Optimierung des Wärmeaustauschflusses in der Mikrogravitation

31. Juli 2023

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von der NASA

Flugzeuge, Züge, Autos … und Raumfahrzeuge. Während alle vier dieser Transportinnovationen auf Kraftstoff zur Energiegewinnung basieren, ist das Wärmemanagement eine weitere Schlüsselkomponente. Ohne die Kontrolle der Verteilung und des Wärmeflusses innerhalb eines Systems wie der Internationalen Raumstation und anderer kommerzieller Raumfahrzeuge wären die Temperaturen im Inneren der Schiffe angesichts der extrem heißen und kalten Temperaturen im Weltraum für Astronauten nicht erträglich.

Dieses komplexe Problem ist nur eine der vielen Herausforderungen, die von NASA-Forschern für physikalische Wissenschaften am Glenn Research Center im Rahmen des Flow Boiling and Condensation Experiment (FBCE) untersucht werden.

Erkenntnisse aus dem Kondensationsmodul für Wärmeübertragung (CM-HT) des FBCE werden voraussichtlich eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung zukünftiger Weltraum- und Erdsysteme spielen. Dazu gehören die Stromerzeugung im Weltraum, der Lebensraum auf Planeten, die Temperaturkontrolle von Raumfahrzeugen, die Lagerung von kryogenen Flüssigkeiten, die Abfallentsorgung, das Laden von Elektrofahrzeugen, die Kühlung von Kampfflugzeugen unter unterschiedlichen G-Lasten und regenerative Brennstoffzellen.

Die wissenschaftlichen Ziele von CM-HT zielen darauf ab, eine Datenbank zur Strömungskondensation zu erstellen, die zur Bewertung der Kondensationswärmeübertragung in der Mikrogravitation sowie zur Entwicklung von Kriterien für die Unabhängigkeit der Strömungskondensation von der Schwerkraft verwendet wird. Solche Kriterien werden für die Entwicklung effizienter Strömungskondensatoren für Raumfahrtanwendungen verwendet. Für Designanwendungen werden mathematische Vorhersagemodelle zur Strömungskondensation, CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics) und Designkorrelationen entwickelt.

Das FBCE wird als primäre Plattform für die Erfassung von Zweiphasen-Siede- und Kondensationswärmeübertragungsdaten in der Schwerelosigkeit dienen. Das CM-HT-Testmodul verfügt über ein dünnwandiges Edelstahlrohr, das konzentrisch entlang eines weiteren zylindrischen Kanals positioniert ist, der aus einem hochwärmeisolierenden Material besteht.

Der Testflüssigkeitsdampf strömt durch das Innenrohr und kondensiert, indem er Wärme an einen Gegenstrom von Wasser durch den Ringraum abgibt. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der äußeren Kanalwand wird sichergestellt, dass die gesamte Wärme zwischen den beiden Flüssigkeiten übertragen wird. Aufgrund seiner im Vergleich zu anderen Metallen geringen Wärmeleitfähigkeit minimiert Edelstahl axiale Leitungseffekte und ermöglicht eine weitgehend radiale Wärmeübertragung zwischen den Flüssigkeiten.

Durch den Vergleich der Mikrogravitations-Wärmeübertragungsdaten mit Daten, die in der Schwerkraft der Erde gewonnen wurden, wird es möglich sein, den Einfluss von Körperkräften auf Zweiphasen-Transportphänomene zu ermitteln, um mechanistische Modelle und Korrelationen zu verfolgen und dabei zu helfen, die Mindestströmungskriterien zu bestimmen sorgen für ein von der Schwerkraft unabhängiges Sieden und Kondensieren.

Zweiphasenströmungen mit niedriger Geschwindigkeit in der Mikrogravitation stellen ernsthafte Herausforderungen dar, denen man in der Schwerkraft der Erde normalerweise nicht begegnet. Wenn die Schwerkraft sinkt, kommt ein neues Gleichgewicht zwischen Trägheit, Oberflächenspannung und Körperkräften ins Spiel, sodass sich die grundlegende Mechanik der Strömungsgrenzflächenstruktur drastisch ändert. Um diese Effekte zu untersuchen, wurde die FBCE-Anlage im umlaufenden Labor der ISS Fluid Integrated Rack (FIR) installiert, das eine großartige Mikrogravitationsumgebung für die Zweiphasenströmungsforschung bietet.

Strömungssieden und Kondensation wurden als zwei Schlüsselmechanismen für den Wärmetransport identifiziert, die für die Gewichts- und Volumenreduzierung sowie Leistungssteigerung in zukünftigen Raumfahrtsystemen von entscheidender Bedeutung sind. Die Ergebnisse dieser Untersuchung werden letztendlich die Optimierung des Designs von Strömungskesseln und Strömungskondensatoren für den Einsatz bei Langzeitmissionen mit hohem Leistungsbedarf in der Mikrogravitationsumgebung unterstützen. Effiziente Kessel und Kondensatoren sorgen für eine effiziente Energienutzung bei Langzeiteinsätzen. Da Raumfahrtsysteme mit einem begrenzten Energiebudget arbeiten, wird eine strenge Beschränkung der verfügbaren Energie zusätzlich der Energieeinsparung von Missionen zugute kommen.

Diese weltraumgestützten Studien werden auch die Wärmeübertragungsmechanismen auf der Erde vorantreiben, indem sie die Leistung von Wärmetauschern optimieren. Verbesserte Ladezeiten für Elektrofahrzeuge, Kühlung von Raketentriebwerken und Antriebssysteme für Kampfflugzeuge sind nur einige der mechanischen Systeme auf der Erde, die ebenfalls von dieser Weltraumtechnologie profitieren werden.

Zur Verfügung gestellt von der NASA