Bitcoinmining im All

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Was meint ihr, kann man Bitcoin im All Minen?

Meine Überlegungen sind aktuell: Energie ist ja problemlos mit Solarzellen da, aber die Bitcoinminer werden ziemlich warm. Wie bekommt man die Temperatur vom Satelliten wieder weg? Wärme wird durch Konvektion, kontaktleitung oder Strahlung übertragen. Für Satelliten geht es also nur durch Abstrahlung, ansonsten wird der Satellit immer wärmer.

Bedeutet, man müsste eine Wärmepumpe bauen die die entstehende Wärmeenergie im Satelliten zu einem „Abstrahlungsapparat“ leitet. Da die Abstrahlungsleistung P = σAT⁴ mit der Temperatur steigt bedeutet es, dass man entweder eine große Fläche für die Abstrahlung benötigt oder diese Abstrahlungseinrichtung möglichst warm bekommt (also mit einer Wärmepumpe die Wärme vom (kühleren) Miner zum heißen Abstrahlungsapparat pumpen muss.)

Ein deutlich teureres Konzept wäre, dass ein Raumschiff regelmäßig Wärmekontainer austauschen kann, die der Miner aufwärmen kann.

Was meint ihr, ist die Wärme für das Minien im All wirklich ein Problem oder kann das trotzdem funktionieren? Gibt es Rechnungen oder Experimente von bisherigen Computer im All bezüglich dem Wärmehaushalt des Satelliten? Solange es nur ein kleiner Computer ist, dann reicht die Wärmeabstrahlung ja wahrscheinlich, aber wenn der Satellit nur darauf ausgelegt ist zu Minen, dann kommt doch ziemlich viel Wärmeenergie dazu.

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Ich hab das mal mit dieser Formel nachgerechnet:

Wenn man P = σAT⁴ mit σ=5,67E-08 w/m²K⁴ nimmt, dann kommt man für einen USB Miner mit P= 25w, der auf eine Temperatur von 400K (127°C) auf eine Fläche von 0,017 m², also noch relativ einfach zu realisieren.

Ein einzelner 3500w Miner kommt aber schon auf 2,4 m². Aber dafür einen Satelliten hochzuschießen lohnt ja kaum.

Die 127°C sind auch relativ hoch, realistischer sind da ehr 355K = 82°C. Dann braucht der USB Miner schon fast das doppelte an Kühlbleche mit 0,028m² und der große Miner kommt auf 3,89m².

Diese Werte erhält man aber nur, wenn man die eingestrahlte Wärme nicht berücksichtigt sondern dass jegliche Wärme nur vom Miner kommt. Man müsste also die eingestrahlte Wärme der Sonne über die Solarzelle auch noch abstrahlen. Ich bin mir Grad nicht 100% sicher wie man das rechnet, aber man könnte die Fläche nocheinmal verdoppeln mit der Annahme, dass die Abstrahlung nur in die sonnenabgewandten Richtung geht… Mit dieser Abschätzung bräuchte ein großer Miner alleine schon knapp 8 m² Kühlfläche.

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Da hat wohl jemand Nico Jilch geguckt :wink:

Ich bin überrascht, dass die Wärme ein Problem werden kann. Naiv ging ich davon aus, dass das Weltall sau kalt ist und jedwede Wärme im Nu verfliegt.

Könntest Du bitte erklären, warum Wärme ein Problem sein kann?

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Im All gibt es so wenig Moleküle pro m³, das die Wärme nicht weiß wo sie hin soll und bleibt beim Körper der sie erstellt hat.

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Dann kann aus der Wärme also auch Strom gewonnen werden, durch den Kontrast zur Kälte. Habe leider vergessen wie das heißt, aber ich weiß, dass der Strom für manche Satellitenmodule schon so gewonnen wird.

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Naja, wie gesagt: Hier auf der Erde gibt es 3 Möglichkeiten die Wärme von einer CPU wegzubekommen: Durch Berührung (sehr langsam), durch Konvektion, also Strömung oder Bewegung der Wärme mit/in einem Medium und Abstrahlung, das die Wärme mit T^4 verteilt.

Wenn man sich jetzt ersteinmal nur das Objekt Satellit im Weltall anschaut, dann gibt es keinen Kontakt mit anderen klassischen Objekten (eben nur Einstrahlung bzw. Ausstrahlung). Damit muss alles, was an Wärme auf den Satelliten kommt auch wieder ausgestrahlt werden, ansonsten wird er wärmer.

Über die Solarzelle wird also Strom generiert, die über den Miner in Wärme gewandelt wird und diese Wärme muss irgendwo hin.

