Abbiamo abbastanza carburante per arrivare a destinazione? Questa è probabilmente una delle prime domande che ti vengono in mente ogni volta che la tua famiglia si prepara a intraprendere un viaggio. Se il viaggio è lungo, dovrai visitare le stazioni di servizio lungo il percorso per fare rifornimento durante il viaggio.
La NASA è alle prese con problemi simili mentre si prepara a intraprendere una missione sostenibile sulla Luna e pianifica future missioni su Marte. Ma mentre il carburante della tua auto è la benzina, che può essere conservata in modo sicuro e indefinitamente come liquido nel serbatoio dell'auto, i carburanti dei veicoli spaziali sono propellenti liquidi criogenici volatili che devono essere mantenuti a temperature estremamente basse e protetti da perdite di calore ambientale nel serbatoio del propellente del veicolo spaziale. .
E mentre esiste già una rete consolidata di stazioni di servizio commerciali per rendere il rifornimento della tua auto un gioco da ragazzi, non esistono stazioni di rifornimento o depositi criogenici sulla Luna o sulla strada per Marte.
Inoltre, conservare il propellente volatile per un lungo periodo e trasferirlo da un serbatoio di deposito nello spazio al serbatoio del carburante di un veicolo spaziale in condizioni di microgravità non sarà facile poiché la fisica dei fluidi di microgravità sottostante che influenza tali operazioni non è ben compresa. Anche con la tecnologia odierna, non è possibile preservare i combustibili criogenici nello spazio per diversi giorni e il trasferimento di carburante da serbatoio a serbatoio non è mai stato eseguito o testato in precedenza nello spazio.
Il calore condotto attraverso le strutture di supporto o dall'ambiente spaziale radiativo può penetrare anche nei formidabili sistemi di isolamento multistrato (MLI) dei serbatoi di propellente nello spazio, portando all'ebollizione o alla vaporizzazione del propellente e provocando l'autopressurizzazione del serbatoio.
La pratica attuale è quella di evitare di sovrapressurizzare il serbatoio e di metterne in pericolo l'integrità strutturale scaricando il vapore di ebollizione nello spazio. I propellenti di bordo vengono utilizzati anche per raffreddare le linee di trasferimento a caldo e le pareti di un serbatoio vuoto del veicolo spaziale prima che possa avvenire un'operazione di trasferimento e riempimento del carburante. Pertanto, il prezioso carburante viene continuamente sprecato durante le operazioni di stoccaggio e di trasferimento, rendendo le spedizioni di lunga durata, in particolare una missione umana su Marte, irrealizzabili utilizzando gli attuali metodi di controllo passivo della pressione del serbatoio del propellente.
Le tecnologie a ebollizione zero (ZBO) o a ebollizione ridotta (RBO) forniscono un mezzo innovativo ed efficace per sostituire l'attuale progettazione di controllo passivo della pressione del serbatoio. Questo metodo si basa su una complessa combinazione di processi di miscelazione attiva e dipendente dalla gravità e di rimozione dell'energia che consentono il mantenimento di una pressione sicura del serbatoio con perdite di carburante pari a zero o significativamente ridotte.
Al centro del sistema di controllo della pressione ZBO ci sono due meccanismi attivi di miscelazione e raffreddamento proposti per contrastare l'autopressurizzazione del serbatoio. Il primo si basa sulla miscelazione a getto intermittente, forzata e sottoraffreddata del propellente e prevede un'interazione complessa, dinamica, dipendente dalla gravità tra il getto e il vuoto (volume del vapore) per controllare il cambiamento di fase di condensazione e evaporazione all'interfaccia liquido-vapore.
Il secondo meccanismo utilizza l’iniezione di goccioline sottoraffreddate tramite una barra di spruzzatura nel vuoto per controllare la pressione e la temperatura del serbatoio. Sebbene quest'ultima opzione sia promettente e stia guadagnando importanza, è più complessa e non è mai stata testata in condizioni di microgravità, dove il cambiamento di fase e il comportamento di trasporto delle popolazioni di goccioline possono essere molto diversi e non intuitivi rispetto a quelli sulla Terra.
