyttja fusionsenergi på månen har inte varit projektets mening, därför kan det vara en rimlig målsättning att även utvärdera möjligheten att försörja månbasen med fusionsenergi. Vidare utredning om hur de olika delprojektens resultat kan realiseras på månen bör genomföras. En del av resultaten är också högst teoretiska och bör därför utredas i praktiskt antagande. En generell eller tydligare kostnadsbedömning för hela projektet och enskilda delar i projekten kan vara aktuellt i nästa steg.

Sammanfattning

I denna rapport tar vi bland annat upp d- n-av solceller i en solkraftsa n-Kalkylerna innefattar inte

p-, antingen

m-ns verkningsgrad eller som som energilagring, design och plac e-ring

1. Inledning Se

dock NASA (National Aero-nautics and Space Administration)

forskning om jordens tillblivelse och en even-tuell kolonisering av Mars.

n-ke skall

r--12 personer [1].

I denna rapport kommer vi att uppskatta totala u--500 personer. energibehovet av solcellerna. 70 % solljus. 2. I rapporten presente -500 habitater. Storlek, n-Energibehovet delas upp i tre faser

olika faserna representerar en utveckling i Fas 1: 1-5 personer

Fas 2: 8-15 personer Fas 3: 100-500 personer

skall ske, samt hur habitaterna skall sig. r-levnad . 2.1 Mat u-derat 2) samtidigt som den upptar koldioxid (CO2),

produktion av vatten sker via ver vattna farmen lika ofta.

gjord under antagandet 3000kcal per person och dag.

uppskattats till ca 3.55 kW per person/dag[3]. Dvs. i fas 1 kommer det

6479 kW, i fas 2 19436 kW samt fas 3 648 MW.

Tabell 1. Energ i as-farm.[3 ]

Alan Anter

Nima Mirzazadeh

Tabell 1 presenterar energiförbrukning av en månbasfarm där man producerar vete. Vete tillför syre (O2) samtidigt som den upptar kol-dioxid (CO2) [3].

2.2 Syre

Det finns ett tjugotal sätt att producera syre på månen. De mest lovande metoderna är reduce-ringen av ilmenit (FeTiO3) med H2 och elekt-rolys av smält kisel (magma) [4]. En människa använder sig av 550 liter syre per dygn. Dvs. 550 ∗ 365   =  200750   l/år. Enligt tabell 2, ser vi att det krävs 800kW för 100ton/år. För att beräkna hur stor effekt som behövs för att täcka en persons syreförbrukning gör vi föl-jande beräkning:

2000750   ∗  1.4  /  1000   =  281  kg/år (1,4 gram/l densitet för luft)

(281/100000)  ∗  800   =  2,248  kW/person 2.3 Vatten

Rapporten kommer endast behandla dricksvat-ten då vatdricksvat-ten för resterande funktioner kan återvinnas eller renas. Reningssystem behand-las senare i rapporten

I tabell 3 återges en daglig förbrukning av dricksvatten (mL). Genomsnittliga förbruk-ningen är 72853 mL (73L)[6].

I tabell 4 presenteras en uträkning utvinning av vatten. Vi dricker ca 3.6kg vatten om dagen. Extraktion av en hydratiserad sten kräver.

Enligt beräkningen kräver varje person ca 2,2 kW för syreproduktion.

Tabell 2. Energi för syreproduktion.[5]

125W[tabell 4] samt producering 8lb vatten tar en timme[7]. Nedan beräknas extraktion av syre från en hydratiserad sten.

8lb/hr [7] 8lb = 3,6kg 3,6 ∗ 24h =  87.1  kg/dygn   = 125kW Dricksvatten 17liter (17/87.1)*125 = 24kW/person (Vatten produktion).

Tabell 4. Producering av vatten[7]

3. Reningsverk

Vi uppskattar energiåtgången för vattenrening genom att använda ett kommersiellt system av märket BAGA som modell för hur reningen kan ske o en månbas.

Detta reningsverk har en låg energiåtgång på några kWh per månad och noll energiförbruk-ning när inget förorenat vatten tillförs. Den minsta modellen kan rena vatten för 8 hushåll [9]. Ett vanligt reningsverk kräver 0.06kW medan BAGA endast kräver 0.004kW

Vanliga:(5700 000 * 3600)/(360*24*3600) = 0.06kW

BAGA:(3 * 3600)/(30 * 24 * 3600)=0.004kW Eftersom förbrukningen är så pass låg kommer detta att försummas i den sammanställda tabel-len.

Tabell 6. Genomsnittligförbrukning inom diverse områden[10]

4. Elförsörjning

I denna artikel används energiförbrukningen för en villa som modell för en månbas energi-förbrukning. Det finns andra faktorer som är betydande för en månbas, t.ex. forskningsut-rustning m.fl. Då detta varierar signifikant beroende på utrustning ärvilla det mest ideala valet då den uppfyller det överläggande ener-gibehoven. I tabell 5

presenteras den årliga energiförbrukningen för tre separata villor, medan i tabell 6 redovisas en genomsnittlig användning inom respektive förbrukningsområde.

Efter en sammanställd undersökning i Järfälla kommun bland villaägare visade de sig att den genomsnittliga elförbrukningen är ca 24000 kWh/år [Tabell 2].

Tabell 5. Energiförbrukningen för tre en-skilda villor.

Tabell 7 presenteras den totala energiförbruk-ningen för respektive fas och område.

Tabell 7. Sammanställda tabellen över energiförbrukningen Villa(1-­‐5)   kWh/år  

1   22589  

2   23872  

5. Solceller

Den långa dagen på månen (15 dagar) följt av en lika långa natt, gör att hänsyn till eventuell energilagring måste tas. Placeringen av solcel-lerna är viktig då höjningar i marken (berg etc.) gör att konstans solljus inte kan fås på alla platser.

Solceller fångar solens energi och omvandlar till elektricitet. En stor fördel med solceller är att de inte behöver vara under direkt solljus

utan kan producera el, även under molniga dagar.

Solcellerna är vanligtvis gjorda av två lager halvledande material, merendels kisel. När solljus träffar cellerna produceras ett elektrisk-fält, ju mer solljus desto mer el produktion. En typisk solcell för en villa producerar ca 40 % av den elen som används på ett år[11].

Tabell 8. Olika typer av solceller

I tabell 8 redogörs två olika typer av solceller, kisel(Si), galliumarsenid(GaAs) som kan vara grundläggande solceller för att drivs månbas. Den totala massan är beräknad för en 100 kW dagtid effektbehov och 50 % natt makten, med

antagande om 80 % lagring. GaAs levererar 300W/kg samt Si levererar 130W/kg. Vilket i en räkning med det totala behovet för respek-tive fas[Tabell 8] ger: [kg].

5.1 One Crater Shackelton rim site

Platsen One Crater Shackleton rim site (plats A1 I figur 3) är med sin 70 procentiga solljus-faktor, den plats på månens sydpol som är bäst belyst [12]. Mätningarna gjordes i ett projekt som NASA tillsammans med Strategic De-fense Initiative Organization gjorde 1994, där man skickade upp en rymdsond I rymden med avsikt att samla information kring instrument som används i rymden under en längre period. Figur 4 visar hur schemat för sonden såg ut. Utvärderingarna gjordes under tre en-månadsperioder, kallade Clementine Lunar Day 1-3. Under dessa mån-dagar (perioder om ca 30 dagar) mottogs en rad mätdata. Ur data som erhållits kunde man bland annat se vilka dagar solljusfaktorn var bra respektive dåliga. Tabell 10 visar en sammanställning av upp-mäta soljusfaktorer och energilagrings timmar för olika förhållanden. Det ideala fallet vore givetvis 100 % solljus dygnet runt.