In Erd-Abstand zur Sonne kommen 1361 w/m² an, wenn man eine Solarzelleneffektivität von 20% annimmt, dann bedeutet dass für den USB-Miner, dass die Solarzelle 0,09 m² sein muss und der 3500w Miner benötigt 12,8 m²

Mit dieser Abschätzung muss die Solarzelle also immer größer sein als der Kühlkörper wenn man die Gleichgewichtsthemperatur von 355 Kelvin bekommen will.

Miner Leistung Solarfläche Kühlfläche
USB 25w 0,09m² 0,027m²
Ant 3500 12,8m² 3,89m²

Was dabei aber noch nicht bedacht ist ist, das die Solarzelle in diesem Fall nur die 20% der Solarkonstante aufnimmt, aber sie nimmt ja auch gleichzeitig Wärme auf. Weiß jemand wie viel das ist?

Also wenn man sagt, dass 100% der Solarkonstante aufgenommen wird und nichts von der eintreffenden Strahlung abgestrahlt wird (unrealistischer Extremfall), dann würden für die beiden Miner durch die Solarzelle 125w bzw 17500 Watt aufgenommen werden, mit denen der Miner betrieben wird. Damit benötigt man entsprechend größere Kühlkörper:

Miner Leistung Solarfläche Kühlfläche
USB 25w 0,09m² 0,14m²
Ant 3500 12,8m² 19,4m²

In dieser Extremabschätzung müsste der Kühlkörper also größer als die Solarzelle sein.

Nein. Du kannst nur Arbeit leisten aus einem Temperaturgradienten, also die Temperaturdifferenz zwischen eingestrahlter und ausgestrahlter Leistung. Genau damit wird aber schon der Miner betrieben. Diese Abwärme muss weg. Bleibt sie beim Satelliten, dann wird der ganze Satellit wärmer und es gibt keinen Gradienten, den du nutzen kannst bzw. die Temperaturdifferenz wird geringer duch Ansteigen der niedrigeren Temperatur und somit sinkt auch die mögliche Arbeitsleistung aus der Temperaturdifferenz. Das ist auch der Grund, warum große Kraftwerke wie Atomreaktoren gekühlt werden müssen weil die Arbeitseffizienz nur zwischen möglichst großen Temperaturdifferenzen funktioniert.

Und dazu kommt dass du die kühlende Wirkung der Abstrahlung ja nicht in deinen Prozess der Energiegewinnung einbinden kannst. Was abgestrahlt wird ist mit Lichtgeschwindigkeit weg und hinterlässt eine geringere Temperatur. Du kannst das Kühlen also wirklich zum Kühlen verwenden aber nicht zur Stromerzeugung, die muss davor passieren.

Edit:
Interessant wäre auch eine geometrische Form, die die maximale Kühlleistung hat. Herkömmliche Kühler arbeiten ja durch Wasserkühlung bzw. Luftkühlung, die Abstrahlung spielt also kaum eine Rolle. Wenn man aber im Weltall z.B. einfach Metallplatten hintereinander baut, dann hat man zwar eine große Fläche, aber die Strahlung der ersten Fläche wird dann von der zweiten Platte wieder aufgenommen oder reflektiert. Ist die Platte aber größer als die Solarzelle, dann nimmt sie ja wieder Strahlung von der Sonne auf…

Ideal wären glaube ich für die Abstrahlung also wahrscheinlich kleine Nadeln mit Kugelköpfen, zu denen man mittels Wärmepumpe die Wärme bringt und die Kugeln können dann fast in den gesamten Raum abstrahlen.

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Das wäre doch mal eine Frage an Elon.

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Um es abzukürzen, es ist theoretisch möglich, aber (aktuell) nicht praktikabel. Warum erkläre ich gerne, wenn auch in vereinfachter Form, da es sonst zu lange dauern würde. Das hier am meisten diskutierte Thema fällt in die Kategorie Thermal also fange ich damit an. Zuerst aber einmal eine Abbildung mit dem Aufbau eines Satelliten. Zur Erklärung, die Payload ist die Nutzlast, also in diesem Fall die Miner. In der Regel aber Teleskope, Telekommunikationsequipment oder andere Wissenschaftliche Ausrüstung. Alles andere ist notwendig um einen Satelliten betreiben zu können und wird als Service Modul zusammengefasst.

