L'astronauta della NASA Jack Fischer lavora con l'hardware del sorbente capillare, che è costituito da contattori stampati in 3D (al centro) con diversi canali capillari. I contattori, o strutture capillari oggetto di indagine, sono supportati da tubi, valvole, e una pompa. Questo esperimento altamente interattivo simula la fluidica di un sistema adsorbente liquido per la rimozione di CO2 dall'aria. Credito:NASA
A volte la migliore soluzione a un problema complesso è quella più semplice. Questo è l'approccio adottato dal team Capillary Structures for Exploration Life Support (Capillary Structures) durante la progettazione dell'indagine sulla fisica dei fluidi a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. L'indagine sulle strutture capillari utilizza l'azione capillare, o la capacità di un liquido di fluire attraverso spazi ristretti, come piccoli tubi, per spostare liquidi e gas in condizioni di microgravità, un compito che non può essere testato nell'ambiente gravitazionale terrestre.
La tecnologia di supporto vitale a bordo di qualsiasi veicolo spaziale è di vitale importanza, soprattutto quando gli equipaggi si allontanano dalla Terra e si spostano nello spazio profondo. Molti sistemi di supporto vitale funzionano in modo diverso nell'ambiente di microgravità della stazione spaziale rispetto a quanto farebbero sulla Terra, compreso il modo in cui i liquidi si raccolgono e si muovono sulle superfici.
Attualmente, i sistemi di supporto vitale a bordo della stazione spaziale richiedono attrezzature speciali per separare liquidi e gas. Questa tecnologia utilizza parti rotanti e mobili che, se rotto o comunque compromesso, potrebbe causare contaminazione e/o guasto del sistema. L'indagine sulle strutture capillari studia un nuovo metodo di riciclo dell'acqua e rimozione dell'anidride carbonica utilizzando strutture progettate in forme specifiche per gestire miscele di fluidi e gas in condizioni di microgravità.
Al contrario del costoso, processi automatizzati attualmente in uso a bordo della stazione, l'attrezzatura delle Strutture Capillari è costituita da piccoli, Forme geometriche stampate in 3D di varie dimensioni che si agganciano in posizione.
L'impatto di questa ricerca potrebbe avvantaggiare anche quelli sulla Terra. La ricerca raccolta durante questa indagine ci insegnerà a utilizzare la geometria per ottimizzare l'evaporazione, sistemi di recupero dell'acqua più efficienti, metodi di purificazione passiva, altri approcci per il trattamento dell'acqua sulla Terra.
Prototipo dell'hardware dell'evaporatore capillare composto da un banco di prova, sfondo luminoso, e bracci di prova per contenere strutture capillari trasparenti riempite con fluidi di prova. Le strutture vengono fotografate nel corso di diversi giorni mentre i fluidi evaporano. Credito:IRPI LLC
La prima di questa indagine in due parti si concentra sull'evaporazione, un processo che è specificamente influenzato dalla gravità e uno che non è ovvio nell'ambiente di microgravità dello spazio.
"Se potessi fare un'evaporazione controllabile nello spazio, potresti fare ogni genere di cose", ha detto Mark Weislogel, uno dei principali investigatori del progetto. "Potresti far evaporare l'urina e recuperare tutta l'acqua. Tutta. Se avessi un modo per trattenere il liquido in modo passivo, senza parti in movimento come fa una pozzanghera sulla terra, ma nello spazio, allora potresti fare molte elaborazioni uniche, in sicurezza e senza manutenzione."
I membri dell'equipaggio riempiranno ogni struttura mentre i team di ricerca a terra osservano il comportamento dei liquidi per alcuni giorni tramite la fotografia time lapse. I risultati dell'indagine potrebbero portare allo sviluppo di nuovi processi semplici, affidabile, e altamente affidabile in caso di guasto elettrico o altro malfunzionamento del sistema meccanico.
"Otterremo informazioni dettagliate su come il liquido evapora dalle strutture, " ha detto Kyle Viestenz, co-investigatore per il progetto. "Le strutture sono predisposte per avere geometrie diverse, angoli diversi, diverse altezze, tutti questi diversi parametri che stiamo variando attraverso queste strutture per ottenere dati quantitativi sull'evaporazione in condizioni di bassa gravità".
Il contattore capillare ad assorbimento progettato con parallelo, canali aperti per esporre il liquido all'aria ambiente mentre contiene e assorbe i fluidi in modo controllato. Credito:IRPI LLC
La seconda parte dell'indagine dimostra l'uso di fluidi in un sistema di rimozione dell'anidride carbonica, chiamato il sistema di assorbimento liquido di anidride carbonica. Questo sistema utilizza una rete di "cadute d'acqua" per portare un liquido assorbente, o un materiale utilizzato per assorbire i gas, a contatto con l'aria, permettendo all'anidride carbonica di essere trasportata dal liquido. Certo, in un ambiente di microgravità, il liquido non "cade, " ma è guidato da forze di tensione superficiale generate passivamente dalla geometria superficiale unica delle strutture capillari.
Comprende anche strutture capillari stampate in 3D, questa parte dell'indagine è ottimizzata affinché i liquidi scorrano attraverso le strutture, piuttosto che semplicemente evaporare.
"Una delle cose necessarie per rimuovere l'anidride carbonica dall'aria sarebbe quella di dividere il fluido in più canali per ottenere un'elevata superficie per la reazione, " ha detto Viestenz. "In questa indagine, divideremo il flusso in più passaggi aperti paralleli e li ricorderemo di nuovo, qualcosa che non è mai stato fatto prima e farà molto per dimostrare questo tipo di tecnologia. I risultati sono ampiamente applicabili ai combustibili liquidi, propellenti, e refrigeranti, nonché una miriade di operazioni di gestione passiva dell'acqua per il supporto vitale"