Sebbene l’approccio ZBO dinamico sia tecnologicamente complesso, promette un vantaggio impressionante rispetto ai metodi passivi attualmente utilizzati. Una valutazione di un concetto di propulsione nucleare per il trasporto su Marte ha stimato che le perdite passive per evaporazione di un grande serbatoio di idrogeno liquido che trasporta 38 tonnellate di carburante per una missione di tre anni su Marte sarebbero di circa 16 tonnellate/anno.
Il sistema ZBO proposto fornirebbe un risparmio del 42% sulla massa di propellente all'anno. Questi numeri implicano anche che con un sistema passivo, tutto il carburante trasportato per una missione di tre anni su Marte andrebbe perso per evaporazione, rendendo tale missione irrealizzabile senza ricorrere alla tecnologia trasformativa ZBO.
L'approccio ZBO fornisce un metodo promettente, ma prima che una trasformazione tecnologica e operativa così complessa possa essere completamente sviluppata, implementata e dimostrata nello spazio, è necessario chiarire e risolvere questioni scientifiche importanti e decisive che influiscono sulla sua implementazione ingegneristica e sulle prestazioni in microgravità.
Esperimenti scientifici sulla microgravità del serbatoio a zero boil-off (ZBOT)
Sono in corso esperimenti sul serbatoio a ebollizione zero (ZBOT) per creare una base scientifica per lo sviluppo del metodo trasformativo di conservazione del propellente ZBO. Seguendo la raccomandazione di un gruppo di revisione scientifica ZBOT composto da membri dell'industria aerospaziale, del mondo accademico e della NASA, è stato deciso di eseguire l'indagine proposta come una serie di tre esperimenti scientifici su piccola scala da condurre a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. I tre esperimenti descritti di seguito si basano l'uno sull'altro per affrontare le principali questioni scientifiche relative alla gestione dei fluidi criogenici ZBO dei propellenti nello spazio.
Il primo esperimento della serie è stato effettuato sulla stazione nel periodo 2017-2018. La seconda immagine sopra mostra l'hardware ZBOT-1 nell'unità MSG (glovebox scientifico) della stazione. L'obiettivo principale di questo esperimento era studiare l'autopressurizzazione e l'ebollizione che si verificano in un serbatoio sigillato a causa del riscaldamento locale e globale, e la fattibilità del controllo della pressione del serbatoio tramite miscelazione a getto assiale sottoraffreddato.
In questo esperimento è stata attentamente studiata la complessa interazione del flusso del getto con il vuoto (volume di vapore) in condizioni di microgravità. Sono stati inoltre raccolti dati sulla miscelazione del getto di microgravità su un'ampia gamma di parametri di flusso e trasferimento di calore in scala per caratterizzare le costanti di tempo per la riduzione della pressione del serbatoio e le soglie per la formazione di geyser (fontana di liquido), inclusa la sua stabilità e la profondità di penetrazione attraverso il volume vuoto . Insieme a misurazioni molto accurate dei sensori di pressione e temperatura locale, è stata eseguita la velocimetria dell'immagine delle particelle (PIV) per ottenere misurazioni della velocità del flusso sull'intero campo per convalidare un modello di fluidodinamica computazionale (CFD).
Alcuni dei risultati interessanti dell'esperimento ZBOT-1 sono i seguenti:
I gas non condensabili (NCG) vengono utilizzati come pressanti per estrarre liquidi per il funzionamento del motore e il trasferimento da serbatoio a serbatoio. Il secondo esperimento, ZBOT-NC, indagherà l'effetto degli NCG sull'autopressurizzazione del serbatoio sigillato e sul controllo della pressione mediante miscelazione a getto assiale. Due gas inerti con dimensioni molecolari piuttosto diverse, xeno e neon, verranno utilizzati come pressanti non condensabili. Per ottenere il controllo o la riduzione della pressione, le molecole di vapore devono raggiungere l'interfaccia liquido-vapore che viene raffreddata dal getto di miscelazione e quindi attraversare l'interfaccia fino al lato liquido per condensare.
