Només cal afegir bombolles per a futures naus espacials més fresques

Mantenir els sistemes frescs a l’espai és un problema d’enginyeria important. Tant la maquinària com les persones produeixen calor residual mentre funcionen, però de la mateixa manera un matràs al buit manté el cafè calent, l’entorn espacial que l’envolta impedeix que aquesta calor es dissipi de la nau espacial.

L’Estació Espacial Internacional (ISS), com moltes altres naus espacials tripulades, utilitza líquid que circula per tubs per absorbir la calor i passar-la a radiadors externs, coneguts com a “refrigeració d’una sola fase”.

Però els enginyers de l’ESA estan buscant ara una variació més eficient, anomenada “refrigeració en dues fases”, que ja s’utilitza àmpliament en centrals elèctriques terrestres i processos petroquímics.

S’anomena “bifàsica” perquè utilitza dues fases separades de la matèria: líquids i gasos. De manera contra-intuïtiva, el líquid refrigerant s’escalfa fins al punt d’ebullició mentre flueix per l’estructura que es refreda. El contacte amb la calor residual fa que el líquid bulli en bombolles de vapor. Aquest enfocament de “ebullició del flux” pot transportar la calor lluny de manera molt més ràpida i eficient.

“L’augment de l’eficiència de la transferència de calor a l’ebullició promet dispositius de sistema de control tèrmic més compactes i lleugers”, comenta Sebastien Vincent-Bonnieu de Equip SciSpacE de l’ESA. “L’ebullició és un fenomen complex, però, que combina transferències de calor i massa, hidrodinàmica, inestabilitats i fenòmens interfacials.

“A més, la gravetat afecta la dinàmica de fluids i pot conduir a rendiments impredictibles dels sistemes de gestió tèrmica en condicions de microgravetat. Per tant, vam decidir dur a terme experiments directament en entorns (gairebé) sense pes utilitzant el programa de l’ESA.Airbus A300 Zero-G’ per a vols parabòlics”.

Amb el suport de l’ESA i Airbus Defence and Space, l’Institut de Mecànica de Fluids de Tolosa (IMFT) dirigit per la Prof. Catherine Colin va dissenyar un petit bucle compacte per a l’estudi del flux d’ebullició en ingravidesa, instal·lant un circuit amb una bomba, un cabalímetre, preescalfadors, un condensador i tubs associats dins del volum estrictament limitat disponible.

“Aquest bucle està previst que s’instal·li a bord del mòdul Columbus de l’ISS, potser en la nova versió de l’European Drawer Rack, EDR2”, explica Balazs Toth, enginyer de sistemes de càrrega útil de l’ESA.

“Per validar el disseny, s’ha volat una versió de prova a les campanyes de vol parabòlic de l’ESA i el CNES: la primera produïa fluxos de bombolles a la Lluna, Mart i gravetats terrestres, així com en microgravetat”, comenta Olaf Schoele-Schulz, director de projecte d’Airbus. “El dispositiu experimental va resultar totalment operatiu, obrint el camí a investigacions de seguiment en òrbita”.

Les càmeres col·locades dins del dispositiu de prova van mostrar que el flux del líquid bombolla no era pertorbat fins i tot quan es movia una curta distància aigües avall des de les corbes de “colze” de 90 ° del bucle.

Punt d’ebullició

L’ebullició per microgravetat és un tema que estan investigant diversos equips europeus, que realitzen investigacions experimentals, teòriques i numèriques de diferents maneres, coordinades a través del programa d’aplicació de l’anàlisi multiescala de la microgravetat en ebullició o MAPA projecte, supervisat pel Prof. Colin.

“La comprensió i modelització del fenomen de l’ebullició requereix investigacions complementàries a diferents escales: des d’escala microscòpica amb bombolles aïllades fins a macroescala amb flux que bull en un tub”, afegeix Julien Sebilleau d’IMFT. “L’ebullició multiescala Càrrega útil RUBI llançat a l’ISS el juliol de 2019 i va funcionar durant un any i mig ha estat investigant l’ebullició a escala individual de bombolles”.

“Mentrestant, els vols parabòlics han permès proves a més gran escala, però per anar més enllà, més temps i millor requereixen condicions de microgravetat prolongades”, afegeix Sebastien. “Així que estem desitjant fer volar el nostre experiment d’ebullició de flux a bord de l’ISS”.