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Thermal:
Zuerst einmal ist die einfache Annahme das einfach die Wärme die durch die Payload erzeugt wird abgeführt werden muss zu kurz gedacht. So heißt sich die sonnezugewandte Seite stark auf, da die Wärmeenergie nicht abgestrahlt werden kann. Die sonneabgewandte Seite dagegen strahlt wärme ab und ist dadurch sehr kühl.
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Wie bereits richtig erwähnt braucht es also einen Kühlkreislauf, der die Wärme aufnimmt und Radiatoren zuführt um diese Abzustrahlen. Die Radiatorfläche ist dabei im Optimalfall auf der sonnenabgewandten Seite. Dementsprechend gibt es für jede Komponente eine Betriebstemperatur die eingehalten werden muss. Für Elektronisches Equipment -10°C bis 40°C (gilt nicht für Miner sondern für die Computer des Satelliten, Steuerung etc.)
Die von er Sonne auf den Satelliten einwirkende Strahlung ergibt sich durch:

dQ/dt=a A_⊥ I_s

a= Absorbtionsfähigkeit
A_⊥=Oberfläche senkrecht zur Strahlung
I_s=Intensität der Strahlung (Watt)

Hier als Visuell damit es besser nachvollzogen werden kann

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Es muss also ein thermales Gleichgewicht bei einer vorgesehenen Temperatur hergestellt werden um zu verhindern das der Satellit aufgeheizt wird. Dies kann wie folgt ermittelt werden.

T= ∜((a A_⊥ I_s)/(ε A σ))

T= Temperatur
ε = Emissionsgrad der Oberfläche
A = Emittierende Oberfläche
σ = Stefan-Boltzmann Konstante

Damit kann also berechnet werden wie groß die Radiatoren Fläche sein muss, wenn eine gewünschte Temperatur gehalten werden soll. Dafür wird die Gleichung nach A umgestellt und für die die Zieltemperatur eingesetzt (K). Anfänglicher Richtwert als Temperatur für ein „normales“ Service Modul sind idr. 20°C. Dazu kommt die Wärme die abgestrahlt werden muss die von den Mining Geräten erzeugt wird.
Wenn also für ein Mininggerät (3500W) ein Gleichgewichtszustand bei 300K gehalten werden soll ist eine Radiatorfläche von ca. 8,4m^2 notwendig. Für 10 Geräte entsprechend die Zehnfache Fläche. Zusätzlich kommt natürlich die Energie der Sonneneinstrahlung und des Service Moduls.

Communication:
Bei der Kommunikation haben wir erstmal Glück, da wir keine hohen Datenmengen übertragen müssen. Kritisch dagegen ist die Erreichbarkeit. Befindet sich der Satellit in einem LEO Orbit hat dieser eine Umlaufzeit von ungefähr 90 Minuten, hier die Rechnung:

T=2π√(r^3/(G M))

T = Umlaufzeit des Satelliten
r = der Abstand des Satelliten vom Erdmittelpunkt (Erdradius + Höhe)
G = Gravitationskonstante
M = Erdmasse

Bei einem Erdnahen Orbit überfliegt der Satellit also nur alle 90 Minuten die gleiche Bodenstation, wir müssten also entweder sehr viele Bodenstationen haben um dauerhaft mit dem Satelliten kommunizieren zu können oder andere Satelliten im Orbit die unsere Signale auf die Erde Weiterleiten. Beides ist sehr teuer.
Ein anderer Ansatz wäre es einfach einen Anderen Orbit zu nehmen, da kommt natürlich als erstes der GEO in den Sinn, da man hier immer über demselben Punkt der Erde ist. Problem hier, der Platz ist sehr begrenzt und sehr begehrt wodurch es entsprechend teuer ist hier Satelliten zu parken. Auch ist es deutlich Schwieriger (und teurer) einen Satelliten in den geostationären Orbit zu bringen.

EPS:

Die Energieversorgung ist natürlich ebenfalls ein Thema, Solarzellen ist da natürlich der Standard, bringen aber einige Probleme mit sich.

Wir haben eine zur Verfügung stehende Sonnenenergie von 1350 W/m^2 und eine Effizienz von ~28% bei der Energieumwandlung. Das macht also etwas mehr als 9m^2 Solarzellen pro 3500W Miner zzgl. der Energie des Service Moduls. Dabei muss angemerkt werden, dass das hier mit dem Idealen Power Output der Solarzellen geschätzt ist. Durch die Bedingungen im All (Strahlung, Micro Partikel) degenerieren die Solarzellen mit der Zeit, so dass eine deutlich höhere Anfangssolarfläche notwendig ist. Außerdem befindet sich der Satellit zu ~40% der Zeit im Schatten wodurch die Zeit mindestens für das Service Modul mit Batterien gedeckt sein muss und im Fall das die Miner hier nicht abgeschaltet werden für deren Energieverbrauch ebenfalls Batterien vorhanden sein müssen.

