Trwają prace nad urządzeniem, które będzie chłodzić aparaturę w satelitach kosmicznych. Ma wykorzystywać tzw. pulsacyjne rurki ciepła i ważyć znacznie mniej niż obecne rozwiązania wynoszone nad Ziemię. Prototypy przygotuje konsorcjum dwóch polskich firm i zespołu naukowców z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego PWr.

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.

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.

*Projekt – finansowany przez Europejską Agencję Kosmiczną – nosi nazwę „Micro-G Disturbance Characterization And Mitigation In Pulsating Heat Pipes (PHP)”.

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.

Lucyna Róg