För att detta ska kunna uppfyllas krävs en

Figur 3. En överblick över potentiella plat-ser att placera solceller på, vid månens

sydpol [3].

Material Fas1(1-5) Fas2(8-15) Fas3(100-500

Si 160-800 1280-24001 16006-80030

Figur 4. schema för Clementine

Ett torn på 100m skulle behöva 72 timmars uppladdning för en timmes användning. Det kan alltså förkortas till 70 timmars uppladd-ning om tornet byggs ytterligare 100m högt. Med ett torn på 1600m kan uppladdningstiden reduceras till 29 timmar. För att nå idealfallet dvs. att man bygger ett torn som är tillräckligt högt för att undvika de skuggor som uppstår, krävs ett 3100m högt bygge.

5.2 Solcellernas placering

De rapporterna vi läst behandlar alla solceller-nas effektivitet då solljuset infaller i olika vinklar. Slutsatsen är att solcellerna har högst verkningsgrad då solljuset infaller vinkelrätt mot solcellerna. Detta innebär att solcellernas placering och vinkling kommer att spela stor roll för hur stor del av det faktiska solljuset dessa kan ta in och behandla. För att undvika att gå miste om energi ser [5] och [13] över lösningar där cellerna vinklas under sol- upp- och nedgång.

Fördelen med en rörlig solcell som justerar sig så att solljuset alltid infaller vinkelrätt mot ytan är att 100 % av det effektiva solljuset nyttjas. Nackdelarna blir givetvis att solcellen får större massa, mer rörliga delar (dvs. mer som kan gå sönder) och montagehinder. Ett manu-ellt styrsystem på cellerna skulle innebära att någon hela tiden måste rotera solcellerna så att vinkelrät infallsvinkel av solljuset erhålls. En nackdel är den schemaläggning av handha-vande som måste ske. Systemet skulle möjlig-en vara verksamt vid ett mindre hushåll, med blir ganska orealistiskt vid större befolknings-mängder.

Figur 5, celler som är vinklade med vinkeln !.

Det tredje alternativet som tas upp är det med vinklade celler enligt figur 5. Fördelen med dessa är anordningens motorik som blir myck-et enklare. Anledningen till varför man skulle vilja bygga vinklade fasta solceller är just för att fånga solljuset under sol upp- och nedgång. I [4] tar man upp de vinklade solcellerna täm-ligen detaljerat. Nedan visas beräkningen på effektstorleken som fås vid vinklat infall jäm-fört med normalinfall.

Upplägget ser ut så att två solceller vinklade med vinkeln ! från horisontalplanet tar emot solljus. I tabell 11 visas vad alla termer bety-der.

Tabell 11. Termernas betydelse.

Ekvationen ovan visar hur den genomsnittliga effekten under dagtid ser ut. Figuren visar att maximal effekt fås vid !=0 dvs. vid en hori-sontalt ställt solcell. Effekten blir då !

! vilket

kan jämföras med de rörliga solcellerna då Pave = 1.

Nedan visas ekvationen för effekten under soluppgång och solnedgång vilket är den-samma.

5.3 Lagringsystem

Ett bra lagringsystem är kritiskt för en perma-nent månbas pga. de långa nätterna. I denna rapport behandlas fyra olika lagringsmetoder varav två typer av batterier en bränslecell samt en termokemisk.

Enligt de studier vi har överkommit[14,15,16] har bränsleceller vara de mest effektiva lag-ringssystemen pga. sin höga verkningsgrad på teoretiska 83 % men verkliga 35-60% bero-ende på bränslecell. En fördel med bränslecel-ler är att den inte förlorar verkningsgrad vid nedskalning.

Det finns tre huvudtyper av bränsleceller, Hög-temperatur, medel-temperatur samt låg tempe-ratur. HT och LT medför komplikationer då höga temperaturer ger materialproblem samti-digt som LT kräver dyra katalytiska elektroder, därav är MT det mest lovande valet då den kombinerar fördelarna av HT och LT bränsle-celler.[17]

Den effektivaste elektrolyten är väte och syre. Den kan ge effekt på 300-1000Wh/kg[18]. Vikten är beräknad för 100kW dagtid behov och 50 % natt vid en 80 % effektiv lagring

P = effekt som fås ut vid vinklat infall. ! = solljusets infallsvinkel

Tabell 12. Lagring av energi.

Tabell 13. Antalet Wh de krävs för 15 dagar per respektive fas[Bild 8]

I tabell 13 redovisas den totala energiåtgången över 15 dagar. 15 ∗ 24   =  360 360 ∗ !"##$%  !  !"#$%%  13  vilket ger en

sammanställd summa för respektive fas i tabell 13.

Figur 7. Elektrolys bränslecell vätgas

5.3.1 Andra typer av bränsleceller:

PAFC - Fosforsyrabränslecell (Phosphoric

Acid Fuel Cell)

PEMFC - Polymerelektrolytbränslecell (Poly-mer Electrolyte Membrane Fuel Cell) MCFC - Smältkarbonatbränslecell (Molten Carbonate Fuel Cell) SOFC - Fastoxidbränsle-cell (Solid Oxide Fuel Cell) AFC - Alkalisk bränslecell (Alkaline Fuel Cell) DMFC - Di-rektmetanolbränslecell (Vanligen av PEFC-typ).[19] Mer om bränslecellerna kan läsas här: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuel

5.3.2 Termokemisk solenergi

Termokemisk solenergi är en omvänd reaktion av CaO+H2O = Ca(OH)2.

Fördelen med termokemisk solenergi är att den kan producera elektrisk energi både under natten och dagen Den producerar 155 Wh/kg. På senare år har termokemiska lagringssystem undersökts som alternativ solenergilagring på jorden. System fungerar genom att lagra sole-nergi som reaktion värmet av en reversibel kemisk reaktion. Reaktionen mellan vatten och kalciumoxid är ett bra exempel. Den produce-rar stora mängder värme: CaO + H20 _ Ca (OH) 2 + värme

En ytterligare fördel är den stora mängden (16 %) av CaO som är en viktig beståndsdel i månens ytskikt. Det resulterar i reducerad massa som behöver transporteras från jorden då man använder sig av månens råmaterial[14] De finns två metoder som används, sensibel värme (25 till 510 C) samt värmen från reakt-ionen. Den kemiska cykeln kan delas upp i laddningscykeln som sker under dagen och urladdningscykel som sker under natten. Under dagen värms Ca(OH)2 upp med hjälp av solen till ca 510 C då produceras CaO och ånga som man kondenserar till vatten för att senare under

bildar en omvänd reaktion som bidrar till hög värmeavgivning[16].

5.3.3 Flow battery

Flow batterytekniken består av elektrolytreser-voarer, där elektrolyterna sprids via en cell som är delad av ett membran. Cellen består av en katod och en anod.

Volymen av elektrolyten avgör energitätheten i sådana system.

Figur 8. Specefik energi / Wh-1

Densiteten i flow batteri system beror på effek-tiviteten på reaktionen vid anod respektive katod.

För närvarande finns de tre typer av flow batte-rier.

• polysulphide bromide (PSB) • vanadium redox (VRB) • zinc bromine (ZnBr).

