ChinaIndien und die USA allen ist es in den 2020er Jahren gelungen, auf dem Mond zu landen.
Dort angekommen ist es ihr letztendliches Ziel eine Basis errichten. Aber eine erfolgreiche Basis muss – zusammen mit dem Raumschiff, das Menschen dorthin bringen wird – für Menschen bewohnbar sein. Und ein großer Teil der Schaffung einer bewohnbaren Basis besteht darin, sicherzustellen, dass die Heiz- und Kühlsysteme funktionieren.
Dies gilt insbesondere deshalb, weil die Umgebungstemperatur potenzieller Standorte für einen Stützpunkt stark variieren kann. Mond äquatoriale Temperaturen kann zwischen -130 °C und 120 °C (-208 °F und 250 °F) liegen – und ebenso zwischen -153 °C und 20 °C (-225 °F bis 70 °F) auf dem Mars.
Im Jahr 2011 wurden die National Academies of Science einen Bericht veröffentlicht Darin wird die Forschung in den Natur- und Biowissenschaften dargelegt, die Wissenschaftler für den Erfolg des US-Weltraumprogramms betreiben müssten. Der Bericht betonte den Bedarf an Forschung zum Bau von Heiz- und Kühlsystemen für Strukturen im Weltraum.
Ich bin ein Ingenieurprofessor, und als dieser Bericht herauskam, reichte ich einen Forschungsvorschlag bei der NASA ein. Ich wollte etwas untersuchen, das man das Flüssigkeits-Dampf-Phänomen nennt. Die Aufklärung der Wissenschaft hinter diesem Phänomen würde bei der Beantwortung dieser großen Fragen zur Aufrechterhaltung einer angenehmen und bewohnbaren Temperatur für Strukturen im Weltraum hilfreich sein.
Über ein Jahrzehnt nachdem wir einen Vorschlag eingereicht haben, wird das Projekt meines Teams jetzt auf der Internationalen Raumstation getestet.
Mit dem „Flow“ gehen‘
Flüssigkeits-Dampf-Systeme – oder Zweiphasensysteme – beinhalten den gleichzeitigen Fluss von Flüssigkeit und Dampf innerhalb eines Heiz- oder Kühlsystems. Während viele kommerzielle Klimaanlagen und Kühlsysteme auf der Erde Zweiphasensysteme verwenden, sind die meisten Systeme, die in Raumfahrzeugen und auf der Internationalen Raumstation verwendet werden, reine Flüssigkeitssysteme – oder Einphasensysteme.
In Einphasensystemen bewegt sich ein flüssiges Kühlmittel durch das System und absorbiert überschüssige Wärme, wodurch die Temperatur der Flüssigkeit steigt. Dies ähnelt dem Weg Autos nutzen Kühler zum Kühlen. Umgekehrt würde erhitzte Flüssigkeit im System die Wärme an die Umgebung abgeben, wodurch die Temperatur der Flüssigkeit auf ihr Ausgangsniveau sinkt.
Aber Flüssigkeits-Dampf-Systeme könnten es Wärme effektiver übertragen als diese einphasigen Systeme, und sie sind viel kleiner und leichter als rein flüssige Systeme. Bei Reisen im Weltraum muss man alles an Bord mit sich führen, daher ist eine kleine und leichte Ausrüstung unerlässlich.
In einem geschlossenen, zweiphasigen Flüssigkeits-Dampf-System finden zwei Schlüsselprozesse statt. In einem Fall verwandelt sich die Flüssigkeit während eines Prozesses namens „Fließkochen.“ Genau wie kochendes Wasser auf dem Herd erhitzt sich beim Fließkochen die Flüssigkeit und verdampft.
In im Weltraum eingesetzten Systemen durchläuft das Zweiphasengemisch Wärmeaustauschkomponenten, die die von Elektronik, Leistungsgeräten usw. erzeugte Wärme in das Gemisch übertragen. Dadurch erhöht sich allmählich die erzeugte Dampfmenge, da das System Wärme aufnimmt und Flüssigkeit in Dampf umwandelt.
Dann gibt es Strömungskondensation, bei dem der Dampf abkühlt und wieder flüssig wird. Bei der Strömungskondensation verlässt Wärme das System durch Strahlung in den Weltraum.
