Технология на НАСА

Преди програмата Apollo да изпрати първите хора на повърхността на Луната през 1969 г., в началото на средата на 60-те години на миналия век Проектът на Близнаците на НАСА извърши голяма част от фундаменталните изследвания, необходими за достигане до там. В рамките на 12 мисии - 10 от тях с екипаж - космически кораб Gemini излезе в орбита, за да позволи на агенцията да проучи всичко - от въздействието върху здравето на излагането на микрогравитация до логистиката за рандеву и скачване и демонстрацията на извънземни дейности.

Друг аспект на изследването включва експериментиране с алтернативни технологии за захранване на системите на космически кораб, тъй като агенцията смята, че батериите няма да издържат достатъчно дълго за лунна мисия. Една технология, тествана при няколко мисии, е горивната клетка с протонна обменна мембрана (PEM). Изобретено от General Electric, устройството осигурява електричество чрез катализатор, който отнема водородните газови атоми от техните електрони, които се движат през електрически вериги, осигурявайки мощност.

Поради проблеми с надеждността, PEM горивните клетки бяха заменени от алкални горивни клетки, които са по-обемисти, но по-надеждни. Програмите Apollo и Space Shuttle продължиха да използват алкални сортове за захранване на своите космически кораби. Но последните подобрения в PEM технологията, предизвикани от НАСА, Министерството на енергетиката на САЩ и частния сектор, отново отвориха възможността за използване на устройството за космически изследвания.

В интерес на подобряването на поддържащите технологии за PEM горивни клетки, в началото на 2000-те Кенет Бърк, електроинженер в Изследователския център на Глен, започна да търси нови начини за охлаждане на тези устройства за производство на енергия. Традиционно НАСА използва течен охлаждащ агент, който се влива в горивните клетки и пренася топлината към радиатора за изхвърляне, добавяйки още едно ниво на усложнение към системата. „Горивната клетка трябва да уплътнява и изпомпва друга течност в нея и да управлява цялата си водопроводна и електроника. Това беше система с повече работни части, отколкото беше желателно “, казва Бърк.

Като решение на тази сложност, Бърк се насочи към един вид пасивна технология със затворен цикъл, която би опростила процеса на охлаждане. Това, което той имаше предвид, бяха топлинни тръби: херметически затворени метални пластини, които използват вътрешна променяща фазата течност за пренос на топлина. По принцип топлинната тръба черпи топлина от съседен източник, което кара течността вътре да се изпарява. Парите се насочват към зоната с по-ниско налягане на устройството, където енергията се прехвърля към радиатор. След загубата на енергия, парите се кондензират обратно в течност и се отделят от пореста метална структура обратно към секцията на изпарителя, където процесът започва отново.

Но особеностите на дизайна на PEM горивни клетки, да не говорим за специалните изисквания към устройствата, предназначени за пространство, направиха съществуващите топлинни тръби неработоспособни. За една, вместо класическия тръбен дизайн, Burke се нуждаеше от тънки, равнинни топлинни тръби. Равнинните топлинни тръби ще бъдат вклинени между всяка двойка горивни клетки, които ще бъдат подредени една върху друга. Второ, тъй като подредените горивни клетки биха оказали значителен натиск, работният метал трябваше да бъде изключително здрав. В същото време, разходите за гориво и ограниченията на пространството означаваха, че устройството трябва да е по-леко от това, което се предлагаше по това време.

Както се е случвало много пъти през цялата му история, НАСА ще си сътрудничи с частния сектор, за да превърне подобно устройство в реалност.

Трансфер на технологии

Основана през 1970 г., Thermacore Inc. е специализирана в технологията за пасивно управление на топлината. В миналото Бърк е работил с базираната в Пенсилвания компания в Ланкастър, наричайки ги „водещата компания“ на тази сцена. „Изброих спецификациите, от които се нуждаех тази топлинна тръба“, казва той, „а те казаха:„ Да, разбира се, че можем да го направим. “

Компанията за първи път експериментира с вода, съчетана с мед, популярен материал за топлинни тръби поради високата си топлопроводимост, но е установено, че е твърде тежка. Това означаваше, че трябва да намерят по-лек материал и да се ангажират с повече инженерни изследвания. В резултат на това през 2008 г. НАСА предостави финансиране на Фаза I за иновации на малкия бизнес (SBIR) на Thermacore, последвано от финансиране от Фаза II по-късно същата година.

Според старшия инженер-изследовател на Thermacore Сергей Семенов това, което той и колегите му са измислили до 2008 г., е нещо, което „никой друг няма по отношение на неговия форм фактор“, казва той, „и то е изпълнило всички изисквания на НАСА“.

Влезте в титаниевата парна камера на водна основа. Титанът не само е два пъти по-лек от медта; също е значително по-силен. Неговите свойства позволяват общата дебелина на изпарителната камера да измерва само 1,3 милиметра, като същевременно е в състояние да издържи 2000 паунда на квадратен инч сила, което означава, че има повече от достатъчно сила, за да се справи със силата, наложена от няколко затегнати заедно.

Нещо повече, компанията разработи собствена техника за производство на устройството, която до края на своето развитие е намалила производствените разходи с 90 процента. „Това беше голямо постижение за нас, защото искахме да го направим достъпно за търговски приложения,“ казва Семенов.

Ползи

През март 2013 г. Thermacore пусна Thin Titanium-Vapor Chamber Therma-Base. Устройството осигурява пасивно управление на топлината на генерираща топлина електроника като процесори, видеокарти, радиочестотни усилватели, усилватели на мощност и други устройства, които изискват леки, но здрави системи за управление на топлината, казва Семенов. „В частност военните ще намерят тази технология за полезна, тъй като, подобно на космическите мисии, някои операции също трябва да се справят с ограниченията в пространството и теглото и същото може да се каже и за някои други търговски индустрии.

Що се отнася до надеждността, титанът и водата не реагират химически, което означава, че те не могат да произвеждат газове, които в крайна сметка биха попречили на паровата камера да работи. С нереактивен интериор, ако устройството остане херметично затворено, Семенов казва, „ще работи завинаги“.

Появата на тази лека, тънка, но изключително здрава парна камера нямаше да се случи без агенцията, казва Семенов. „Без подкрепата на НАСА този продукт нямаше да съществува. Все още бихме използвали само комбинации от мед и вода. "

Бърк казва, че технологията си заслужава инвестицията. „С тези камери с титаниеви пари агенцията може един ден да използва PEM горивни клетки за пилотирани или безпилотни мисии до Луната или Марс или до астероид. Не липсват възможности. "

компоненти

Thermacore е работил с НАСА за разработването на Thin Titanium-Vapor Chamber, устройство за термично управление на PEM горивни клетки, които се обмислят за бъдещи мисии на НАСА. Сега се предлага на пазара като Therma-Base.

През 2012 г. изследователският център на Глен си партнира с Регионалния транзитен орган на Грейтър Кливланд (RTA) и други организации, за да добави демонстрационен автобус с гориво от водород към флота на RTA. Тук автобусът зарежда с гориво на станция, която използва електролизатор за преобразуване на водата във водород и кислород. Горивните клетки с протонна обменна мембрана (PEM) на превозното средство използват водорода за генериране на електрическа енергия. НАСА се стреми да използва технологията PEM за горивни клетки за захранване на бъдещи космически кораби.