Naukowcy z Wydziału-Mechaniczno-Energetycznego przeprowadzili badania w ogromnej maszynie obrotowej w Centrum Technologii Kosmicznej i Mikrograwitacji (ZARM) w Bremie. Sprawdzali, jak duże przeciążenia wpływają na chłodzenie za pomocą pulsacyjnej rurki ciepła. W przyszłości te niewielkie kapilary mogą być elementem kosmicznych rakiet i satelitów.

Badania prowadzą naukowcy z Katedry Termodynamiki i Odnawialnych Źródeł Energii. Dr hab. inż. Sławomir Pietrowicz, prof. uczelni i doktorant Cezary Czajkowski spędzili w Bremie w sumie trzy tygodnie – w sierpniu i w październiku. W tym czasie dopracowywali swoją aparaturę i prowadzili eksperymenty w Large-Scale Centrifuge – ogromnej maszynie obrotowej, największej takiej „wirówce” w Europie. Urządzenie ma 12,5 metra średnicy i rozpędza się do 160 km na godz., obracając obiektami ważącymi nawet 1,5 tony. Jest w stanie zapewnić przeciążenie o wartości maksymalnie do 25g, czyli większe niż na pokładzie rakiety kosmicznej w czasie startu.

Super rurki polecą w kosmos?

Nasi badacze wykorzystują je, by sprawdzić, co dzieje się w pulsacyjnej rurce ciepła przy dużych przeciążeniach. Na Ziemi te niewielkie rurki są doskonałą alternatywą dla tradycyjnych procesów chłodzenia. Wszystko dzięki zachodzącym w nich zjawiskom kapilarnym. W ich wnętrzu znajduje się tzw. czynnik roboczy, czyli płyn taki jak woda, aceton czy etanol. Pod wpływem dostarczonego ciepła w środku tworzą się pęcherzyki pary, które przemieszczają się ku górze rurki, „pociągając” za sobą ciecz, co dzieje się pulsacyjnie, czyli prawie cyklicznie. W ten sposób płyn odbiera ciepło z miejsca, w którym jest generowane. Gdzie trafia dalej – zależy od potrzeby. Może np. zasilać urządzenie korzystające z energii cieplnej albo zostać przekazane do materiału zmiennofazowego, który to ciepło zakumuluje do wykorzystania na później. Najważniejsze jest jednak samo odbieranie ciepła, bo w tym rurki sprawdzają się nawet 150 razy lepiej niż miedź – uważana za jeden z najlepszych przewodników ciepła.

Badacze z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego PWr przekonują, że dzięki tej super właściwości rurki mogą w przyszłości stać się elementem systemu chłodzenia w rakietach kosmicznych i satelitach. – Każdy kilogram wyniesiony w przestrzeń kosmiczną to ogromne koszty. Szacuje się, że nawet 10 tys. euro – podkreśla prof. Sławomir Pietrowicz. – Zastosowanie pulsacyjnych rurek ciepła, które mają niewielką masę, pozwoliłoby na ogromne oszczędności.

Najpierw potrzebne są jednak szczegółowe badania, analizy i eksperymenty, które potwierdzą skuteczność tego rozwiązania i jego bezpieczeństwo. Pierwszym krokiem w tym kierunku mają być badania naszych naukowców. Już w 2018 r. na łamach prestiżowego czasopisma „International Journal of Thermal Sciences” badacze opublikowali artykuł, w którym pokazali, że siła odśrodkowa generowana przez ruch obrotowy pozytywnie wpływa na przewodnictwo cieplne tych rurek. Zwiększa bowiem częstotliwość pulsacji i zmniejsza amplitudę przemieszczania się cieczy. Efektem są jeszcze lepsze parametry cieplne, czyli bardziej wydajne chłodzenie.

- Udowodniły to nasze szczegółowe analizy oraz testy przeprowadzone na małym urządzeniu obrotowym zainstalowanym w naszym laboratorium – tłumaczy prof. Pietrowicz. – Jednak byśmy mogli zapewnić, że tak samo będzie działo się także w przestrzeni kosmicznej, potrzebowaliśmy badań w większym urządzeniu, z większymi przeciążeniami i w tzw. homogenicznym, czyli jednorodnym polu siłowym, co pomaga nam w interpretowaniu zjawisk fizycznych. Stąd nasze badania w niemieckim ZARM, czyli Centrum Technologii Kosmicznej i Mikrograwitacji.