Ein weiteres Problem ist, dass die Mininggeräte für die Energieversorgung auf der Erde ausgelegt sind, also 230V AC. Im Satelliten sind übliche Spannungen 6V, 12V 24V und 48V AC. Es müsste also entweder eine spezielle Anpassung der Miner geben oder neues Satellitenequipment, was sehr schwer ist.

Radiation:
Als letztes noch ganz kurz auf die Strahlung eingegangen, wie den Meisten bekannt sein dürfte besteht im Weltraum eine höhere Strahlenbelastung als auf der Erde. Im LEO Orbit hält sich diese noch in Grenzen, im GEO Orbit ist sie schon deutlich höher. Den MEO Orbit habe ich auf Grund der sehr hohen Strahlenbelastung bis jetzt gar nicht erwähnt. Moderne elektronische Geräte mit modernen Prozessoren sind schwer in Umgebungen mit hoher Strahlung zu betreiben, da die elektromagnetische Strahlung bei der modernen sehr kleinen Fertigung Probleme verursacht wie:

SEEs (Single-Event Effects):
Single Event Upset (SEU): Dies tritt auf, wenn ein einzelnes hochenergetisches Teilchen in einen Halbleiterchip einschlägt und eine Bitänderung im Speicher oder in einem Schaltkreis verursacht. Dies kann zu Fehlfunktionen oder Abstürzen des Systems führen, ist jedoch oft nicht permanent.

Single Event Latchup (SEL):
Ein hochenergetisches Teilchen kann in einem Transistor einen Stromfluss verursachen, der zu einem unkontrollierten Zustand führt, bei dem das Bauteil sich erhitzt und dauerhaft beschädigt wird, wenn es nicht schnell abgeschaltet wird.

Single Event Burnout (SEB):
Eine dauerhafte Zerstörung von Bauteilen kann auftreten, wenn ein Teilchen mit hoher Energie eine dauerhafte Leitfähigkeit in einem Transistor verursacht, was zu einem elektrischen Durchbruch führt.

Also nochmal kurz Abschließend, ja, es ist rein theoretisch und auch technisch möglich mining im Orbit zu betreiben. Praktisch jedoch nicht wirtschaftlich und nur schwer umsetzbar. Ein Mining Satellit mit mehreren Mininggeräten hätte einen sehr höhen Stromverbrauch und dadurch ein sehr aufwendiges Thermal System. Die Stromerzeugung bräuchte ebenfalls eine sehr große Fläche. Das Ganze muss dann ja auch irgendwie in den Orbit, d.h. die Rakete braucht entsprechende Maße um einen derart großen Satelliten nach oben zu bringen. Ja es gibt Faltmechanismen für Solarzellen aber so einfach wie man sich das im ersten Moment vorstellt ist das nicht. Außerdem kostet so ein Raketenstart auch mal schnell 100 Mio. Dollar wofür man einiges an Mining auf der Erde betreiben kann. Hoffe der grobe Überblick hilft etwas weiter.

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Ist es dann falsch, dass man im Weltall ohne Weltraumanzug sofort erfrieren würde? Aufgrund der fehlenden Moleküle sollte man nicht so spontan erfrieren, wie einem Filme glauben machen wollen. Oder

Ich befürchte, ich brauche noch einmal eine bessere Erklärung. Noch leuchtet es mir nicht ein. Könntest Du mir das bitte so erklären, dass ich es auch verstehe? Bisher sehe ich eine Temperaturdifferenz zwischen Miner und Weltraum, der hinter dem Solarpanel bzw. im Schatten der Solarpanel liegt.

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Ja. Ist richtig.

Die NASA schätzt die Zeit im Weltall bis zum Tod auf maximal 80 Sekunden – es wird also ganz schnell gehen, wenn wir überhaupt so weit kommen.

Falsch ist der Mythos vom Schockfrost im All. Es ist zwar im Weltall unvorstellbar kalt – bis zu Minus 270 Grad. Trotzdem würde unser Körper nicht so schnell auskühlen – auch dies ist im Vakuum begründet. Auf der Erde geben wir unsere Körperwärme an die Umgebungsluft ab – genauer gesagt an Atome oder Moleküle in der Luft. „Aber im Vakuum sind so unglaublich wenig Teilchen im Raum, dass wir unsere Körperwärme nicht an diese übertragen können“, erklärt Ärztin Randrianarisoa. Ein Schockfrosten innerhalb weniger Sekunden sei Quatsch. Trotzdem würden wir irgendwann gefrieren. „Unser Körper kann die Wärme nämlich auch über Strahlung abgeben. Das dauert nur einfach extrem viel länger.“

Um das nochmal zusammenzufassen: Ohne Anzug im Weltall würden wir innerhalb weniger Sekunden das Bewusstsein verlieren, innerlich kochen, anschwellen, unsere Augen und unsere Lunge würden platzen und wir an unserem eigenen Blut ertrinken. Am Ende verstrahlt der Kosmos unsere Körper. Klingt doch nach tollen Aussichten.

