A kompakt gőzkamra lehűti a kritikus elemeket

NASA Technology

Mielőtt az Apollo program 1969-ben az első embereket a Hold felszínére küldte, az 1960-as évek elejétől-közepéig a NASA Gemini projektje elvégezte az odajutáshoz szükséges alapvető kutatások nagy részét. 12 misszió során - közülük 10 személyzetet teljesítettek - a Gemini űrhajó pályára állt, hogy az ügynökség a mikrogravitációnak való kitettség egészségi hatásaitól a randevú és dokkoló logisztikáig, valamint az extravehicularis tevékenységek bemutatásáig mindent tanulmányozni tudjon.

A kutatás egy másik aspektusa az űrhajó rendszereinek működtetésére szolgáló alternatív technológiák kísérletezésével járt, mivel az ügynökség úgy vélte, hogy az akkumulátorok nem fognak elég sokáig tartani egy holdi misszióhoz. Az egyik, több küldetésen tesztelt technológia a Proton Exchange Membrane (PEM) üzemanyagcella volt. A General Electric által kitalált készülék katalizátorral látja el az áramot, amely eltávolítja az elektronjaik hidrogéngáz-atomjait, amelyek elektromos áramkörökön keresztül haladva áramot szolgáltatnak.

A megbízhatósági problémák miatt a PEM üzemanyagcellákat lúgos üzemanyagcellákkal helyettesítették, amelyek nagyobbak, de megbízhatóbbak. Az Apollo és az Űrsikló programok alkalikus fajtákat alkalmaztak űrhajóik meghajtására. De a NEM, az Amerikai Egyesült Államok Energetikai Minisztériuma és a magánszektor által a közelmúltban elért fejlesztések a PEM technológiában ismét megnyitották az eszköz lehetőségét az űrkutatásra.

A PEM tüzelőanyag-cellák támogató technológiáinak fejlesztése érdekében a 2000-es évek elején Kenneth Burke, a Glenn Kutatóközpont villamosmérnöke elkezdte vizsgálni ezen energiatermelő eszközök hűtésének új módjait. Hagyományosan a NASA folyékony hűtőfolyadékot használt, amely beáramlik az üzemanyagcellákba, és a hőt egy hűtőbordába szállítja ártalmatlanítás céljából, ami további bonyodalmakat jelent a rendszerben. „Az üzemanyagcellának le kell zárnia és szivattyúznia egy másik folyadékot benne, és kezelnie kell az összes vízvezetékét és elektronikáját. Ez egy olyan rendszer volt, amely a kívántnál több működő alkatrésszel rendelkezik.

Ennek a bonyolultságnak a megoldásaként Burke egyfajta passzív, zárt hurkú technológiához fordult, amely leegyszerűsíti a hűtési folyamatot. A hőcsövekre gondolt: hermetikusan lezárt fémlemezekre, amelyek belső fázisváltó folyadékot használnak a hő továbbítására. Alapvetően a hőcső a szomszédos forrásból veszi fel a hőt, ami a benne lévő folyadék elpárolgását okozza. A gőz a készülék alacsonyabb nyomású területére jut, ahol az energia átkerül egy hűtőbordára. Elvesztve az energiát, a gőz visszacsapódik folyadékká, és egy porózus fémszerkezet gonoszul visszavezet az elpárologtató szakaszba, ahol a folyamat újrakezdődik.

De a PEM üzemanyagcellás tervezésének részletei, nem is beszélve az űrbe szánt eszközökkel szemben támasztott különleges követelményekről, a meglévő hőcsöveket működésképtelenné tették. Az egyikhez a klasszikus csőszerű kialakítás helyett Burke-nek vékony, sík hőcsövekre volt szüksége. A sík hőcsövek beékelődnének az egyes üzemanyagcellák közé, amelyeket egymás tetejére raknának. Másodszor, mivel az egymásra rakott üzemanyagcellák jelentős nyomást gyakorolnak, a megmunkáló fémnek kivételesen erősnek kellett lennie. Ugyanakkor az üzemanyagköltség és a helykorlátozások azt jelentették, hogy a készüléknek könnyebbnek kellett lennie, mint az akkor elérhető volt.

Ahogy története során sokszor megtörtént, a NASA együttműködne a magánszektorral annak érdekében, hogy egy ilyen eszköz valósággá váljon.