Questo studio si concentrerà su come nella microgravità i gas non condensabili possono rallentare o resistere al trasporto delle molecole di vapore all'interfaccia liquido-vapore (resistenza al trasporto) e chiarirà in che misura possono formare una barriera all'interfaccia e impedire il passaggio passaggio delle molecole di vapore attraverso l'interfaccia verso il lato liquido (resistenza cinetica). Influendo sulle condizioni dell'interfaccia, gli NCG possono anche modificare il flusso e le strutture termiche nel liquido.
ZBOT-NC utilizzerà sia i dati del sensore di temperatura locale che la diagnostica QDT (Quantum Dot Thermometry) sviluppata in modo esclusivo per raccogliere misurazioni della temperatura dell'intero campo non intrusive per valutare l'effetto dei gas non condensabili durante il riscaldamento con autopressurizzazione e la miscelazione/raffreddamento a getto di il serbatoio in condizioni di assenza di gravità. Si prevede che questo esperimento volerà sulla Stazione Spaziale Internazionale all'inizio del 2025 e sono previsti più di 300 diversi test di microgravità. I risultati di questi test consentiranno inoltre di sviluppare e convalidare ulteriormente il modello ZBOT CFD per includere gli effetti dei gas non condensabili con fedeltà fisica e numerica.
L'esperimento ZBOT-DP:effetti di cambiamento di fase delle goccioline
Il controllo attivo della pressione ZBO può essere ottenuto anche tramite l'iniezione di goccioline di liquido sottoraffreddate attraverso una barra di spruzzatura assiale direttamente nel volume del vuoto o del vapore. Questo meccanismo è molto promettente, ma le sue prestazioni non sono ancora state testate in condizioni di microgravità. L'evaporazione delle goccioline consuma il calore fornito dal vapore caldo che circonda le goccioline e produce vapore a una temperatura di saturazione molto più bassa. Di conseguenza, sia la temperatura che la pressione del volume del vapore a vuoto vengono ridotte.
L'iniezione di goccioline può essere utilizzata anche per raffreddare le pareti calde di un serbatoio di propellente vuoto prima di un trasferimento o di un'operazione di riempimento da serbatoio a serbatoio. Inoltre, durante lo spostamento del propellente causato dall'accelerazione del veicolo spaziale si possono creare goccioline, che poi subiscono un cambiamento di fase e un trasferimento di calore. Questo trasferimento di calore può causare un collasso della pressione che può portare alla cavitazione o a un massiccio cambiamento di fase liquido-vapore. Il comportamento delle popolazioni di goccioline nella microgravità sarà drasticamente diverso rispetto a quello sulla Terra.
L'esperimento ZBOT-DP indagherà la disintegrazione, la coalescenza (goccioline che si fondono insieme), il cambiamento di fase e le caratteristiche di trasporto e traiettoria delle popolazioni di goccioline e i loro effetti sulla pressione del serbatoio in condizioni di microgravità. Particolare attenzione sarà inoltre dedicata all'interazione delle goccioline con la parete riscaldata del serbatoio, che può portare ad evaporazione flash soggetta a complicazioni causate dall'effetto Liedenfrost (quando le goccioline liquide si allontanano da una superficie riscaldata e quindi non possono raffreddare la parete del serbatoio). .
Questi complicati fenomeni non sono stati esaminati scientificamente in microgravità e devono essere risolti per valutare la fattibilità e le prestazioni dell'iniezione di goccioline come meccanismo di controllo della pressione e della temperatura in microgravità.
Questa ricerca fondamentale sta ora aiutando i fornitori commerciali di futuri sistemi di atterraggio per esploratori umani. Blue Origin e Lockheed Martin, partecipanti al programma Human Landing Systems della NASA, stanno utilizzando i dati degli esperimenti ZBOT per informare i futuri progetti di veicoli spaziali.
La gestione dei fluidi criogenici e l’uso dell’idrogeno come combustibile non si limitano alle applicazioni spaziali. L’energia verde pulita fornita dall’idrogeno potrebbe un giorno alimentare aerei, navi e camion sulla Terra, apportando enormi benefici climatici ed economici. Costituendo il fondamento scientifico della gestione dei fluidi criogenici ZBO per l'esplorazione spaziale, gli esperimenti scientifici ZBOT e lo sviluppo di modelli CFD contribuiranno anche a sfruttare i benefici dell'idrogeno come combustibile qui sulla Terra.
Fornito dalla NASA