Dessa sorter av batterier har en lagrings-kapacitet på 75-85%. Avvikelser kan före-komma over enskilda celler. Varje cell kan producera 1,4-1,8V per cell. Serie/parallell koppling av dessa celler kan resultera I hög ström och hög spänning. Fördelen med dessa batterier är självurladdningen begränsas av den isolerade lagringen av elektrolyter.

Nackdelen är en ökad kapital och driftkostnad. Kvoten mellan framställning av dessa batterier gentemot utvunnen effekt, t.ex. (ZnBr) kräver extra pumpar för att cirkulera brom som i sin tur kräver energi och plats som man inte har råd med [18]

5.3.4 Litiumbatterier

Vanligast bland laddningsbara batterier är s.k. litiumbatterier. Batterierna är lättanvända och

Nackdelarna är den höga kostnaden samt att urladdningarna påverkar dess livslängd. Om man tänker sig att en uppladdning är 15 måndagar och en urladdning är 15 månnätter (1 cykel) så räcker batterierna relativt länge. Detta skulle innebära att batterierna skulle räcka i ungefär 1000 månader vilket är en fungerande lösning om man ser det i hel-het.[18]

Slutsats

Vi har studerat energiåtgången för tre olika storlekar på en månbas.

Resultaten visar att den mest krävande ener-giåtgången är vatten, syre, temperaturreglering samt habitat. Enligt tabell 7 kräver vattenpro-duktion 2400-12000kW för fas 3 vilket utgör det dominerande energibehovet.

En människa äter ca 3000kcal/dag vilket ger ett energikrav på 3.55kW/dag samt 355-1775kW för fas 3.

Schakelton Crater som befinner vid månens sydpol är den mest gynnsamma placeringen av en månbas, utifrån krav om största möjliga solbestrålning. Tillsammans med rörliga sol-celler av materialet galliumarsenid(GaAs), som med sin låga vikt levererar 300W/kg, samt kompletterande lagringssystem, är i skrivande stund är detta bästa alternativ för att försörja en månbas. Fördelen med rörliga solceller är dess funktion att justera sig så att solljuset alltid infaller vinkelrätt mot ytan vilket resulterar i 100 % nyttjande av solljuset. För att detta ska kunna uppfyllas krävs en upphöjning (i form av ett torn eller liknande). Enligt våra studier förefaller det mest lovade lagringsystemet vara bränsleceller(RFC) pga. deras höga verknings-grad på teoretiska 83 % och det faktum att de inte förlorar i verkningsgrad vid nedskalning. Ett teknisk enklare alternativ är litiumbatterier. Även termokemisk solenergi är ett alternativ då dess största fördel är energiförsörjning både natt och dag i form av reversibla kemiska re-aktioner.

Referenser

[1] Mendell, W. W. (ed.), Lunar Bases and Space Activities of the 21st _{Century, The Lunar} and Planetary Institute, Houston, ISBN 0-942862-02-3, 1984.

[2]JamesFincannon,LUNARSOUTHPOLE

ILLUMINATION: REVIEW,

REASSESSMENT, AND POWER SYSTEM IMPLICATIONS, National Aero- nautics and Space Administration, Glenn Research Center, Cleveland, Ohio (2007)

[3] Salisbury, F. B. & Bugbee, B. G, Wheat

Farming in a Lunar Base, 1985, s.639

[4] Lawrence A. Taylor & W. David Carrier III, Oxygen production on the moon s.69 [5] Geoffery A. Ladis, Sheila G. Baily, David J. Brinker, Dennis J. Flood, Photoloctaic

pow-er for lunar base, s.198

[6] M.Bamsey, A.Berinstain, Four-month

Moon and Mars crew water utilization study conducted at the Flashline Mars Arctic Re-search Station, Devon Island, Nunavut, s.1266

table 9.

[7] A.E Wechsler, P. E.Glaser, A. E. Germeles,

Investigation of water extracion processes for use on the moon

[8] Vatten av avloppsverksamhet:

http://www.borlange-energi.se/sv/Vatten--Avlopp/Fakta/

[9]Reningsverk:www.baga.se/dokument/renin

gsverk_easy_instr.pdf

[10]Online beräkning av energiförbrukning http://energikalkylen.energimyndigheten.se/S mahus_Nulage

[11]Producering av solceller

http://www.energysavingtrust.org.uk/Generate-[12] JamesFincannon,LUNARSOUTHPOLE

ILLUMINATION: REVIEW, REASSESSMENT, AND POWER SYSTEM IMPLICATIONS,

National Aero- nautics and Space Administra-tion, Glenn Research Center, Cleveland, Ohio (2007)

[13] Hoyt McBryar, et al, CONCEPTUAL

DESIGN OF A LUNAR BASE SOLAR POWER PLANT, Eagle Engi- neering, Inc. Houston,

Texas (1988)

[14] Fujii, I., et al.: Studies of an Energy Stor-age System by

Use of the Reversible Chemical Reaction: CaO + I-I20 _ Ca(OH)2, Solar Energy, Vol. 34, Nos. 4-5, 1985, pp. 367-377.

[15] Fujii, I.; and Tsuchiya, K.: Experimental Study of Thermal Energy Storage by Use of Reversible Chemical Reactions. Alternative Energy Sources, Vol. 9, T.N. Veziroglu, ed., Hemisphere Publishing Co., Washington, D.C., 1978, pp. 4021-4035.

[16] Maria E. Perez-Davis Lewis Research

Center Cleveland, Ohio, Energy Storage for a

Lunar Base by the Reversible ChemicalReac-tion: CaO +H20 _ Ca(OH)2, June 1990 [17] Bränslecellers kemiska reaktion http://fy.chalmers.se/ef/Brcell.htm

[18] Professor Peter J. Hall and Dr Euan J. Bain Department of Chemical and Process Engineering University of Strathclyde Glas-gow, Energy-storage technologies and electric-ity generation

[19]http://sv.wikipedia.org/wiki/Br%C3%A4n sl

S

AMMANFATTNING

Denna rapport ¨ar resultatet av ett

kan-didatexamensarbete vid KTH. M

˚alet har

varit att ta fram ett system f ¨or

kommu-nikation till och fr ˚an m ˚anen, i syfte att

klarg ¨ora hur det problemet f ¨or en

framti-da m ˚anbas kan l ¨osas. Litteraturstudier och

diskussioner ligger till grund f ¨or

resulta-ten. Under arbetet har ett satellitsystem,

ett l¨anksystem samt ett markv ˚agssystem

j¨amf ¨orts. Slutsatsen som dras ¨ar att vilket

system som b ¨or anv ¨andas ¨ar beroende p ˚a

vilka krav som st ¨alls. F ¨or en mindre

befolk-ning som framf ¨orallt forskar, anses att ett

kommunikationssystem byggt p ˚a endast

satelliter ¨ar det b ¨asta. F ¨or en st ¨orre

befolk-ning rekommenderas en kombination av

l ¨ank- och satellitsystem.

1 I

NLEDNING

Projektet g ˚ar ut p ˚a att unders ¨oka och

j¨amf ¨ora f ¨oreslagna l ¨osningar f ¨or hur

kom-munikation mellan jorden och m ˚anens

baksida kan uppr ¨atth˚allas. Syftet med

detta ¨ar att, fr ¨amst med hj ¨alp av

littera-turstudier, utreda hur kommunikationen

kan ske f ¨or den framtida koloniseringen

av m ˚anen och dess baksida. Aspekter som

till exempel kostnad, tillf ¨orlitlighet, st ¨od

f ¨or datam ¨angd och underh ˚all kommer

att beaktas f ¨or de olika systemen var

f ¨or sig och sedan j ¨amf ¨oras inb ¨ordes,

f ¨or att p ˚a detta s ¨att hitta den b ¨asta

l ¨osningen. De tre alternativa tekniker som

ska unders ¨okas ¨ar markv ˚ags-, satellit- och

antennl ¨ankssystemen.