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Theoretisch bräuchten wir nichteinmal einen Raumanzug. Es würde reichen, wenn wir einen Ganzkörperanzug tragen würden, der den Druckunterschied zwischen Körper und Raumanzug aushält.

Aber fangen wir vielleicht einmal von vorne an: wir Menschen sind auf den Atmosphärendruck ausgelegt. Du merkst es zwar nicht, aber auf die liegt eine bis zu 100km hohe (mit der Höhe abnehmende) Luftsäule, die auf dich und jedes Landlebewesen einen Druck ausübt. Die biologischen Körper sind also so ausgelegt, dass sie diesem Druck einem Gegendruck entgegenbringen.

Wenn du jetzt aber ins Weltall gehst, dann fehlt dieser Druck auf deinen Körper, dein Körper macht aber den Gegendruck. Wenn du also einfach so ins all gehst, dann wirst du regelrecht explodieren in dem Sinne, dass die Haut und alle Organe sich aufblähen würden. Wie @Lasse geschrieben hat bedeutet der Druckabfall gleichzeitig, dass die Flüssigkeiten in dir aufeinmal ein einem anderen Thermodynamischem Bereich sind. Wenn du z.B. auf einem Berg Wasser kochst, dann ist die Temperatur, die du dafür benötigst geringer. Das liegt daran, weil auf dem Berg ein geringerer Druck auf dem Wasser liegt und das Wasser somit weniger Energie benötigt diesem Druck zu widerstehen. Wenn du aber ins All gehst, dann hast du aufeinmal keinen Gegendruck mehr und das Wasser in dir würde also schon bei Körpertemperatur „kochen“.

Du musst aber keinen Schweeren Fetten Raumanzug haben, der mit Luft gefüllt ist um diesen Gegendruck zu erzeugen. Es reicht völlig aus, wenn du z.B. nur einen Ganzkörperanzug anziehst, der z.B. nur aus Gummi oder Stahlfaser. Dein Körper würde sich dann im All wie beschrieben ausdehnen aber das kann er nur bis zu diesem Anzug. Es muss keine Luft dazwischen sein. Schwieriger wird es dann mit der Atmung, aber theoretisch würde es ausreichen, wenn du nur eine Art Taucheranzug mit Sauerstoffflaschen auf dem Rücken anhast, solange dieser den Druck deines Körpers an jeder Stelle standhalten kann.

Die Temperatur ist wie beschrieben dabei kein Problem. Hier auf der Erde strahlt dein Körper ja genauso Wärmeenergie aus. Das kann der Körper von sich aus kompensieren, zumal du ja immer irgendwelche „Kleidung“ anhaben muss wegen dem Druck.

Die Leere im All selber kühlt nicht, es ist immer nur die Wärme, die dorthin abgestrahlt wird und dem System somit verloren geht.

Deswegen meinte ich auch, dass du die Leere im All nicht als kühles Wärmereservoir benutzen kannst. Du kannst zwar Wärme dorthin abgeben aber du kannst dir keine Wärme von dort nehmen. Der Kontakt mit dieser „Leere“ kann somit nicht für Wärmearbeit benutzt werden, er kann nur als Wärmesenke dienen für Arbeiten, die Wärme von woanders benutzen und dorthin abgeben.

Wenn du also eine wie auch immer geartete Wärmekraftmaschine hast, dann kann der Carnot-Prozess nur die Wärme an einen lokalen Ort abgeben und dann muss diese Wärme über Strahlung weg gehen. Aber aus der Abgehenden Strahlung kannst du dann keine „Energie“ mehr gewinnen.

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Ich versuche es mal in meine Worte zu fassen:

Energie entsteht aus Arbeit. Strahlung ist keine Arbeit, aber dafür die Bewegung der Moleküle, die Wärme aufnehmen können. Korrekt?

Falls ja:

Thermoelektrische Elemente haben es weit gebracht - so etwa an Bord der Raumsonde „Voyager 1“ runde 15 Milliarden Kilometer ins Weltall, wo sie seit 20 Jahren zuverlässig die Wärme von zerfallenden Radioisotopen in Strom verwandeln.

