Diagramma schematico del circuito di prova per l'ebollizione a flusso. Attestazione:JAXA
Man mano che i veicoli spaziali diventano più grandi, aumenta anche il calore che producono. Ciò significa che i veicoli costruiti per l'esplorazione spaziale a lungo termine necessitano di sistemi di raffreddamento più efficienti.
L'indagine Two-Phase Flow esamina le caratteristiche di trasferimento del calore di come i liquidi bollenti si trasformano in vapore in condizioni di microgravità. L'ebollizione a flusso è l'ebollizione con flusso forzato su una superficie riscaldata, mentre il flusso bifase si riferisce a entrambe le fasi - vapore e liquido - che scorrono insieme in un unico canale o tubo. Usando un anello con un tubo di riscaldamento trasparente a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, i ricercatori stabiliranno la portata, potenza di riscaldamento, rapporto tra vapore e flusso totale, e altri effetti in condizioni diverse. Questi dati contribuiranno a una migliore comprensione fondamentale del comportamento del liquido e del vapore e del meccanismo di trasferimento del calore in condizioni di microgravità.
Sulla terra, questa comprensione ha potenziali applicazioni nella progettazione di sistemi di raffreddamento per computer ad alte prestazioni, server di dati, e veicoli elettrici.
Satoshi Matsumoto, uno scienziato di progetto con la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), detto "I sistemi di gestione termica devono rimuovere grandi quantità di energia termica, trasportare il calore disperso per lunghe distanze ai radiatori, e raffreddare alti livelli di energia termica generata da dispositivi di potenza. Realizzare tutto ciò richiede metodi più efficienti per rimuovere l'energia termica, e i dispositivi che utilizzano l'ebollizione e il flusso bifase mostrano più promesse rispetto ai metodi convenzionali".
L'ebollizione rimuove il calore trasformando il liquido in vapore sulla superficie riscaldata. I sistemi di raffreddamento utilizzano condensatori che raffreddano il vapore e producono condensa sulla superficie dell'unità, trasformando così quel vapore in liquido, a ciclo continuo. In un sistema a flusso bifase, il calore viene rimosso quando il liquido evapora durante l'ebollizione, con conseguente rimozione e trasporto del calore ad alte prestazioni.
Miscele di liquidi e bolle si comportano in modo molto diverso nello spazio, però.
L'hardware dell'esperimento, che si installa nel Multi-purpose Small Payload Rack nel modulo KIBO della stazione spaziale. Attestazione:JAXA
Sulla terra, le bolle generate dall'ebollizione lasciano la superficie del liquido a causa della forza di galleggiamento - le bolle sono circa 1, 000 volte meno denso del liquido. Quella forza di galleggiamento scompare nella microgravità, quindi le bolle non si staccano facilmente dalla superficie. Essenzialmente formano uno strato isolante in superficie e potrebbero ridurre significativamente il trasferimento di calore.
L'indagine creerà un database utile nella progettazione di sistemi di nuova generazione per la gestione del calore nello spazio. Attualmente, non esiste un database coerente per i comportamenti di flusso e trasferimento di calore di miscele di liquidi e vapori utilizzati per l'ebollizione del flusso in microgravità.
"Un database di flusso bifase bollente può anche mostrarci le condizioni in cui l'effetto gravità scompare, anche se il refrigerante o la geometria dei tubi cambiano, " Ha detto Matsumoto. "Questo è importante per la progettazione di sistemi di raffreddamento per i risultati di riferimento spaziale dall'esperimento orbitale nonostante il numero limitato di condizioni sperimentali".
"In sintesi, i nostri obiettivi scientifici sono chiarire i meccanismi dettagliati di trasferimento di calore, stabilire una mappa delle forze dominanti, e chiarire i dettagli dei comportamenti del flusso liquido-vapore, " ha detto l'investigatore principale Haruhiko Ohta, ricercatore presso il Dipartimento di Aeronautica e Astronautica della Kyusyu University in Giappone. "Questo esperimento di microgravità farà progredire la comprensione fondamentale del flusso bifase bollente, in particolare la relazione tra il trasferimento di calore e il comportamento all'interfaccia."
Inoltre, JAXA stabilirà standard per i sistemi di gestione termica dei veicoli spaziali utilizzando circuiti di circolazione a due fasi bollenti, compresi i circuiti di tubi di calore come metodo passivo alternativo al circuito pompato testato in questa indagine.
Sistemi di gestione termica più efficienti, nello spazio e sulla Terra, ci aiuterà a mantenere la calma.