P ˚a grund av att m ˚anen hela tiden har

samma sida v ¨and mot jorden [

1

], uppst ˚ar

kommunikationsproblem vid ett eventuellt

bygge av en m ˚anbas p ˚a m ˚anens baksida.

- Hur kommunicerar man med jorden d ˚a

man befinner sig p ˚a andra sidan av en

tjugo miljarder kubikkilometer stor sf ¨ar?

Fr ˚agan ¨ar sv ˚ar att svara p ˚a, d ˚a kraven

som st ¨alls p ˚a kommunikationen varierar

beroende p ˚a hur m ˚anga som bor p ˚a basen

och vad den anv ¨ands till. ¨Ar r ¨ostsamtal

n˚agot som kommer finnas tillg ¨angligt

f ¨or eventuella m ¨anniskor boendes p ˚a

basen? Kommer de att ha tillg ˚ang till

Internet? Man kan ¨aven fr ˚aga varf ¨or man

bygger en bas p ˚a baksidan d ˚a bland

annat kommunikationen skulle underl ¨attas

avsev ¨art om basen ist ¨allet placerades p ˚a

framsidan. En anledning skulle kunna

vara kommersiell exploatering av m ˚anens

naturresurser som vid till exempel

metall-/mineralfyndigheter [

2

]. En annan

an-ledning kan vara det faktum att m ˚anens

baksida ¨ar totalt avsk ¨armad fr ˚an jordiska

st ¨orningsk ¨allor och fr ˚an st ¨orningar fr ˚an

solen under halva m ˚ancykeln (ca 14

da-gar), vilket g ¨or platsen optimal f ¨or studier

av den fria (yttre) rymden [

3

]. Under

andra halvan av m ˚anens cykel kan solen

observeras.

1

n

o

it

a

k

i

n

u

m

m

o

k

n

a˚

M

:e

r

a

t

t

a

f

r

o¨

2 F ¨

ORKORTNINGAR

APAA - A ctive Phased A rray A ntenna

CMMA - C ompact M icrostrip M onopole A ntenna

EBGS - Earth- B ased G round System

’ fHCFA - folded H ilbert C urve Fractal A ntenna

Gbps - G igabit per sekund

IPN - I nterPlanetary N etwork

LCT - L unar C ommunication T erminal

LOS - L ine O f Sight

LRS - L unar R elay Satellite

SNR - Signal to N oise R atio

Tbps - T erabit per sekund

WLAN - W ireless L ocal A rea N etwork

F ¨or Frekvensband och dess

f ¨orkortningar, se bilaga

2

2

Tabell 2

Frekvenser och dess f ¨orkortningar

Frekvens Namn Bandfo¨rkortning Va˚gla¨ngd

3-30 kHz Very low fre VLF 10-100 km

30-300 kHz Low fre LF 1-10 km

300 kHz- 3 MHz Medium fre MF 100 m - 1 km

3-30 MHz High fre HF 10-100 m

30-300 MHz Very high fre VHF 1-10 m

300 MHz- 3 GHz Ultra high fre UHF 0.1 - 1 m

3-30 GHz Super high fre SHF 1-10 cm

30-300 GHz Extreme high fre EHF 1-10 mm

Tabell 3

EU, NATO, US samt IEEE’s frekvensbeteckningar

EU, NATO, US IEEE

A band 0 to 0.25 GHz L band 1-2 GHz B band 0.25 to 0.5 GHz S band 2-4 GHz C band 0.5 to 1.0 GHz C band 4-8 GHz D band 1 to 2 GHz X band 8-12 GHz E band 2 to 3 GHz Ku band 12-18 GHz F band 3 to 4 GHz K band 18-27 GHz G band 4 to 6 GHz Ka band 27-40 GHz H band 6 to 8 GHz V band 40-75 GHz I band 8 to 10 GHz W band 75-110 GHz J band 10 to 20 GHz Millimeter band 110-300 GHz K band 20 to 40 GHz

L band 40 to 60 GHz M band 60 to 100 GHz

3

G

RUNDL

AGGANDE

¨

ANTENNBE

-GREPP

F ¨or att f˚a f ¨orst˚aelse f ¨or hur ett

kommu-nikationssystem p˚a m˚anen b ¨or designas

kr¨avs en viss grundl¨aggande antennteori,

d¨arf ¨or ges h¨ar en kort ¨overblick. L¨asare

som k¨anner sig s¨akra p˚a dessa begrepp

och grundl¨aggande antenntyper kan g˚a

direkt till kapitel 7.

3.1

Elektrisk storlek

Elektrisk storlek ¨ar ett m˚att p˚a hur stor

an-tennen ¨ar i f ¨orh˚allande till v˚agl¨angden vid

vilken den arbetar. Vill man ha ett v¨alriktat

str˚alningsf¨alt och en stor f¨orst¨arkning (se

ne-dan) ¨ar en elektriskt stor antenn att f ¨oredra

d˚a dessa ofta ¨ar b¨attre p˚a att rikta signaler

i en specifik riktning ¨an elektriskt sm˚a

antenner. En antenn klassas som elektriskt

stor om dess huvudaxel ¨ar minst hundra

v˚agl¨angder l˚ang och elektriskt liten om

den ¨ar mindre ¨an en tiondels v˚agl¨angd [

4

,

p. 11].

3.2

Str ˚alningsdiagram

Detta ¨ar en av de viktigaste faktorerna vid

val av antenntyp eftersom det beskriver

det utstr˚alade f¨altets relativa styrka i

oli-ka riktningar, se figur 1. Det utstr˚alade

f¨altets effektdensitet kan ber¨aknas genom

[

5

, p.11]

p =

(E(θ, φ))

2

η

(1)

d¨ar η

¨ar v˚agimpedansen i vakuum,

som brukar approximeras till 120π Ω.

Om str˚alningsdiagrammet plottas relativt

f¨altstyrka i enhet [V/m] eller

effektden-sitet [W/m

_{] kallas det f ¨or ett}

abso-lut str˚alningsm ¨onster. Det beskriver

in-te bara anin-tennens egenskaper utan ocks˚a

s¨andarens, eftersom f¨altstyrkan ¨aven

vari-erar med beroende p˚a effekt. Ofta plottar

man dock str˚alningsdiagrammet relativt

ett referensv¨arde, till exempel maxstyrkan.

F ¨or ett kommunikationssystem p˚a m˚anen

¨ar enbart fj¨arrf¨altet intressant.

3.3

Str ˚alningsintensitet, [U ]

Str˚alningsintensiteten, U

¨ar effekt per

rymdvinkelsenhet och ¨ar effektintensiteten

utan dess avst˚andsberoende, allts˚a

obero-ende av avst˚andet fr˚an antennen [

5

, p.102]

U = p(θ, φ)

(2)

3.4

Direktivitet, [D]

Direktiviteten ¨ar ett m˚att p˚a en antenns

f ¨orm˚aga att koncentrera str˚alad effekt i en

viss riktning, och ber¨aknas genom att ta

f ¨orh˚allandet mellan str˚alningsintensiteten i

denna riktning och str˚alningsintensitetens

medelv¨arde ¨over alla riktningar, enligt [

5

,

p.101]:

D(θ, φ) =

U (θ, φ)

U (θ, φ)

(3)

Om inte riktningen anges avses den

rikt-ning d¨ar str˚alrikt-ningsintensiteten ¨ar maximal.