10 tys. zdjęć na sekundę

Do eksperymentów w maszynie obrotowej Cezary Czajkowski zaprojektował i zbudował stanowisko, które pozwala na badania wpływ kształtu, stopnia wypełnienia i dostarczanego strumienia ciepła do pulsacyjnej rurki ciepła w warunkach oddziaływania zmiennej siły masowej. Wewnątrz oprócz rurek (szklanych – by możliwe było obserwowanie, co dzieje się w środku) znalazła się także grzałka oraz woda o temp. około 8 st. C, która zasilała zewnętrzny obieg chłodzący. Dzięki temu przez półtorej godziny każdej sesji w maszynie obrotowej płyn wewnątrz rurki mógł bez przeszkód stale odbierać ciepło i schładzać się. Cały proces rejestrowała kamera robiąca 10 tys. zdjęć na sekundę, a ich dokładność ułatwiał specjalny system luster.

- Wszystko to pozwoliło nam na bardzo dokładne zarejestrowanie struktury przepływu wielofazowego – tłumaczy Czajkowski. – Na razie obserwowaliśmy, jak ta struktura zmienia się przy różnych temperaturach utrzymywanych przez grzałkę i przy przeciążeniach do 10g, a więc takich z jakimi mamy do czynienia w samolotach. Docelowo chcemy zbadać zakres od 10 do 20 g, czyli przedział wartości przeciążeń powstających w czasie startu rakiety kosmicznej. Takie badania planujemy na przyszły rok.

Co ciekawe, naukowcy jako pierwsi do zewnętrznego układu chłodzenia w takim stanowisku użyli wody. I choć jest problematyczna (to przez nią na razie musieli ograniczyć się do niższych przeciążeń, bo w zbiorniku chłodzącym wytworzyło się ciśnienie o wartości bliskiej 4 bar, a wyższe mogłoby doprowadzić do eksplozji pojemnika), to jednak pod wieloma względami woda jest znacznie lepszym czynnikiem chłodzącym niż np. powietrze.

- Zwykle chłodzi się wentylatorem – opowiada Czajkowski. – Powietrze ma jednak małą przewodność cieplną i nawet jeśli zwiększymy strumień jego przepływu przez sekcję chłodzenia, to nadal marnie będzie odbierało ciepło. Woda natomiast przejmie zdecydowanie większą ilość energii cieplnej i do tego zrobi to z lepszym efektem, tzn. ma wyższe parametry cieplne . Ma to dla nas bardzo duże znaczenie, bo dzięki wodzie opracowaliśmy całkowicie wyizolowany system, na który warunki otoczenia nie mają żadnego wpływu.

Bond – tym razem nie do zadań specjalnych

Doktorant z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego musi teraz przeanalizować kilka godzin nagrań, z których każde dostarczyło mu setki tysięcy zdjęć. Wykorzysta do tego oprogramowanie Mathematica, do którego przygotował specjalny skrypt. Dzięki temu komputer rozpozna granicę między cieczą a gazem na każdej z klatek zdjęciowych i pokaże, jak te fazy się przesuwały. – A to pozwoli mi obliczyć wielkość pęcherzyka, objętość gazu i cieczy oraz jej prędkość– opowiada Czajkowski. W zespole, w którym pracuje doktorat, prowadzone są też badania nad zastosowaniem sztucznej inteligencji do takich analiz. Uczestniczą w nich naukowcy z Uniwersytetu Brighton.

- Przy pulsacyjnej rurce ciepła posługujemy się liczbą kryterialną nazywaną liczbą Bonda – opowiada Czajkowski. – Określa nam ona, jaką maksymalną średnicę może mieć rurka przy konkretnej wartości napięcia powierzchniowego i gęstości substancji, którą umieszczamy w jej wnętrzu, jeśli chcemy uzyskać najlepszą efektywność odbioru ciepła. Ta liczba w warunkach ziemskich jest czymś oczywistym i standardowym w obliczeniach. Tymczasem przy dużych przyspieszeniach ona zupełnie się nie sprawdza.

- A to oznacza, że w przyszłości trzeba będzie przedefiniować tzw. liczby kryterialne dla warunków mikro i hipergrawitacji pod kątem zastosowań w technologiach kosmicznych – dodaje prof. Pietrowicz.

Oprócz badań w hipergrawitacji w ZARM naukowcy z Katedry Termodynamiki i Odnawialnych Źródeł Energii prowadzą także w tym miejscu eksperymenty związane z działaniem pulsacyjnej rurki ciepła w mikrograwitacji – szczegóły tutaj.

Lucyna Róg