Technológia transzfer

Az 1970-ben alapított Thermacore Inc. passzív hőkezelési technológiákkal foglalkozik. Burke korábban a pennsylvaniai székhelyű Lancaster céggel dolgozott együtt, és az arénában „a vezető vállalatnak” nevezte őket. "Felsoroltam azokat a specifikációkat, amelyekhez szükségem van erre a hőcsőre" - mondja -, és azt mondták: "Igen, természetesen meg tudjuk csinálni."

A vállalat először rézzel párosított vízzel kísérletezett, amely magas hővezető képesség miatt népszerű hőcsövek anyaga, de túl nehéznek találták. Ez azt jelentette, hogy könnyebb anyagot kell találniuk, és el kell kötelezniük magukat a mérnöki kutatások mellett. Ennek eredményeként 2008-ban a NASA az I. fázisú kisvállalkozások innovációs kutatásának (SBIR) finanszírozását adta a Thermacore-nak, majd ezt követően a II.

A Thermacore vezető kutatómérnöke, Szergej Semenov szerint 2008-ig kitalálták kollégáival olyasmit, amire "az alaki tényezőt tekintve senki más nem rendelkezik" - mondja -, és ez teljesítette a NASA összes követelményét. "

Lépjen be a vízbázisú titán gőzkamrába. A titán nemcsak kétszer könnyebb, mint a réz; ez is lényegesen erősebb. Tulajdonságai lehetővé teszik, hogy a gőzkamra teljes vastagsága mindössze 1,3 millimétert mérjen, miközben még mindig képes ellenállni 2000 font/négyzetcentiméter erőnek, ami azt jelenti, hogy több mint elegendő ereje van ahhoz, hogy kezelje a több üzemanyagcella egymáshoz szorító erőjét.

A cég ráadásul egy saját technológiát fejlesztett ki az eszköz gyártására, amely fejlesztése végére 90 százalékkal csökkentette a gyártási költségeket. "Nagy eredmény volt számunkra, mert szerettük volna megfizethetővé tenni a kereskedelmi alkalmazások számára" - mondja Semenov.

Előnyök

2013 márciusában a Thermacore kiadta a Thin Titanium-Vapor Chamber Therma-Base-t. A készülék passzív hőkezelést biztosít a hőtermelő elektronikához, például processzorokhoz, videokártyákhoz, rádiófrekvenciás erősítőkhöz, teljesítményerősítőkhöz és más eszközökhöz, amelyekhez könnyű, de erős hőkezelő rendszerek szükségesek - mondja Semenov. "Különösen a hadsereg fogja hasznosnak találni ezt a technológiát, mert az űrmissziókhoz hasonlóan egyes műveleteknek a tér- és súlykorlátokkal is foglalkozniuk kell, és ugyanez elmondható néhány más kereskedelmi iparról is."

Ami a megbízhatóságot illeti, a titán és a víz nem reagál kémiailag, ami azt jelenti, hogy nem képesek olyan gázokat előállítani, amelyek végül megakadályoznák a gőzkamra működését. Ha nem reagál a belső tér, ha az eszköz hermetikusan zárva marad, Semenov szerint "örökké működni fog".

Ennek a könnyű, vékony, mégis kivételesen erős gőzkamrának az megjelenése nem történt volna meg az ügynökség nélkül - mondja Semenov. „A NASA támogatása nélkül ez a termék nem létezne. Még mindig csak réz-víz kombinációkat használnánk. "

Burke szerint a technológia megérte a beruházást. „Ezekkel a titán gőzkamrákkal az ügynökség egy napon felhasználhatja a PEM üzemanyagcellákat a Holdhoz vagy a Marshoz vagy egy aszteroidához vezető, ember nélküli missziókhoz. A lehetőségekben nincs hiány. ”

A Thermacore a NASA-val közösen fejlesztette ki a PEM üzemanyagcellák hőkezelő készülékét, a Thin Titanium-Vapor Chamber-et, amelyet a jövőben a NASA missziói során fontolgatnak. Most már kereskedelemben kapható Therma-Base néven.

2012-ben a Glenn Kutatóközpont a Greater Cleveland Regional Transit Authority-val (RTA) és más szervezetekkel együttműködve hidrogénüzemű demonstrációs buszt adott az RTA flottához. Itt a busz egy olyan állomáson tankol, amely elektrolizátorral alakítja a vizet hidrogénné és oxigénné. A jármű Proton Exchange Membrane (PEM) üzemanyagcellái a hidrogént használják elektromos energia előállítására. A NASA a PEM üzemanyagcellás technológiáját kívánja használni a jövő űrhajóinak meghajtására.