3.5

F ¨

orst ¨arkningen, [G]

F ¨orst¨arkningen ¨ar en av de viktigaste

para-metrarna f ¨or en antenn och ¨ar ett m˚att p˚a

hur mycket av antennens totalt f ¨orbrukade

effekt som str˚alas ut i en viss riktning. Den

definieras som produkten av

direktivite-ten, D och effektivitedirektivite-ten, ν enligt [

6

, p. 61]:

G(θ, φ) = νD(θ, φ)

(4)

Om

inte

riktningen

¨ar

specifice-rad s˚a ¨ar det riktningen f ¨or maximal

str˚alningsintensitet.

3.6

Str ˚alningsbredd

Str˚alningsbredden definieras som

vin-keln ut till halva maxv¨ardet p˚a

hu-vudloben. Det ¨ar den sektor av det

totala str˚alningsspektrat vid vilken

an-tennens

utstr˚alande

effekt

¨ar

st ¨orst.

Str˚alningsbredden m¨ats i grader. En del

antenner har str˚alningsdiagram best˚aende

av flera lober, se figur 1 - i dessa fall kan

inte begreppet anv¨andas.

Figur 1. Schematisk skiss ¨over ett str ˚alningsdiagram med en dominerande huvudlob och

flera sidolober.

3.7

Polarisation

Antennens str˚alning kan vara

cirkul¨ar-linj¨ar- eller elliptiskt polariserad. Detta

in-neb¨ar att den elektriska vektorn har en

speciell riktning f ¨or alla punkter i rummet.

I tre dimensioner g¨aller att om den

elekt-riska f¨altvektorn ¨ar vertikal eller ligger i

ett vertikalplan ¨ar v˚agen

vertikalpolarise-rad, ligger den i horisontalplanet ¨ar den

horisontalpolariserad. Om den elektriska

v˚agvektorn roterar runt i en cirkul¨ar

ba-na, s¨ags v˚agen vara cirkul¨arpolariserad.

En s˚adan polarisation uppkommer d˚a tv˚a

linj¨arpolariserade v˚agor kombineras, det

vill s¨aga att de skickas samtidigt med en

fasf ¨orskjutning p˚a

radianer. ¨

Ar de av

olika amplitud leder detta till elliptisk

po-larisation [

5

, p.7]. F ¨or frekvenser under

1000 kHz ¨ar vertikalpolariserade v˚agor att

f ¨oredra d˚a horisontalpolariserade v˚agor

of-ta sl¨acks ut av spegling i markyof-tan [

5

,

p.6-8].

4

A

NTENNTYPER

Den enklaste antenntypen ¨ar den s˚a

kalla-de korta dipolantennen, vilket ¨ar en kort

tr˚ad med en likformig str ¨om som flyter

l¨angs dess axel. Med kort menar man h¨ar

att l¨angden p˚a dipolen ¨ar betydligt

mind-re ¨an halva v˚agl¨angden p˚a den genemind-rera-

generera-de elektromagnetiska v˚agen. Antenner kan

delas in i fyra klasser baserat p˚a hur de

beter sig i f ¨orh˚allande till v˚agl¨angden, som

beror p˚a frekvensen antennen ¨ar byggd f ¨or.

I Tabell 1 visas hur denna indelning ser ut.

Tabell 1

Tabell ¨over antenngrupper. Data taget fr ˚an [

4

].

Namn Anv¨andningsfrekvens Elektriskt sm˚a antenner ≤ HF

Resonanta antenner HF → l¨agre GHz-banden Bredbandiga antenner VHF → mellersta GHz-banden Apertur-antenner ≥ UHF

4.1

Elektriskt sm ˚a antenner

Detta ¨ar den strukturellt enklaste antennen

och de f ¨orsta antennerna som tillverkades

tillh ¨orde denna typ [

4

]. En elektriskt liten

antenn beh ¨over dock inte vara liten rent

fy-siskt, d˚a v˚agl¨angden som best¨ammer dess

storlek kan vara relativt stor.

Karakteris-tiskt f ¨or dessa antenner ¨ar att de har en

enkel struktur, och att de ¨ar ok¨ansliga f ¨or

konstruktionsdetaljer. P˚a l˚angt h˚all ¨ar f¨altet

oberoende av antennens storlek och det

beter sig som en elektrisk- och/eller

mag-netisk dipol. Till dess s¨amre egenskaper

h ¨or d˚alig f ¨orst¨arkning och l˚ag bandbredd

[

4

]. Detta v¨ags dock ofta upp av f ¨ordelar

p˚a mottagarsidan som f ¨ordelaktig storlek,

vikt och kostnad [

4

]. Ett par klassiska

an-tenntyper som klassas som elektriskt sm˚a

¨ar ideal dipolantenn, kort dipolantenn och

monopolantenn.

4.2

Resonanta antenner

Dessa antenner ¨ar byggda f ¨or att fungera

vid en viss frekvens, resonansfrekvensen.

Antennen fungerar som en elektrisk

re-sonator - en st˚aende v˚ag uppst˚ar s˚aledes

i antennen som ger upphov till en stark

elektromagnetisk v˚ag. Detta inneb¨ar att

resonanta antenner fungerar b¨ast vid sin

resonansfrekvens, och har dessutom god

riktverkan.

4.3

Bredbandiga antenner

H¨ar finns antenner som karakteriseras av

en stor bandbredd med f ¨orst¨arkning som

¨ar svag eller i b¨asta fall m˚attlig. Det r˚ader

viss os¨akerhet kring n¨ar en antenn skall

betraktas som bredbandig, men en

defi-nition lyder att s˚a l¨ange f ¨orst¨arkningen

f ¨orblir mer eller mindre of ¨or¨andrad ¨over

ett brett frekvensregister klassas antennen

som bredbandig [

4

, p.225]. Hur

anten-nen utformas f ¨or att bli bredbandig ¨ar ett

komplicerat omr˚ade. F ¨or en mer ing˚aende

f ¨orklaring, se till exempel [

4

], [

5

], [

7

]. Ett

exempel p˚a hur en bredbandig antenn ser

ut kan ses i figur 2.

Figur 2. En bredbandig logperiodisk antenn byggd f ¨or att jobba ¨over ett brett

frekvens-omr ˚ade, med j ¨amn f ¨orst ¨arkning ¨over hela registret. [

4

, p.10]

4.4

Aperturantenner

Till denna kategori h ¨or bland annat de

s˚a kallade hornantennerna och

parabol-antennerna. Gemensamt f ¨or dem ¨ar

de-ras h ¨oga f ¨orst¨arkning tillsammans med

deras relativt smala bandbredd. Genom

¨oppningen som h ¨or till varje

aperturean-tenn, ’leds’ v˚agorna in mot v˚agledaren. En

i rymdkommunikationssyfte bra egenskap

med dessa ¨ar att f ¨orst¨arkningen ¨okar med

¨okande frekvens, likv¨al som det faktum att

huvudloben har god riktverkan.

