Dziewięć sekund mikrograwitacji – stanu zbliżonego do warunków, jakie panują w przestrzeni kosmicznej – tyle zapewnia jeden wystrzał w niemieckim ośrodku ZARM Drop Tower. Badania w tym miejscu zaczęli właśnie naukowcy z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego PWr. Za nimi pięć „lotów” ich eksperymentu badawczego, a kolejne są planowane na sierpień.

Wieża zrzutów jest częścią ZARM (Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation) – Centrum Technologii Kosmicznej i Mikrograwitacji działającego przy Uniwersytecie w Bremie. Platforma ma 146 m wysokości, a specjalna kapsuła z eksperymentami badawczymi jest w niej albo zrzucana w rurze próżniowej ze 120 m, albo wystrzeliwana w trybie katapulty z poziomu zero, gdzie osiąga maksimum, a następnie opada. Pierwsza forma badań zapewnia około 4,74 sekundy mikrograwitacji, druga – nawet do 9,3 sek.

Katapulta sprawia też, że kapsuła i zamknięta w niej aparatura podlegają przyśpieszeniu przekraczającym 10 g (to więcej niż doświadcza pilot w samolotach MiG-29 lub F-16 w czasie lotów z przeciążeniem). Zrzuty w warunkach mikrograwitacji można przeprowadzać m.in. w USA, Chinach, Japonii i Niemczech, ale katapultę ma tylko Brema.

Pod koniec czerwca swój projekt badawczy rozpoczęli tam naukowcy z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego PWr – dr hab. inż. Sławomir Pietrowicz, prof. uczelni i doktorant Andrzej Nowak z Katedry Termodynamiki i Odnawialnych Źródeł Energii we współpracy z prof. Marco Marengo oraz dr Luca Pietrasanta z brytyjskiego Uniwersytetu w Brighton.

Ich badania „µCOFfEe – Microgravity Capillary Oscillating Flow Experiment” dotyczą zjawiska przepływu kapilarnego m.in. w pulsacyjnych rurkach ciepła w mikrograwitacji – a więc przy niemal zerowym przyspieszeniu grawitacyjnym, czyli w warunkach podobnych do tych w przestrzeni kosmicznej.

Projekt jest możliwy dzięki finansowaniu z Europejskiej Agencji Kosmicznej w ramach programu CORA (Continuously Open Research Announcement) dedykowanego wieży zrzutów ZARM.

Rurki o niezwykłych właściwościach

Pulsacyjne rurki ciepła są bardzo cienkie i to właśnie ich niewielki przekrój poprzeczny decyduje o ich właściwościach. We wnętrzu tych rurek zachodzą bowiem zjawiska kapilarne – w największym uproszczeniu: pod wpływem wyższej temperatury tworzą się tam pęcherzyki pary, które popychają ciecz znajdującą się w rurce, co dzieje się w sposób pulsacyjny, czyli cykliczny. Takie rurki są wykorzystywane m.in. do odbioru ciepła z obszarów o wyższej temperaturze, czyli do jego chłodzenia. Wystarczy bowiem niewielka różnica temperatur, by rurka była w stanie przetransportować znaczne ilości ciepła. Rurki mają ponad 150 razy lepszą przewodność niż czysta miedź.

Obecnie pulsacyjne rurki ciepła są wykorzystywane w technologiach kosmicznych m.in. przez JAXA czyli Japońską Agencję Eksploracji Aerokosmicznej. W przyszłości ich stosowanie stanie się prawdopodobnie bardziej powszechne m.in. ze względu na niskie koszty wiążące się z tym rozwiązaniem.

Badania przepływów w pulsacyjnych rurkach ciepła w warunkach mikrograwitacji były już wykonywane i opublikowano na ich temat kilka artykułów naukowych. Jak podkreśla Andrzej Nowak, do tej pory badacze skupiali się jednak na prędkości przepływającego czynnika to fazy ciekłej lub gazowej jako najważniejszym czynniku warunkującym właściwości tego przepływu.

– Nikt nie sprawdził natomiast, jakie znaczenie ma kwestia przyspieszenia – tłumaczy doktorant. – Inercja, czyli bezwładność, z jaką mamy przecież do czynienia w mikrograwitacji, może wpływać np. na tempo przechodzenia jednego charakterystycznego typu przepływu w takiej rurce w inny.

Najbardziej typowy sposób przepływu to tzw. „slag plug”, czyli korkowy. W warunkach ziemskich dosyć szybko przechodzi on w „annular”, czyli przepływ pierścieniowy, w czasie którego rurka osiąga swoją największą sprawność termiczną. Natomiast gdy temperatura rośnie gwałtownie, może dojść do niekorzystnego zjawiska nazwanego „dry out”, czyli przesuszenia/wysychania, kiedy parametry termiczne gwałtownie spadają, gdyż zanika przepływ ciecz – para na korzyść samej pary.

