Pulsacyjne rurki ciepła, znane jako PHP (z ang. Pulsating Heat Pipes) 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.

Rurki z kosmiczną misją?

PHP budzą takie zainteresowanie, bo – jak tłumaczy dr hab. inż. Sławomir Pietrowicz, prof. uczelni z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego – to rurki z „super właściwościami”.

– Są bardzo efektywne. Wystarczy mniej niż szklanka tzw. czynnika roboczego, czyli np. wody, etanolu czy 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 naukowiec.

PHP jest kapilarą, czyli bardzo cienką rurką, powyginaną w kształt litery „U”.  Można ją wykonać z dowolnego materiału – szkła, miedzi czy innego metalu – zgodnie z zapotrzebowaniem. 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 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 np., że takie rurki powodują mikrodrgania na tyle znaczące, że dochodzi do wibracji urządzeń zainstalowanych w satelicie obok nich, choćby kamery. Efektem byłyby zakłócenia obrazu – tłumaczy Mateusz Przeliorz, Project Manager z KP Labs. – Dlatego konieczne jest scharakteryzowanie, jak duże mogą być te mikrodrgania lub stworzenie rozwiązań, które by je minimalizowały.

Zadanie podjęły gliwicka firma KP Labs (jako lider projektu*), specjalizująca 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 oraz Adaptronica – firma wywodząca się z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN i zajmująca się tzw. technologiami inteligentnymi, w tym m.in. związanymi z tłumieniem drgań.

W konsorcjum są także naukowcy z Politechniki Wrocławskiej – zespół prof. Pietrowicza z Katedry Termodynamiki i Odnawialnych Źródeł Energii. Badacze są odpowiedzialni 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.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Inne

Nowe metody dekarbonizacji i produkcji wodoru na Politechnice Wrocławskiej

Innowacyjne metody elektrochemiczne, które posłużą do uzdatniania wody, dekarbonizacji wielkoemisyjnych gałęzi przemysłu czy ulepszenia produkcji wodoru będą przedmiotem badań pod kierownictwem dra inż. Sławomira Porady na Politechnice Wrocławskiej.

Inne

Polski przemysł kosmiczny jest coraz ambitniejszy

Polacy planują m.in. wykonanie map złóż surowców na Księżycu i badania mechaniki gruntu w warunkach niskiej grawitacji. Takie koncepcje to efekty rocznych konsultacji branżowych, które odbywały się pod przewodnictwem Polskiej Agencji Kosmicznej. Eksperci oceniają, że polski przemysł kosmiczny ugruntował już swoją pozycję na rynku europejskim i światowym. Ich zdaniem priorytetem powinna być dla nas dobra współpraca z Europejską Agencją Kosmiczną i NASA. Ważne jest jednak również rządowe wsparcie dla sektora.

Prototypy po wielu testach

– 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.

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 instytucji finansującej, czyli Europejskiej Agencji Kosmicznej, a konsorcjanci zobowiązali się, że urządzenia będą na poziomie technologicznym TRL-4, czyli ich działanie zostanie zweryfikowane w środowisku zbliżonym do rzeczywistego.

Projekt już się rozpoczął – aktualnie jego uczestnicy są na pierwszym etapie prac, zakładającym określenie wymagań dla urządzeń, m.in. na podstawie dotychczasowych efektów badań opisanych w literaturze naukowej.

Na Politechnice Wrocławskiej nad projektem pracują: dr hab. inż. Sławomir Pietrowicz, prof. uczelni, dr inż. Cezary Czajkowski, dr inż. Przemysław Błasiak, dr Marek Lewkowicz, dr inż. Andrzej I. Nowak i doktorant mgr inż. Marcin Opalski.

Źródło: Politechnika Wrocławska