5

S

ATELLIT

Det kanske mest realistiska s¨attet att

kom-municera med m˚anen, inkluderat dess

baksida, ¨ar via satelliter. ¨

Aven i de fall

d˚a s¨andare p˚a m˚anens framsida har

jor-den inom LOS, kan rel¨asatelliter hj¨alpa till

att reducera behovet av starka s¨andare,

detta genom att vidarebefordra

informa-tionen. Satelliten fungerar d˚a som

mellan-stegsf ¨orst¨arkare och kan rikta signalen mot

den del av jorden d¨ar mottagare finns. F ¨or

detta syfte kan man anv¨anda de satelliter

som redan idag finns i omlopp runt jorden,

och p˚a s˚a s¨att slippa ta itu med

proble-met som jordens atmosf¨ar orsakar. Om

sa-telliter anv¨ands som prim¨ar

kommunika-tionsv¨ag fr˚an m˚anens baksida ¨ar placering

och typ bland de viktigare sakerna att ta

st¨allning till.

5.1

Frekvensomr ˚ade

Dagens satelliter arbetar normalt vid

re-lativt h ¨oga frekvenser, runt Ultra High

Frequency-bandet (UHF) och h ¨ogre, detta

f ¨or att undvika p˚averkan fr˚an jonosf¨aren.

Elektronerna i jonosf¨aren v¨axelverkar

en-bart med signaler under UHF, allts˚a

und-viker signaler med frekvenser ¨over UHF

denna v¨axelverkan. Det ¨ar elektronerna

som ger jonosf¨aren dess konduktivitet,

och en h ¨og frekvens f ¨orhindrar denna

p˚averkan [

6

].

En f ¨ordel med att redan h¨ar kunna sluta

sig till relativt h ¨oga frekvenser ¨ar

band-bredden, d¨ar en h ¨og frekvens upp emot 20

GHz eller mer, l¨amnar gott om utrymme

f ¨or framtida bandbreddskrav.

5.2

Overf ¨

¨

oringshastigheter

Redan f ¨or 20 ˚ar sedan p˚ab ¨orjades

ut-vecklingen

av

ett

satellitsystem

med

¨overf ¨oringshastighet p˚a

¨over 1

Giga-bit per sekund (Gbps) [

8

, p.1]. Under

2008 s¨andes en testsatellit upp som

ar-betade vid Ka-frekvenser och hade en

¨overf ¨oringshastighet p˚a ¨over 1.2 Gbps,

detta med hj¨alp av en s˚a kallad Active

Phase Array Antenna (APAA) - se

5.4

5.3

T ˚alighet, redundans

Ett satellitsystem ¨ar helt och h˚aller

bero-ende av antal satelliter f ¨or att f˚a

redun-dans. Anv¨ands enbart en direkt kedja av

satelliter f ¨or kommunikation kommer

re-dundansen i systemet vara obefintlig, d˚a

en satellit som sl˚as ut sl˚ar ut hela l¨anken.

Sj¨alva tekniken p˚a satelliterna byggs med

flera parallella system, och h¨ar f˚ar man

s˚aledes god redundans.

5.4

Antenntyp

Ut ¨over att kommunicera vid h ¨oga

fre-kvenser finns det ytterligare krav f ¨or att

uppn˚a h ¨oga ¨overf ¨oringshastigheter.

Signal-Brus f ¨orh˚allanden (Signal-to-Noise-Ratio,

SNR) m˚aste ¨aven dessa uppfylla vissa krav.

SNR-kraven ¨ar olika f ¨or olika antenner,

riktade antenner lyssnar extremt bra i en

riktning, men ¨ar s˚a gott som d ¨ova i andra

riktningar.

Figur 4. [

9

], Schematisk bild ¨over en Gbps-satellit och dess APAA-antenn

En APAA, som opererar p˚a Ka-bandet

(26-40 GHz) l ¨oser dessa problem, b˚ade vad

g¨aller frekvenskrav, och SNR-f ¨orh˚allanden

i ¨onskade riktningar. Det ger ¨aven ¨onskad

bandbredd till anv¨andaren, detta med

ef-fektkrav p˚a cirka 400 W [

9

]. En

APAA-antenn best˚ar som syns i figur 4 av ett antal

mindre antenner, oftast hornantenner eller

cirkul¨ara trattantenner. Antennen beh ¨over

inte riktas mekaniskt, d˚a huvudloben kan

styras elektroniskt genom att samma signal

skickas i ’rad efter rad’. D˚a bildas

kon-struktiv interferens i den riktning man vill

s¨anda. Man kan p˚a detta s¨att vinkla sin

huvudlob uppemot 40 grader eller mer,

dock med viss effektf ¨orlust vid de st ¨orsta

vinklarna [

9

, p.192-196], [

10

].

I den t¨ankta Gbps-satelliten kommer

in-tersatellitkommunikation ske vid optiska

v˚agl¨angder, varvid satelliterna m˚aste

be-finna sig inom LOS f ¨or varann [

11

]. Detta

torde inte vara ett problem, d˚a ytterst f˚a

objekt skymmer v¨agen mellan m˚anen och

jorden.

5.5

Placering

Sker kommunikationen med antenner p˚a

m˚anens yta riktade rakt mot jorden

kom-mer satelliter i b¨asta fall spela en

blyg-sam roll som mellanstation - en s˚a

kal-lad rel¨asatellit. Ska kommunikationen ske

enbart med satelliter fr˚an m˚anens baksida

¨ar satellitens placering viktig, station¨ara

lagrange-satelliter ¨ar en id´e till l ¨osning,

likv¨al som satelliter i omloppsbana kring

m˚anen.

5.5.1

Low-Orbit-satellit

Ett alternativ bygger p˚a att ha en eller

flera satelliter som ligger i s˚a kallade

low-orbit-banor runt m˚anen, cirka 100 km upp

fr˚an m˚anens yta [

12

] med omloppstider

p˚a mellan 90 minuter och n˚agra timmar.

N¨ar en satellit befinner sig inom LOS

f ¨or m˚anbasen skickas

kommunikationsda-ta upp till satelliten, och lagras i minnet.

N¨ar satelliten befinner sig p˚a m˚anens

fram-sida, och d˚a har jorden inom LOS, skickas

datan till mottagarstationen p˚a jorden, och

minnet t ¨oms [

1

]. Om enbart en satellit

8

anv¨ands f ¨or detta f˚ar man uppenbara

bris-ter i kommunikationen, d˚a bandbredden i

princip halveras p˚a grund av att

informa-tion enbart kan skickas under halva tiden,

ut ¨over detta f˚ar man ingen redundans i

systemet. Ett annat problem med satelliter

i low-orbit ¨ar att banorna ¨ar extremt

in-stabila vilket i v¨arsta fall kan leda till att

satelliten kommer ur kurs redan efter ett

par m˚anader [

13

].

5.5.2

High-Orbit-satellit

H¨ar befinner sig satelliterna p˚a mycket

h ¨ogre h ¨ojd ¨over m˚anen ¨an

low-orbit-satelliterna, fr˚an ett hundratal kilometer

upp till tusentals kilometer. F ¨ordelarna blir

bland annat att samma satellit kan se

stationen samtidigt som den kan se

jor-den (dock inte kontinuerligt, detta beror

p˚a h ¨ojd och bana). Anv¨ander man sig

av High-Orbit-satelliter skulle i b¨asta fall

tv˚a till tre satelliter beh ¨ovas f ¨or att

kon-tinuerligt kunna kommunicera med

jor-den. Ett exempel p˚a en s˚adan satellit ¨ar

NASA:s s˚a kallade Lunar Relay Satellite

(LRS). Bilden nedan visar hur LRS ¨ar t¨ankt

att ensam sk ¨ota kommunikationen mellan

m˚anen och jorden i ett f ¨orsta skede av en

m˚anbasoperation.