W warunkach ziemskich jesteśmy w stanie obliczyć, kiedy nastąpią zmiany poszczególnych typów przepływów. W mikrograwitacji może się jednak okazać, że dotychczasowe modele nie uwzględniają ważnego czynnika, jakim jest bezwładność, i w związku z tym konieczne jest dopisanie „czegoś” do dotychczas stosowanych równań. Badania w ZARM pozwolą określić, co w tych równaniach powinno się znaleźć, by najlepiej opisywały zjawisko przepływu.

Dwie godziny przygotowań, dziewięć sekund efektu

Na razie badacze spędzili w Bremie tydzień, w czasie którego udało im się przeprowadzić swój eksperyment pięciokrotnie. Przed nimi jeszcze 19 takich katapult. Część z nich zaplanowano na sierpień.

– Przygotowania do każdego lotu trwają zdecydowanie dłużej niż on sam – opowiada Andrzej Nowak. – Przed każdym wystrzałem w komorze, w której działa katapulta, wytwarzana jest próżnia. Trwa to około dwóch godzin. Do tego koniecznie jest odpowiednie wyważenie kapsuły ze stanowiskiem badawczym i potrzebną aparaturą. Wszystko po to, by wyrzut przebiegł bez żadnych zakłóceń, a kapsuła opadając, powróciła do rury próżniowej, zatrzymując się w ośmiometrowym zbiorniku wypełnionym kulkami z polistyrenu. Zbiornik ten ma wyhamować kapsułę tak, aby możliwe było jej ponowne użycie. 

Naukowcy obecnie przeprowadzają eksperymenty z użyciem szklanych pulsacyjnych rurek ciepła, we wnętrzu których znajduje się woda. Kolejne testy mogą objąć inny rodzaj cieczy. Badacze są właśnie w trakcie analizy danych pozyskanych z pierwszych wystrzałów i zastanawiają się nad modyfikacjami eksperymentu w kolejnych lotach.

Badania z helem

Aktualne badania w ZARM są drugim projektem realizowanym w ostatnich latach przez naukowców z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego. W 2016 r. trwały zrzuty ładunków z eksperymentem o nazwie SHEEP (z ang. Superfluid Helium Evolution Phenomena). Była to wspólna inicjatywa Politechniki Wrocławskiej i Japońskiej Agencji Eksploracji Kosmicznej (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA). Naukowcy mieli do dyspozycji 33 zrzuty. Badali przepływ termiczny w helu nadciekłym w warunkach mikrograwitacji, m.in. by zaproponować alternatywną metodę modelowania tego zjawiska do powszechnie przyjętej teorii Landau’a i Khalatnikova, a także do badania procesów transportu ciepła na linii nasycenia. W warunkach mikrograwitacji można wyeliminować wpływ słupa cieczy na procesy cieplne.

Hel nadciekły – jako substancja o znikomej lepkości, a przede wszystkim bardzo wysokim współczynniku przewodzenia ciepła (a zatem będąca w stanie odprowadzać duże ilości ciepła) – jest stosowana do chłodzenia np. magnesów nadprzewodzących w instalacji LHC (Wielki Zderzacz Hadronów) w Genewie iurządzeń elektronicznych, także w przestrzeni kosmicznej. Chłodzi m.in. detektory do urządzeń badających dalekie zakątki wszechświata w paśmie podczerwieni.

– Jest to jednak substancja, którą bardzo trudno opisuje się matematycznie – podkreśla prof. Pietrowicz. – Tymczasem mikograwitacja modyfikuję fizykę wielu zjawisk i wiele kwestii upraszcza. Dlatego postanowiliśmy sprawdzić, czy możemy uprościć model opisujący dyssypację energii, czyli proces odprowadzania ciepła w helu nadciekłym w mikrograwitacji, eliminując część jego składowych. By to zrobić, musieliśmy najpierw bardzo dokładnie przenalizować ten proces i stąd nasze eksperymenty w Bremie. W naszym ładunku – specjalnie zbudowanym kriostacie – sprawdzaliśmy, co się stanie, gdy podgrzejemy niewielki element, taki jak drut, do temperatury powyżej 10 Kelwinów (czyli około -263 st. C) w helu nadciekłym o temperaturze około 1.6 K (-271st. C). Chcieliśmy zobaczyć, w jaki sposób nastąpi dyssypacja – tłumaczy.

Rezultaty swoich badań naukowcy opisali w kilku artykułach opublikowanych w czasopismach z listy filadelfijskiej.

Lucyna Róg