Нагревать и охлаждать космические среды обитания непросто. Команда инженеров разрабатывает более легкое и эффективное решение

КитайИндия и Соединенные Штаты Все они успешно высадились на Луне в 2020-х годах.

Как только они доберутся туда, это будет их конечная цель. Настройка базы. Но успешная база, а также космический корабль, который будет доставлять на нее людей, должны быть пригодны для проживания людей. Большая часть создания жилой базы — это обеспечение работы систем отопления и охлаждения.

Это особенно актуально, поскольку температура окружающей среды в потенциальных местах расположения базы может сильно различаться. лунный Тропические температуры Она может варьироваться от -208°F до 250°F (от -130°C до 120°C) и аналогично от -225°F до 70°F (от -153°C до 20°C). На Марсе.

В 2011 году Национальные академии наук Опубликовал отчет Назовите исследования в области физических и биологических наук, которые ученым необходимо будет провести, чтобы космическая программа США была успешной. В докладе подчеркивается необходимость проведения исследований по созданию систем отопления и охлаждения конструкций в космосе.

я Профессор инженерииКогда этот отчет был опубликован, я представил НАСА предложение об исследовании. Я хотел изучить явление, называемое явлением жидкость-пар. Знание науки, стоящей за этим явлением, помогло бы ответить на эти важные вопросы о поддержании комфортной, пригодной для жизни температуры для структур в космосе.

Спустя более десяти лет после нашего предложения проект моей команды сейчас тестируется на Международной космической станции.

Плывите по «течению»

Системы жидкость-пар (или двухфазные системы) предполагают одновременный поток Жидкость и пар Внутри системы отопления или охлаждения. Хотя во многих коммерческих кондиционерах и холодильных системах на Земле используются двухфазные системы, большинство систем, используемых на космических кораблях и Международной космической станции, представляют собой чисто жидкостные системы, или однофазные системы.

В однофазных системах охлаждающая жидкость движется по системе и поглощает избыточное тепло, повышая температуру жидкости. Это похоже на метод Автомобили используют радиаторы для охлаждения. И наоборот, горячая жидкость в системе будет выделять тепло в окружающую среду, снижая температуру жидкости до исходного уровня.

Но парожидкостные системы могут Более эффективная передача тепла Это однофазные системы, которые намного меньше и легче чисто жидких систем. Путешествуя в космосе, вам приходится носить с собой все, что находится на борту, поэтому небольшое и легкое оборудование просто необходимо.

В закрытой двухфазной системе жидкость-пар происходят два основных процесса. В одном случае жидкость превращается в пар в результате процесса, называемого «Проточное кипение«Так же, как вода, кипящая на плите, в кипящем потоке жидкость нагревается и испаряется.

В системах, используемых в космосе, двухфазная смесь проходит через теплообменные компоненты, передающие в смесь тепло, вырабатываемое электроникой, силовыми устройствами и т. д. Это постепенно увеличивает количество производимого пара, поскольку система поглощает тепло и превращает жидкость в пар.

То есть Интенсификация потокаПар охлаждается и возвращается в жидкое состояние. По мере усиления потока тепло покидает систему, излучаясь в пространство.

Ученые контролируют эти два процесса В замкнутом цикле Таким образом, они могут извлекать и использовать тепло, выделяющееся при конденсации. В будущем эта технология может быть использована для контроля температуры в космических кораблях, направляющихся на Луну, Марс или за их пределы, или даже в поселениях или средах обитания на лунной и марсианской поверхности.

Сборка и тестирование

Получив грант НАСА на эту работу, я разработал экспериментальную программу под названием «Эксперимент по кипению и конденсации«Моя команда создала систему управления жидкостями для эксперимента и две испытательные установки: одну, которая помогла нам проверить кипение потока, и другую, которая помогла нам проверить уплотнение потока.

в настоящий момент, Оборудование, используемое для отопления и охлаждения В космосе он был разработан на основе гравитационных экспериментов Земли. Наш эксперимент по кипению и конденсации призван изменить это.

Сначала мы протестировали Работают ли система и модули, которые мы построили, под воздействием земной гравитации. Как только мы узнали, что они это сделали, мы отправили их сюда. Параболический летательный аппарат. Этот аппарат имитировал пониженную гравитацию, чтобы мы могли получить представление о том, как система будет работать в среде, аналогичной той, что существует в космосе.

В августе 2021 года мы завершили проточный кипящий модуль и запустили его на Международную космическую станцию. Тест в невесомости. К июлю 2022 года мы завершили эксперименты по кипячению. В августе 2023 года последовала установка проточной конденсации, и вскоре мы начнем работу над заключительными испытаниями конденсации.

Реакция на снижение силы тяжести

Системы потока жидкого пара Они гораздо более чувствительны к гравитации, чем используемые сейчас чисто жидкостные системы, поэтому сложно спроектировать системы, работающие в условиях низкой гравитации.

Механизм, лежащий в основе этих систем, связан с движением жидкости относительно пара и тем, как это движение выглядит. Понятие под названием плавучесть.

Плавучесть определяется силой тяжести, а также разницей плотностей жидкости и пара. Следовательно, любое изменение силы тяжести влияет на плавучесть системы и, следовательно, на движение пара относительно жидкости.

В космосе также существуют различные гравитационные силы, под которыми могут работать системы. Эксперимент с космическим кораблем Микрогравитация— Почти невесомость — в то время как лунные места обитания будут функционировать в условиях гравитации. Одна шестая силы гравитации ЗемлиМарсианская среда обитания будет действовать под действием гравитации в три восьмых земной.

Наша команда разрабатывает модели потоков кипения и конденсации, которые могут работать при всех этих уровнях низкой гравитации.

Приложения для космических сред обитания

Однажды это оборудование может войти в среду обитания человека на Луне или Марсе, где оно поможет поддерживать комфортную температуру для людей и машин внутри. Тепловой насос, использующий системы проточного кипения и проточной конденсации, мог бы извлекать тепло, выделяемое астронавтами и их машинами. Затем он отправляет собранное тепло за пределы среды обитания, чтобы поддерживать прохладу внутри, подобно тому, как кондиционеры работают на суше.

Температуры в космосе могут быть экстремальными и враждебными для человека, но используя эти технологии, моя команда может однажды помочь создать корабли и среды обитания, которые позволят людям исследовать Луну и за ее пределами.