Bei Temperaturen auf dem Mond, die von minus 410 bis zu sengenden 250 Grad Fahrenheit reichen, ist es eine Untertreibung zu sagen, dass Menschen Lebensräume mit Wärme und Klimaanlage brauchen werden, um dort langfristig zu überleben.
Aber Heiz- und Kühlsysteme werden nicht effektiv genug sein, um Lebensräume für die Monderkundung oder sogar längere Reisen zum Mars zu unterstützen, ohne zu verstehen, was reduzierte Schwerkraft mit Sieden und Kondensation zu tun hat. Ingenieure konnten diese Wissenschaft nicht knacken – bis jetzt.
„Jeder Kühlschrank, jede Klimaanlage, die wir auf der Erde haben, beinhaltet Kochen und Kondensieren. Dieselben Mechanismen sind auch in zahlreichen anderen Anwendungen vorherrschend, darunter Dampfkraftwerke, Kernreaktoren und sowohl die chemische als auch die pharmazeutische Industrie“, sagte Issam Mudawar, Betty von der Purdue University Ruth und Milton B. Hollander Familienprofessor für Maschinenbau. „Wir haben über hundert Jahre lang ein Verständnis dafür entwickelt, wie diese Systeme in der Schwerkraft der Erde funktionieren, aber wir wussten nicht, wie sie in der Schwerelosigkeit funktionieren.“
Ein Team von Ingenieuren in Purdue unter der Leitung von Mudawar, der mit dem Glenn Research Center der NASA in Cleveland zusammenarbeitet, hat 11 Jahre damit verbracht, eine Einrichtung zur Untersuchung dieser Phänomene zu entwickeln.
Die Anlage heißt Flow Boiling and Condensation Experiment (FBCE). Erste Entwürfe wurden im schwerelosen Forschungslabor der Zero Gravity Corporation (Zero-G) getestet, einer speziell modifizierten Boeing 727, die parabolische Manöver fliegt, um die verringerte Schwerkraft auf dem Mond und dem Mars sowie die schwerelosen Bedingungen im Weltraum zu erzeugen.
Nach den Flugtests unterstützten NASA Glenn und die Abteilung für biologische und physikalische Wissenschaften der Agentur das Team von Mudawar bei der Erstellung einer kleineren Version des Experiments, die in das Fluids Integrated Rack auf der Internationalen Raumstation passte. Nachdem FBCE die Sicherheits- und Bereitschaftsprüfungen der NASA bestanden hatte, startete es im August 2021 zur Raumstation und hat seitdem den Forschern geholfen, das Geheimnis zu lüften, wie Sieden und Kondensieren in den extremen Umgebungen des Weltraums funktionieren.
Diese Antworten sind in Daten enthalten, die das Team aus zwei Sätzen von FBCE-Experimenten sammelt, die auf der Station stattfinden. Letzten Juli beendete das erste Experiment der Einrichtung das Sammeln aller Daten, die Wissenschaftler laut Mudawar benötigen, um zu verstehen, wie sich die reduzierte Schwerkraft auf das Sieden auswirkt. In den kommenden Monaten wird die Ausrüstung für das zweite Experiment im Rahmen einer Northrop Grumman-Mission für kommerzielle Nachschubdienste für die NASA (NG-19) in das umlaufende Labor gebracht, um Daten darüber zu sammeln, wie Kondensation in einer Umgebung mit reduzierter Schwerkraft auftritt.
Beide Experimente, aus denen die Anlage besteht, werden bis 2025 im Orbit bleiben, sodass die Fluidphysik-Community insgesamt von diesen Daten profitieren kann.
„Wir sind bereit, das Buch über die gesamte Wissenschaft des Fließens und Kochens bei reduzierter Schwerkraft buchstäblich zu schließen“, sagte Mudawar. „Astronauten auf dem Mond werden Klimaanlagen, Kühlsysteme und viele andere Systeme benötigen, die alle kochen und kondensieren müssen. Aufgrund des neuen Verständnisses, das wir aus Daten erhalten haben, die zeigen, wie diese Phänomene durch reduzierte Schwerkraft beeinflusst werden, können wir sie liefern Anleitung zur Dimensionierung der Ausrüstung, zur effektiven Gestaltung und zur Vorhersage ihrer Leistung.“
Die Forscher bereiten eine Reihe von Forschungsarbeiten vor, die Daten entpacken, die das FBCE auf der Internationalen Raumstation gesammelt hat, und die mehr als 60 Arbeiten ergänzen, die sie zu Schwerelosigkeit und Flüssigkeitsströmungen veröffentlicht haben, seit sie ihre Einrichtung zu Beginn des Projekts auf Zero-G-Flügen getestet haben .
Antworten auf jahrzehntealte Fragen
„Die Papiere, die wir während der Dauer dieses Projekts veröffentlicht haben, sind wirklich fast wie ein Lehrbuch für die Verwendung von Sieden und Kondensieren im Weltraum“, sagte Mudawar. „Seit mehr als 60 Jahren, seit Beginn der Raumfahrt, weiß das Fachgebiet, dass Sieden und Kondensieren ideal für den Weltraum sind, aber frühere Versuche, diese Konzepte in der Mikrogravitation zu untersuchen, waren nicht erfolgreich.“
Jedes Jahrzehnt veröffentlichen die National Academies einen Bericht, der die NASA, das Weiße Haus und den Kongress über Forschungsbereiche anleitet, die für die Finanzierung in den nächsten 10 Jahren priorisiert werden sollen. Im Bericht 2011, empfahlen zahlreiche Wissenschaftler, die Rolle der Schwerkraft bei der Steuerung des Dampf-Flüssigkeits-Verhaltens als eine dieser Prioritäten für die Weltraumforschung zu betrachten. Das FBCE-Projekt wurde als Reaktion auf den Dekadenbericht ins Leben gerufen.