Figur 5. Bilden visar hur Lunar Relay Satellite (LRS) fungerar som rel ¨astation mellan en

Lunar Communication Terminal (LCT) och jorden, d ˚a jorden inte har LCT inom LOS

Lunar Communication Terminal, LCT,

¨ar uppsamlingsplatsen f ¨or all

kommunika-tion fr˚an m˚anens yta, och kommunicerar

enligt figur 5 med LRS via b˚ade K och

S-banden (23-26 GHz, 2.2 GHz), samt att LRS

kommunicerar med jorden via Ka-bandet

(37-40 GHz).

Det st ¨orsta problemet med

High-Orbit-satelliter ¨ar att banorna, i vilka dessa kan

placeras, ¨ar extremt sv˚ara att ber¨akna,

ef-tersom modellerna ¨over m˚anens l˚angt ifr˚an

sf¨ariska gravitationsf¨alt ¨ar f ¨orlegade, den

senaste daterad till 1994 [

13

].

5.5.3

Lagrange-satelliter

Lagrange-satelliter kallas de satelliter som

befinner sig i n˚agon av de s˚a kallad

Lagrange-punkterna som omg¨ardar tv˚a

kroppar som kretsar kring varandra. Det

finns 5 stycken Lagrange-punkter f ¨or varje

par av kroppar, L1-L5 (se figur 6).

Punk-terna ¨ar bel¨agna d¨ar gravitationsf¨alten fr˚an

kropparna och andra p˚averkande krafter

sl¨acker ut varann. F ¨or en mer djupg˚aende

f ¨orklaring och exakt placering av dessa se

[

15

].

Figur 6. [

15

], En ¨oversiktsbild ¨over de 5 olika Lagrange-punkterna

Som g˚ar att utl¨asa ur figur

6

, s˚a ligger

L3 i m˚anens bana fast p˚a motsatt sida

jorden, och denna punkt ¨ar allts˚a i

syf-tet m˚ankommunikation inte aktuell. Detta

g¨aller ¨aven L1, som befinner sig rakt

emel-lan jorden och m˚anen - h¨ar finns redan

de kommunicerande parterna inom LOS

f ¨or varandra. De resterande punkterna ¨ar

alla p˚a n˚agot vis intressanta. L2 ¨ar en

meta-stabil punkt, varvid placering av en

kommunikationssatellit h¨ar leder till

beho-vet av kontinuerliga justeringar av l¨aget

f ¨or att inte tappa lokaliseringen. L4 och

L5 ¨ar b˚ada stabila, och objekt placerade i

n¨arheten dras in mot punkten, och

kom-mer inte av sig sj¨alva att l¨amna punkten

(Dessa punkter ¨ar redan aktuella som

pla-cering av framtida rymdstationer [

15

]).

F ¨or m˚ankommunikation ¨ar det allts˚a L2,

L4 och L5 som ¨ar av intresse. L4 och L5 kan

b˚ada med sina stabila placeringar utg ¨ora

en bra placering av rel¨asatelliter mellan

jorden och en satellit placerad i L2 - som

har god sikt ¨over s˚a gott som hela m˚anens

baksida. D˚a avst˚anden f ¨or

kommunika-tion ¨okar markant vid anv¨andandet av

rel¨asatelliter ute i L4/5 kommer ytterligare

f ¨ordr ¨ojningar att uppst˚a, likv¨al som ¨okade

effektkrav, vilket ¨ar en nackdel med denna

l ¨osning. Den st ¨orsta f ¨ordelen ¨ar att man

slipper ha alltf ¨or sofistikerade styrsystem

som h˚aller satelliten p˚a plats, d˚a punkterna

¨ar stabila vilket inneb¨ar att satelliterna inte

l¨amnar punkten utan yttre p˚averkan.

6

M

ARKV

AG

˚

Radiov˚agskommunikation

har

l¨ange

anv¨ants f ¨or tr˚adl ¨os kommunikation ¨over

stora avst˚and p˚a jorden. Beroende p˚a

v˚agl¨angd f˚ar v˚agen olika egenskaper,

uti-fr˚an vilka man sedan klassificerar v˚agen.

Egenskaperna leder till olika p˚averkan fr˚an

f ¨orem˚al i dess v¨ag och av mediet i vilket

den utbreder sig.

Gemensamt f ¨or de flesta av dessa v˚agor

¨ar att de p˚a jorden p˚a n˚agot s¨att sprids

i atmosf¨aren. D˚a m˚anens atmosf¨ar ¨ar

ytterst tunn j¨amf ¨ort med jordens [

3

], [

16

]

¨ar samma teknik inte aktuell p˚a m˚anen

[

17

]. En v˚ag som inte ¨ar beroende av

atmosf¨aren ¨ar den s˚a kallade markv˚agen

som vilket namnet avsl ¨ojar, f ¨oljer jordens

kr ¨okning. Dessa v˚agor ¨ar dock beroende

av h ¨og konduktivitet i underlaget ¨over

vilka de propagerar f ¨or att kunna spridas

¨over l˚anga str¨ackor. Ju l¨agre konduktivitet

marken har desto snabbare absorberar den

energin i v˚agen [

6

, p. 189]. H ¨ogst

konduk-tivitet har vattenmassor och fuktig jord

[

18

, p. 69] vilket betyder att markv˚agor

avtar snabbt ¨over torra omr˚aden, som till

exempel m˚anens yta. Detta st¨aller krav

p˚a effekten med vilken v˚agen skickas.

Frekvensen vid vilken dessa v˚agor

propa-gerar ¨ar ocks˚a relativt l˚ag vilket begr¨ansar

datam¨angderna som kan ¨overf ¨oras med

denna teknik. N˚agot som talar f ¨or denna

teknik ¨ar de unders ¨okningar som pekar

p˚a att det vid gr¨ansen f ¨or dag och natt

p˚a m˚anen (terminatorn) finns ett moln

av elektriskt laddade partiklar [

1

]. Detta

och det faktum att det f ¨orekommer j¨arn

i m˚anytan skulle kunna vara tillr¨ackligt

f ¨or att ge markv˚agor en svag avb ¨ojning

runt m˚anens rand och d¨arf ¨or ¨aven vara ett

alternativ f ¨or kommunikation [

1

]. Det finns

¨aven flera datorprogram f ¨or simulering

av markv˚agor [

7

, c. 54], [

6

, p. 190], vilka

kan modellera relativt noggrant fr˚an hur

l˚angt in p˚a m˚anens baksida en s˚adan signal

skulle kunna h ¨oras p˚a jorden.

F ¨orutsatt

att

avb ¨ojning

sker

skulle

Markv˚agor kunna vara ett alternativ i ett

tidigt skede d˚a tekniken ¨ar v¨al utvecklad

och l¨att att implementera. F ¨ordelar med

markv˚agor ¨ar bland annat att antennerna

som anv¨ands vid l¨ampliga frekvenser ¨ar

relativt enkla, billiga, l¨atta och robusta [

19

].

6.1

Frekvensomr ˚aden

D¨ampningen av markv˚agor beror p˚a

underlagets konduktivitet och

permea-bilitet samt v˚agens frekvens. Ju l¨agre

konduktivitet i underlaget desto mer

d¨ampas v˚agen [

18

, p. 69], [

6

, p. 189].

