Prototyp urządzenia, które będzie chłodzić aparaturę w satelitach kosmicznych, tworzą naukowcy z Politechniki Wrocławskiej. Ma wykorzystywać tzw. pulsacyjne rurki ciepła i ważyć znacznie mniej niż rozwiązania obecnie wynoszone nad Ziemię.
Pulsacyjne rurki ciepła (Pulsating Heat Pipes, PHP) to rozwiązanie sprawdzone już na Ziemi w odbieraniu strumieni ciepła, czyli chłodzeniu różnego rodzaju aparatury i urządzeń, m.in. w zakładach przemysłowych. Od kilku lat perspektywy ich wykorzystania testuje branża kosmiczna, np. Japońska Narodowa Agencja Kosmiczna (JAXA) udowodniła ich wydajność w transportowaniu strumieni ciepła w warunkach mikrograwitacji. PHP budzą duże zainteresowanie, bo mają „super właściwości”.
Są bardzo efektywne –wystarczy mniej niż szklanka tzw. czynnika roboczego, czyli np. wody, etanolu bądź acetonu, wewnątrz pulsacyjnych rurek ciepła, by odebrać z nagrzewającego się urządzenia naprawdę duże ilości ciepła. Pulsacyjna rurka ciepła ma ponad 150 razy lepszą przewodność niż czysta miedź, która jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła materiałów – podkreśla dr hab. inż. Sławomir Pietrowicz z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Wrocławskiej.
PHP jest kapilarą, czyli bardzo cienką rurką, powyginaną w kształt litery „U”. Można ją wykonać z dowolnego materiału, np. szkła, miedzi. Kluczowe znaczenie ma wielkość jej wewnętrznego przekroju, która sprawia, że zachodzą w niej tzw.zjawiska kapilarne. Oznacza to, że powstające w środku bąbelki pary wymuszają przepływ od części ciepłej do zimnej i dzieje się to w sposób pulsacyjny, czyli cykliczny.
Niska masa, niewielkie rozmiary, duża elastyczność pod względem geometrii, a do tego wysoka wydajność w przenoszeniu ciepła i możliwość transportowania go na duże odległości – wszystko to sprawia, że pulsacyjne rurki ciepła wydają się idealne dla branży kosmicznej.
Wibracjom mówimy „nie”
Dlatego właśnie Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) postanowiła sfinansować dwuletni projekt, który sprawdzi, czy i w jak dużym stopniu pulsowanie cieczy w PHP może powodować mikrowibracje – co ma ogromne znaczenie w przypadku aparatury wynoszonej w przestrzeń kosmiczną, zwłaszcza w kwestii wpływu na stabilność lotu.
Wyobraźmy sobie, że takie rurki powodują mikrodrgania na tyle znaczące, że dochodzi do wibracji urządzeń zainstalowanych w satelicie obok nich, choćby kamery. Efektem byłyby zakłócenia obrazu. Dlatego konieczne jest scharakteryzowanie, jak duże mogą być te mikrodrgania lub stworzenie rozwiązań, które by je minimalizowały – tłumaczy Mateusz Przeliorz z KP Labs, lidera projektu.
Gliwicka firma specjalizuje się m.in. w tworzeniu rozwiązań, takich jak jednostki przetwarzania danych, algorytmy uczenia maszynowego i oprogramowania do przetwarzania ogromnej ilości danych zebranych na pokładzie satelity. W konsorcjum uczestniczy także inna firma – Adaptronica – wywodząca się z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN i zajmująca się tzw. technologiami inteligentnymi, w tym m.in. związanymi z tłumieniem drgań. Naukowcy z Katedry Termodynamiki i Odnawialnych Źródeł Energii PWr odpowiedzialni są za obliczenia numeryczne wykorzystujące zaawansowane modele matematyczne, które posłużą do określenia parametrów planowanych urządzeń do odbierania ciepła z aparatury w satelicie, a także za część testów projektowanych prototypów.
Wspólnie stworzymy dwa urządzenia, które mają odbierać około 200 W i 30 W ciepła. Może się wydawać, że to niewiele, ale trzeba pamiętać, że mówimy tu o urządzeniach, które muszą być wydajne i bezawaryjne w przestrzeni kosmicznej, a więc w zupełnie innych i znacznie bardziej wymagających warunkach niż na Ziemi – podkreśla prof. Pietrowicz.
Prototypy po wielu testach
Naukowiec tłumaczy, że całe ciepło wytwarzane wewnątrz satelity kosmicznej musi zostać odprowadzone na zewnątrz, czyli w przestrzeń kosmiczną.
Nie możemy skorzystać z ruchu konwekcyjnego, bo bez atmosfery ziemskiej nie występuje, zatem wykorzystujemy jedyny dostępny w tym przypadku mechanizm wymiany ciepła, czyli promieniowania. Sprowadza się to do tego, że ciepło generowane przez tę gęsto upakowaną aparaturę wewnątrz satelity wyprowadza się do obudowy i tam jest wypromieniowane do przestrzeni kosmicznej, czyli mówiąc prościej: ogrzewa się obudowę, a przestrzeń kosmiczna ją „pochłania”. Naszym zadaniem jest dobrze przemyśleć i zaplanować system odprowadzania tego ciepła z nagrzewających się elementów do obudowy satelity – wyjaśnia.
Prototypy stworzone przez konsorcjum (urządzenia do chłodzenia anteny oraz do chłodzenia specjalnych detektorów) będą wielokrotnie testowane, m.in. w termicznej komorze próżniowej. Powstaną pod ścisłym nadzorem finansującej projekt Europejskiej Agencji Kosmicznej.
Lucyna Róg, źródło: PWr