Temperaturkontrolle bei kryogenen Heatpipes für Anwendungen in der Raumfahrt

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Einführung in kryogene Raumfahrtanwendungen

Die laufende Entwicklung von weltraumbasierter Kommunikation, Sensoren und Experimenten sowie die Entwicklung der Raumfahrtelektronik treiben die Nachfrage nach einer strengeren thermischen Regelung und einer effizienteren Wärmeabfuhr in Umgebungen mit niedriger Temperatur und Mikrogravitation.

Das Ziel der NASA war die Entwicklung zuverlässiger Kühl-/Gefriermodule (R/F-Module) für zukünftige Raumfahrtprojekte der Biowissenschaft und der Biomedizin. Zu diesem Zweck versuchte die Raumfahrtbehörde, die komplizierten Schlüsseltechnologien für Kühl- und Gefriergeräte zu identifizieren, zu entwickeln und zu demonstrieren, die für diese fortschrittlichen R/F-Module erforderlich sind.

Herkömmliche Wärmemanagement-Lösungen wie Luft- oder Flüssigkeitskühlung sind bei Raumfahrtanwendungen keine praktikablen Optionen. Stattdessen entwickelte Aavid, der Unternehmensbereich für Wärmetechnik der Boyd Corporation, passive, zweiphasige Kühllösungen, die speziell für kryogene Anwendungen für die NASA entworfen wurden, um sie bei Space-Shuttle-Missionen zu testen.

Launch of Space Shuttle Discovery (STS-60)

Die Herausforderung der NASA bei der Tieftemperaturregelung

Die NASA entwickelte das SOR/F-Experiment (Stirling Orbital Refrigerator/Freezer), um Technologien auszutesten, die eine zuverlässige Kühlung bei Orbitalprojekten ermöglichen würden. Die Subsystemkandidaten für das SOR/F sollten auf Space Shuttle Discovery (STS 60) getestet werden.

Problematic Refrigerator in the Spacelab Life Sciences on STS 40
Problematischer Kühlschrank der Spacelab-Mission für Biowissenschaften auf der STS 40

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Die Boyd-Lösung für kryogene Temperaturregelung

Da es im Weltraum wenig bis gar keine Atmosphäre gibt, ist die Ableitung von Wärme in die Umgebungsluft keine Option für effektive Wärmemanagement-Lösungen. Die zuverlässigste Kühlmethode im Weltraum ist Strahlung, aber interne Bauteile haben möglicherweise keinen Zugang zu Strahlungsflächen.

Aavid hat Pionierarbeit geleistet bei der Entwicklung von kryogenen Heatpipes und Loop-Heatpipes, die für den Einsatz in Mikrogravitationsumgebungen konzipiert sind. Ingenieure von Aavid haben eine breite Palette von Heatpipe/Flüssigkeitssystemen für das kryogene Wärmemanagement demonstriert, darunter Helium bei -270 °C (3 K), Wasserstoff bei -250 °C (23 K), Neon bei -240 °C (33 K) und Sauerstoff bei -220 °C (53 K).

Aavid, der Unternehmensbereich für Wärmetechnik der Boyd Corporation, früher unter dem Namen Thermacore bekannt, empfohl der NASA, kryogene Heatpipes zum Wärmetransport für das SOR/F-Experiment zu verwenden. Aavid entwarf und fertigte für die NASA Kupfer- und Aceton-Heatpipe-Baugruppen für Tests auf der Space Shuttle Discovery.



Die Ergebnisse des Stirling Orbital Refrigerator/Freezer-Tests (SOR/F-Test)

Die Aceton-Arbeitsflüssigkeit ermöglichte den Heatpipes, bei Betriebstemperaturen zwischen -30 °C (243 K) und -60 °C (213 K) während der STS-60-Mission von Discovery zu arbeiten. Die SOR/F-Heatpipes erwiesen sich als fähig, in der Mikrogravitations-Umgebung des Weltraums bis zu 10 W Leistung abzuleiten.




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