Je weiter Missionen von der Erde entfernt sind, desto wahrscheinlicher ist das Raumschiff für diese Missionen Atomkraft brauchen. Im Vergleich zu anderen Arten von Prozessen, die das Heizen und Kühlen im Weltraum ermöglichen, sind Sieden und Kondensieren viel effektiver bei der Übertragung von Wärme für diese nuklearbetriebenen Fahrzeuge und Lebensräume. Sieden und Kondensieren würden es auch ermöglichen, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen kompakter und leichter zu machen.
Seit den 1970er Jahren arbeitet Mudawar daran, die Verwendung von Sieden und Kondensieren zu ermöglichen, um die Herausforderungen der Energieübertragung und Temperaturregelung für eine Vielzahl von Systemen zu bewältigen. Beispiele hierfür sind Hochtemperatur-Turbinensysteme, Supercomputer, Rechenzentren, Avionik, Leistungselektronik für Hybridfahrzeuge, Wasserstoff-Brennstoffzellen, Wärmebehandlung von Metalllegierungen, Teilchenbeschleuniger und Fusionsreaktoren.
Die größten Experimente ihrer Art
Laut Mudawar ist FBCE die erste Reihe von Experimenten, die Daten liefern, die umfangreich und systematisch genug sind, um die Modelle zu entwickeln, die Ingenieure benötigen, um alle Arten von Weltraumsystemen zu entwerfen, die Sieden und Kondensieren bei reduzierter Schwerkraft verwenden.
„Wir haben jetzt eine Grundlage für den Vergleich und die Gegenüberstellung von Daten sowohl für die Erdgravitation als auch für die reduzierte Schwerkraft, um Modellierungswerkzeuge zu finden, die auf ein breites Spektrum von Schwerkraft anwendbar sind“, sagte Mudawar.
Mudawar und seine Studenten haben in den letzten 11 Jahren drei Sätze von Vorhersagewerkzeugen auf der Grundlage von FBCE-Daten entwickelt. Ein Werkzeugsatz bringt die Daten in Form von Gleichungen, die Ingenieure zum Entwerfen von Weltraumsystemen verwenden können. Ein weiterer Satz identifiziert grundlegende Informationen über die Fluidphysik aus den Daten, und der dritte Satz besteht aus Computermodellen der Fluiddynamik.
Insgesamt würden diese Modelle es ermöglichen, vorherzusagen, welche Ausrüstungskonstruktionen in der Schwerkraft von Mond und Mars funktionieren könnten.
FBCE gehört der NASA größte und komplexeste Experiment für strömungsphysikalische Forschung. Zwischen Februar und Juli letzten Jahres führte die Einrichtung erfolgreich 234 Tests durch, die fast 3.800 Datenpunkte und eine gleiche Anzahl von Hochgeschwindigkeitsvideoaufzeichnungen ergaben.
Mehr als 35 Ingenieure und Techniker aus verschiedenen Teams der NASA Glenn haben an diesem Projekt gearbeitet und dabei geholfen, Designkonzepte von Mudawar und seinen Studenten in eine Einrichtung umzuwandeln, die in der Raumstation installiert werden könnte. Zu diesen Teams gehörten Glenns FBCE Engineering, Safety and Mission Assurance, Science, Software und Technician Teams sowie Fluids and Combustion Facility Operations Teams.
Fünfzehn frühere und aktuelle Purdue Ph.D. Studenten haben Mudawar bei allen Aspekten der Zusammenarbeit mit der NASA unterstützt. Zwei Purdue-Doktoranden, VS Devahdhanush und Steven Darges, halfen bei der Überwachung der Experimente auf der Raumstation über eine spezielle Workstation, die in Purdue eingerichtet wurde. Das Purdue-Team gab auch Empfehlungen zur Verfeinerung der Betriebsbedingungen für nachfolgende Tests, um den wissenschaftlichen Ertrag pro Test kontinuierlich zu verbessern.
Die Daten des FBCE würden nicht nur Weltraumsystemen, sondern auch der Technologie auf der Erde zugute kommen. Mudawar und sein Team nutzten die Lektionen, die sie aus diesen Daten über das Kochen gelernt hatten, und erfanden ein neues Ladekabeldesign für Elektrofahrzeuge, mit dem sie in weniger als fünf Minuten aufladen können. Die fortschrittlichsten Ladekabel von heute benötigen mehr als 20 Minuten, um ein Elektrofahrzeug aufzuladen. Eine Patentanmeldung für diese Erfindung des Schnellladekabels wurde über das Office of Technology Commercialization der Purdue Research Foundation eingereicht.
„Die Datenmenge, die aus dem FBCE kommt, ist absolut enorm, und genau das wollen wir“, sagte Mudawar.