Quelle: Energie: Wettlauf um Strom aus Wärme - DER SPIEGEL

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Naja, nicht so gut formuliert, wenn man genau sein will.

Die Bedeutung von Arbeit ist ein Übertrag von Energie. Arbeit ist also immer eine Energiedifferenz, die hat somit die gleiche Einheit wie Energie. Wenn Arbeit geleistet wird bedeutet es nach Energieerhaltung immer, dass ein Objekt diese Energie entzogen werden muss während ein anderes Objekt diese Energie bekommt.

Vereinfacht gesagt solltest du unterscheiden zwischen Objekten und Prozessen. Energie ist nur eine einfache Variable eines Objektes, wie sein Ort oder seine Geschwindigkeit. Energie charakterisiert also ein Objekt. Arbeit hingegen ist ein Prozess, der über die Zeit auf ein Objekt wirkt und somit seine charakterisierenden Variablen ändert. Die Energieänderung muss also über eine Zeit auf das Objekt einwirken. (Die Arbeit selber ist aber eine zeitunabhängige Betrachtung nur von den Energiedifferenzen egal wie lange es gedauert hat. Wenn du die Zeit noch berücksichtigst, dann ist es eine Leistung=Arbeit/Zeit)

Strahlung ist wieder ein Prozess. Dieser Prozess kann auf ein Objekt einwirken und somit Arbeit verrichten. Normale Materie strahlt immer Wärmestrahlung aus, sie verrichtet also immer Arbeit in Form der Wärmestrahlung und das ist ein Prozess. Du kannst dir auch die EM-Wellen selber anschauen, wie sie sich verbreiten und durch die Maxwellgleichungen beschrieben werden können. Oder du schaust die die Quantisierung der Strahlung an. In diesen Fällen wären die Strahlungspakete ein Objekt. In unserem Kontext betrachten wir aber nicht die einzelnen EM-Wellen sondern betrachten nur, wie diese Arbeit verrichten. In unserem Fall ist die Strahlung also ein Prozess.

Arbeit bezeichnet die Energiedifferenz der Energien, die ein Objekt über verschieden betrachtete Zeitpunkte aufweist. Der Effekt der Wärmeabstrahlung verrichtet Arbeit weil die Energie eines betrachteten Objektes sich dadurch ändert.

Mit der Wärmeenergie gehen wir weg von der klassischen Mechanik in die Thermodynamik. Wichtig bei der Thermodynamik ist immer den Unterschied zwischen mikroskopischen und makroskopischen Effekten bzw. Observablen zu unterscheiden. Mikroskopisch betrachten wir jedes einzelne Luftmolekül. Jedes dieser Partikel hat zu einem gegebenen Zeitpunkt einen festen Ort und eine feste Geschwindigkeit. Aber das Problem ist, dass wir nicht alle diese mikroskopischen Objekte erfassen können, deswegen betreiben wir Statistik: Uns interessiert nicht der einzelne individuelle Ort jedes einzelnen Atoms sondern wir mitteln statistisch über die Ereignisse in diesem System. Wir messen also, wie viele Teilchen es in dem Raum gibt und nenne diese Anzahl die makroskopischen Dichte. Wir messen, wie viele Stöße diese Atome gegen eine Wand pro Zeiteinheit machen und nennen diese Anzahl den makroskopischen Druck auf die Wand. Wir messen die Geschwindigkeitsverteilung der Atome und benennen die mittlere Geschwindigkeit als die makroskopische Temperatur…

Es gibt also immer mikroskopische Effekte, die wir beschrieben können, aber von diesen Prozessen laufen so viele ab, dass wir das nicht mehr in Gänze erfassen können und um das System zu vereinfachen schauen wir nurnoch auf die statistischen Mittelungen (makroskopische Betrachtung) des Systems aus.

Die makroskopischen Variablen haben nun ähnliche Eigenschaften wie die mikroskopischen Variablen, auf jedenfall können wir sie wieder physikalisch mithilfe eines Modells beschreiben.

Die Wärmeenergie ist also in den Bewegungen der Atome und Moleküle gespeichert. Mikroskopisch ist das Bewegungsenergie, makroskopisch mitteln wir aber darüber und erhalten die Wärmeenergie.

Um zu verstehen, wie du aus Wärmeenergie wieder Bewegungsenergie bekommen kannst musst du den Carnot-Prozess verstehen.