Wissenschaftler kontrollieren diese beiden Prozesse in einem geschlossenen Kreislauf So können sie die bei der Kondensation freiwerdende Wärme entziehen und nutzen. In Zukunft könnte diese Technologie zur Temperaturkontrolle in Raumfahrzeugen eingesetzt werden, die zum Mond, zum Mars oder darüber hinaus fliegen, oder sogar in Siedlungen oder Lebensräumen auf der Mond- und Marsoberfläche.
Dampf kondensiert in der Schwerelosigkeit in einem Strömungskondensationsmodul.
Bauen und testen
Mit dem Zuschuss der NASA für diese Arbeit entwarf ich ein experimentelles Programm namens „Fließsiede- und Kondensationsexperiment„Mein Team baute ein Flüssigkeitsmanagementsystem für das Experiment und zwei Testmodule: eines, das uns beim Testen des Fließsiedens half, und eines, das uns beim Testen der Fließkondensation half.
Im Moment ist die Geräte zum Heizen und Kühlen im Weltraum wurde auf der Grundlage von Experimenten zur Schwerkraft der Erde entwickelt. Unser Strömungssiede- und Kondensationsexperiment soll das ändern.
Zuerst haben wir getestet ob das System und die Module, die wir gebaut haben, funktionierten, wenn sie der Schwerkraft der Erde ausgesetzt waren. Als wir erfuhren, dass dies der Fall war, schickten wir sie in einem Brief hoch Parabelflugflugzeuge. Dieses Fahrzeug simulierte reduzierte Schwerkraft, sodass wir eine Vorstellung davon bekommen konnten, wie das System in einer weltraumähnlichen Umgebung funktioniert.
Im August 2021 haben wir das Flow-Boiling-Modul fertiggestellt und zur Internationalen Raumstation gebracht Tests in der Schwerelosigkeit. Bis Juli 2022 hatten wir die Siedeversuche abgeschlossen. Im August 2023 folgte das Strömungskondensationsmodul und wir werden bald mit der Arbeit an den abschließenden Kondensationstests beginnen.
Reaktion auf reduzierte Schwerkraft
Flüssigkeits-Dampf-Strömungssysteme reagieren weitaus empfindlicher auf die Schwerkraft als die derzeit verwendeten rein flüssigen Systeme, daher ist es schwieriger, solche zu konstruieren, die unter reduzierter Schwerkraft funktionieren.
Der Mechanismus hinter diesen Systemen hängt mit der Bewegung der Flüssigkeit relativ zum Dampf zusammen, und wie diese Bewegung aussieht, hängt davon ab ein Konzept namens Auftrieb.
Der Auftrieb wird durch die Schwerkraft sowie den Dichteunterschied zwischen Flüssigkeit und Dampf bestimmt. Jede Änderung der Schwerkraft beeinflusst also den Auftrieb des Systems und damit die Bewegung des Dampfes relativ zur Flüssigkeit.
Im Weltraum gibt es auch unterschiedliche Schwerkraftstärken, unter denen die Systeme möglicherweise funktionieren müssen. Erfahrung mit Raumfahrzeugen Mikrogravitation– nahezu Schwerelosigkeit –, während ein Mondlebensraum unter Schwerkraftbedingungen funktionieren würde ein Sechstel der Stärke der Erdanziehungskraftund ein Marslebensraum würde einer Schwerkraft ausgesetzt sein, die drei Achtel der Stärke der Erdschwerkraft beträgt.
Unser Team arbeitet an der Entwicklung von Strömungssiede- und Kondensationsmodellen, die unter all diesen reduzierten Schwerkraftniveaus funktionieren können.
Anwendungen für Weltraumlebensräume
Diese Ausrüstung könnte eines Tages in einem menschlichen Lebensraum auf dem Mond oder dem Mars eingesetzt werden, wo sie dazu beitragen würde, angenehme Temperaturen für Menschen und Maschinen im Inneren aufrechtzuerhalten. Eine Wärmepumpe, die unsere Fließkoch- und Fließkondensationssysteme nutzt, könnte die Wärme extrahieren, die Astronauten und ihre Maschinen abgeben. Anschließend würde es diese gesammelte Wärme aus dem Lebensraum ableiten, um das Innere kühl zu halten – ähnlich wie Klimaanlagen auf der Erde funktionieren.
Die Temperaturen im Weltraum können extrem und menschenfeindlich sein, aber mit diesen Technologien könnte mein Team eines Tages dabei helfen, Raumfahrzeuge und Lebensräume zu schaffen, die es den Menschen ermöglichen, den Mond und darüber hinaus zu erkunden.
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