Vid VLF kan markv˚agor n˚a l˚angt men

vid HF endast en kortare str¨acka. Vid

VHF och HF kan tv˚a delar av v˚agen

s¨arskiljas, en ytv˚agskomponent och en

rymdv˚agskomponent. Ytv˚agen utbreder

sig n¨ara, i v˚agl¨angder r¨aknat, marken och

via diffraktion f ¨oljer den jordens yta. Vid

VLF ¨ar det bara ett par v˚agl¨angder upp

till jonosf¨aren p˚a jorden vilken d˚a fungerar

som en v˚agledare [

18

, p. 3]. Jonosf¨aren p˚a

m˚anen ¨ar dock relativ outforskad, tunn

och dynamisk i f ¨orh˚allande till jordens

[

16

], och det ¨ar inte troligt att denna

ef-fekt skulle vara m¨atbar p˚a m˚anen. Vid

UHF, och h ¨ogre frekvenser, ¨ar v˚agl¨angden

kort och ett f ¨ors ¨ok att skicka en v˚ag i

dessa frekvenser n¨ara marken skulle leda

till att den d¨ampades kraftigt. Om man

ist¨allet placerade antennen en eller flera

v˚agl¨angder ¨over marken, vilket ¨ar vanligt

vid h ¨oga frekvenser, kan man bortse fr˚an

markv˚agens utbredningen. Man kan i

des-sa fall anta att det ¨ar i stort sett

LOS-utbredning [

18

, p. 5]. N˚agot som bidrar

till markv˚agens avb ¨ojning p˚a jorden ¨ar

diffraktion. D˚a konduktiviteten p˚a m˚anens

yta antas vara l˚ag ¨ar det troligt att

diff-raktion ¨ar den st ¨orsta bidragande faktorn

f ¨or v˚agens utbredning runt m˚anen. Hur

stor diffraktion ytv˚agen f˚ar runt kroppen

beror p˚a f ¨orh˚allandet mellan v˚agl¨angden

och kroppens kr ¨okningsradie. Ju

mind-re v˚agl¨angd desto mindmind-re diffraktion ¨ar

huvudregeln. V˚agavb ¨ojningen f ¨orst¨arks av

att en del av v˚agfrontens energi absorberas

av str ¨om som v˚agen inducerat i marken,

vilket g ¨or att v˚agen f˚ar en fram˚atlutning

[

18

, p. 65]. Denna absorption beror p˚a

kon-duktiviteten och permeabiliteten i marken,

vilka skiftar kraftigt beroende p˚a underlag.

Vid l˚aga frekvenser beror denna effekt i

stor utstr¨ackning p˚a konduktiviteten och

¨ar starkare f ¨or starkare konduktivitet. Vid

h ¨oga frekvenser ¨ar det h ¨og permeabilitet

som ger en stark ytv˚ag [

18

, p. 61-70].

Sammantaget ger detta att ytv˚agor

utbre-der sig b¨ast vid l˚aga frekvenser ¨over hav

och s¨amst vid h ¨oga frekvenser ¨over torra

landskap, som till exempel m˚anens yta.

Nackdelar med l¨agre frekvenser ¨ar fr¨amst

att det ¨ar sv˚art att designa antenner med

h ¨og f ¨orst¨arkning d˚a m˚anga av antennerna

f ¨or l˚aga frekvenser ¨ar n¨ara rundstr˚alande

[

18

] och att informationen som kan skickas

vid dessa frekvenser ¨ar ytterst begr¨ansad

p˚a grund av liten bandbredd. Fr˚an 300 kHz

(MF) b ¨orjar markv˚agens r¨ackvidd bli

rela-tivt kort. Vid dessa frekvenser ¨ar ocks˚a

an-tennerna relativt stora, men f ¨orst¨arkningen

¨ar b¨attre ¨an f ¨or de antenner som ¨ar

an-passade f ¨or l¨angre v˚agl¨angder. Fr˚an HF

och frekvenser d¨ar ¨over ¨ar

rymdv˚ags-och LOS-utbredning de dominerande

ut-bredningss¨atten f ¨orutom p˚a mycket sm˚a

avst˚and. Markv˚agor i de h¨ar

frekvenser-na ¨ar sfrekvenser-nabbt d¨ampade [

18

] vilket g ¨or

att dessa frekvenser ej ¨ar l¨ampliga f ¨or

markv˚agskommunikation p˚a m˚anen.

6.2

Antenntyper

De frekvenser som ¨ar aktuella f ¨or

kommu-nikation via yt-/markv˚agor ligger i

span-net HF och l¨agre [

4

], vilket betyder att

antenner som kan t¨ankas vara anv¨andbara

f ¨or markv˚agskommunikation ¨ar elektriskt

sm˚a antenner (se 5.1).

6.3

T ˚alighet, redundans

Elektriskt sm˚a antenner ¨ar generellt

re-lativt robusta [

19

]. Dipolantennen i figur

7 ¨ar dessutom t˚alig mot damm, extrema

temperatursv¨angningar och

mikrometeori-ter [

19

]. Med endast en s¨andare blir

redun-dansen dock d˚alig s˚a man b ¨or ha minst tv˚a

eller tre f ¨or att h ¨oja s¨akerheten.

6.4

Overf ¨

¨

oringshastigheter

S- och Ka-banden ¨ar de klassiska f ¨or

rymdkommunikation

[

20

],

dessa

fre-kvenser ligger dock h ¨ogt ¨over de d˚a

markv˚agor

har

godtagbar

r¨ackvidd.

¨

Overf ¨oringshastigheten ¨ar bland annat

styrd av bandbredden som i sin tur

styrs av frekvensen. H ¨ogre frekvens ger

h ¨ogre ¨overf ¨oringshastighet. D˚a markv˚agor

skickas i de l¨agre frekvenserna blir

band-bredden d˚alig och d¨armed ¨aven den

m ¨ojliga ¨overf ¨oringshastigheten. Med

da-gens teknik g˚ar det att skicka flera Tbps

l˚anga str¨ackor med fiberoptik och tekniken

g˚ar snabbt fram˚at. Det ¨ar ¨aven sv˚art

att f ¨oruts¨aga vilka framtida behov som

kommer finnas d˚a det f ¨or bara 20 ˚ar sedan

var v¨aldigt f˚a som anv¨ande mobiltelefon

och Internet [

20

]. Det ¨ar allts˚a troligt

att kraven p˚a ¨overf ¨oringshastighet och

datam¨angd kommer att vara mycket h ¨ogre

n¨ar det blir dags att exploatera m˚anen ¨an

vad de ¨ar idag. Sammantaget g ¨or detta

att det ¨ar tveksamt om markv˚agstekniken

kan m ¨ota de framtida kraven i form av

datam¨angd.

6.5

Effektf ¨

orbrukning

Energif ¨orbrukningen ¨ar kopplad till

da-tam¨angd, antenntyp, effekten som

an-tennen matas med och avst˚andet som

signalen ska skickas. En s¨andare som har

en antenn med h ¨og riktverkan skickar

signalen i riktning mot mottagaren och

drar mindre effekt ¨an en rundstr˚alande

s¨andare som str˚alar ut signalen lika mycket

i alla riktningar. Elektriskt sm˚a antenner ¨ar

ofta relativt ineffektiva d˚a det ¨ar sv˚art att

tillverka s˚adana med h ¨og riktverkan, de ¨ar

ofta relativt rundstr˚alande.

F¨altstyrkans avtagande beskrivs av Friis

transitionsekvation [

6

, p.78]:

P

= P

+ G

+ G

− 20log

(r

)

− 20log

(f

) − 32.44

(5)

P

= effekt, G

= F ¨orst¨arkning, R =