Aber egal wie der Prozess im Inneren dieser Wärmekraftmaschine genau aussieht (Blackbox), es wird immer Wärmeenergie vom warmen Speicher genommen und dem kalten Speicher hinzugefügt. Dabei gibt es also einen Wärmefluss vom warmen Speicher zum kalten Speicher. Die Arbeit, die dieser Prozess leisten kann hängt makroskopisch vom Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Wärmespeichern ab.

Wenn du also Energie aus der Wärme beziehen willst musst du einen Temperaturgradienten benutzen, von hoher Temperatur zur niedrigeren Temperatur, anders geht es nicht (zweiter Hauptsatz der Wärmelehre). Du kannst diesen Prozess aber umkehren und unter Aufbringung von Energie die Wärme vom niedrigeren Wärmespeicher zum höheren Wärmespeicher hochpumpen (Wärmepumpe), das kostet aber Energie.

Damit zurück zum Satelliten. Dort hast du eine warme Seite (der Sonne zugewandt) und eine kalte Seite. Diesen Temperaturgradienten kannst du natürlich für die Energiegewinnung benutzen (und das ist genau der Prozess, warum wir als Menschen hier auf der Erde als großen Satelliten überhaupt leben können).

Aber wenn du diesen Prozess durchlaufen hast, dann ist die kalte Seite wärmer geworden. Dieses wärmere Reservoir kannst du also weniger für die „Energiegewinnung“ benutzen weil die Temperaturdifferenz absinkt und damit auch die Arbeit, die der Carnot-Prozess leisten kann. Für eine effektiveren Arbeitsleistung musst du also entweder die obere Temperatur erhöhen (was nicht immer einfach ist und das Material muss ja auch mitmachen) oder die niedrige Temperatur wieder niedrig halten.

Du kannst natürlich auch noch ein Carnot-Prozess dazwischen schalten und so rekursiv beliebig viele Carnot-Prozess in Reihe schalten. Aber alle zusammen kommen trotzdem nur maximal auf die Arbeitsleistung, die die Start/End-Temperatur vorgeben. Denn jeder Prozess in der Mitte hätte ja dann entsprechend verminderte Temperaturdifferenzen zwischen seinem lokalem Start/End-Temeraturen.

All das zusammen bedeutet, dass du an Bord deines Satelliten ein Wärmereservoir haben musst, das möglichst kalt ist und in dieses Wärmereservoir „pumpt“ der Carnot-Prozess seine Wärmeenergie hinein um Arbeit zu verrichten. Dabei ist es egal ob die Arbeit durch elektrische Energie oder mechanische Energie abgenommen wird, in jedem Fall wird dieser kalte Energiespeicher durch das Leisten von Arbeit wärmer. Umso wärmer dieser Energiespeicher wird, desto weniger Wärme kann der Carnot-Prozess dort hineinstecken und umso weniger Arbeit kann man dem Prozess „entziehen“.

Diese „verbrauchte“ Wärme muss also abgeführt werden, du kannst sie nicht mehr nutzbringend einsetzen. Dieses Wärmereservoir kannst du in den Weltraum abstrahlen lassen, was wieder eine Art Arbeit ist weil der Weltraum kälter ist. Diese Arbeit kannst du jedoch für nichts mehr nutzen außer für die Kühlung deines kalten Wärmespeichers.

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Dieser Gedanke fehlte mir tatsächlich noch. Danke dafür.

Könnte ich jetzt nicht trotzdem argumentieren, dass ein Kühlkörper - wie oben bereits berechnet - die Wärme auf der kalten Seite in den Weltraum abführt? Würde der Temperaturgradient damit nicht aufrechterhalten werden?

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Ich hatte nicht die Zeit alles von diesem Thread durchzulesen. Falls jemand dies bereits geschrieben hat, bitte entschuldigt :smiley: :

Was eigentlich heiss wird beim Miner ist ja der CPU.
Vielleicht hilft eine Art Kühlung mit nicht frierender und kochender Flüssigkeit was wir heute bereits haben. Also ein Kreislauf beim CPU, was die heisse Flüssigkeit zum hinterem Teil des Miners geht und es abkühlt und wieder nach vorne geht zum CPU.

Weiss aber physikalisch nicht ob das eben aufgrund des Weltraums mit Vakuum etc. überhaupt funktioniert. :smiley:

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Wie gesagt, natürlich kannst du den Wärmegradienten zwischen warmer Seite des Satelliten und kalter Seite des Satelliten mittels des Carnot-Prozesses nutzen. Aber jede Nutzung bedeutet, dass die kühle Seite wärmer wird.

Speziell der Miner produziert aber genauso Wärme, die du in die Rechnung einbringen musst, wo willst du diese hinbringen?

Irgendwie musst du die gesamte Wärme vom Satelliten wegbringen. Entweder du transportierst diese Wärme also gleich zum Kühlkörper oder du brauchst eine Wärmesenke, zu der die Wärme von alleine geht um daraus noch Energie zu bekommen.

Je nachdem, wie groß dein Kühlkörper ist hast du also verschiedene Möglichkeiten:

  • Entweder dein Kühlkörper ist nicht ausreichend groß um die kalte Wärmesenke ausreichend zu kühlen. Dann musst du Energie aufbringen und die Wärme entgegen des Temperaturgradienten zum Kühlkörper zu bringen. Damit kühlst du dann deinen Arbeitsprozess und wärmst den Kühlkörper, der mit T⁴ seine Abstrahlungsleistung erhöht. Umso wärmer der Kühlkörper also ist, desto mehr Energie strahlt dieser auch ab und zwar mit T⁴ bringt eine Temperaturerhöhung um 2 Kelvin schon die 16-Fache Abstrahlungsleistung.
    In diesem Fall kannst du natürlich keine Energie aus dem Wärmetransport gewinnen weil du ja sogar Energie für dein Wärmetransport mittels Wärmepumpe aufbringen musst um den Kühlkörper wärmer zu machen als deine Wärmesenke für deine Arbeitsprozesse.
  • Oder dein Kühlkörper ist ausreichend groß um einfach so als Wärmesenke zu dienen, also dass du beliebig deine Wärme dort einspeisen kannst und der Kühlkörper sorgt mit dieser geringeren Temperatur trotzdem, dass die eingespeiste Wärme ausreichend schnell in den Weltraum abgestrahlt wird.
    In diesem Fall kannst du natürlich zwischen dem natürlichem Wärmefluss zum Kühlkörpers noch einen Carnot-Prozesses schalten und aus dem Wärmefluss Energie zu gewinnen.

Alle Betrachtungen nach dem Kühlkörper können aber nicht für die Energiegewinnung benutzt werden. Die Abstrahlung ins All ist also Endstation für die Energiebetrachtung des Satelliten.

Wenn dein Satellit also die Aufgabe hat zu Minen, dann ist Punkt 1 wahrscheinlich sinnvoller. Die Solarzellen können deutlich mehr Energie liefern als du durch einen einfachen Wärmetransport bekommen könntest. Dafür kannst du aber deutlich Material sparen, wenn du die Kühlkörper wärmer machst als die Miner weil du dann deutlich weniger Fläche brauchst (wie gesagt, die Abstrahlung geht mit T⁴). Die für die Wärmepumpe benötige Energie kommt ja dann genauso von den Solarzellen. Aber aus den wärmeren Kühlkörper kannst du dann keine Energie mehr gewinnen, denn genau diese muss ja weg oder deine Wärmesenke (für die Miner oder andere Carnot-Prozesse) funktioniert nicht mehr.

Das ist im all kein Problem. Wenn du dir mal meine Erklärung über den Raumanzug der Menschen (oben geschrieben) anschaust, dann kann man den Menschen durch eine Flüssigkeit in einer Rohleitung ersetzen. Wenn du also eine Hydraulik baust, die der Flüssigkeit den Fehlenden Druck im Weltall einen Wanddruck entgegensetzt, dann kannst du auch problemlos diese Flüssigkeit wie auf der Erde durch diese Rohre pumpen. Natürlich müsste man schauen, für welche Temperaturbereiche diese Flüssigkeiten oder auch Gase ausgelegt werden müssen. Aber mit so einem Rohrsystem könnte man problemlos auch eine Wärmepumpe bzw. eine „Wasserkühlung“ für die CPU realisieren.

Damit bleibt aber die Frage: Wohin mit der Wärme? @TheZirkon hat das wunderbar beschrieben. Um es kurz zu sagen: Man benötigt einen Kühlkörper, der dafür ausgelegt ist die Wärme ins All abzustrahlen.

Was mir dabei nur wieder spontan durch den Kopf geht: Umso mehr Satelliten wir ins all schicken, desto mehr Streustrahlung bekommen wir auf der Erde von der Sonne ab. Also Strahlungsleistung, die eigentlich an der Erde vorbei ins Weltall gehen würde wird dann von den Satelliten zur Erde (und überall sonst wohin auch) abgelenkt. Umso mehr Satelliten wir also hochschicken, auch wenn sie um die Sonne und nicht um die Erde kreisen, desto wärmer wird auch das Sonnensystem, insbesondere die Erde :grin:

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