Azalan yerçekiminin kaynama ve yoğuşmayı nasıl etkilediğine dair bilimsel anlayışı tamamlamak için deneyler

Ay’da eksi 410’dan kavurucu 250 Fahrenheit dereceye kadar değişen sıcaklıklarla, insanların orada uzun süre hayatta kalabilmek için ısı ve iklimlendirmeye sahip habitatlara ihtiyaç duyacağını söylemek yetersiz kalır.

Ancak ısıtma ve soğutma sistemleri, azaltılmış yerçekiminin kaynama ve yoğuşmaya ne yaptığı anlaşılmadan, Ay’ı keşfetmek için yaşam alanlarını veya hatta Mars’a daha uzun yolculukları desteklemek için yeterince etkili olmayacaktır. Mühendisler şimdiye kadar bu bilimi çözemediler.

Purdue Üniversitesi Betty’den Issam Mudawar, “Dünya üzerindeki her buzdolabı, her klima sistemi kaynama ve yoğuşma içerir. Aynı mekanizmalar, buhar santralleri, nükleer reaktörler ve hem kimya hem de ilaç endüstrileri dahil olmak üzere diğer birçok uygulamada da yaygındır.” Ruth ve Milton B. Hollander Ailesi Makine Mühendisliği Profesörü. “Bu sistemlerin Dünya’nın yerçekiminde nasıl çalıştığına dair yüz yıldan fazla bir anlayış geliştirdik, ancak ağırlıksız ortamda nasıl çalıştıklarını bilmiyoruz.”

NASA’nın Cleveland’daki Glenn Araştırma Merkezi ile işbirliği yapan Mudawar liderliğindeki Purdue’deki bir mühendis ekibi, bu fenomenleri araştırmak için bir tesis geliştirmek için 11 yıl harcadı.

Tesisin adı Akış Kaynama ve Yoğunlaşma Deneyi (FBCE). İlk tasarımlar, Zero Gravity Corporation’ın (Zero-G) ağırlıksız araştırma laboratuvarında test edildi; özel olarak modifiye edilmiş bir Boeing 727, ay ve Mars’ta azaltılmış yerçekimlerini ve uzayda ağırlıksız koşulları yaratmak için parabolik manevralar yapıyor.

Uçuş sırasında yapılan testlerin ardından, NASA Glenn ve ajansın Biyolojik ve Fiziksel Bilimler Bölümü, Mudawar’ın ekibine, Uluslararası Uzay İstasyonundaki Akışkanlar Entegre Rafına sığacak deneyin daha küçük bir versiyonunu oluşturma konusunda yardımcı oldu. NASA güvenlik ve hazırlık incelemelerini geçtikten sonra FBCE, Ağustos 2021’de uzay istasyonuna fırlatıldı ve o zamandan beri araştırmacıların, uzayın aşırı ortamlarında kaynama ve yoğuşmanın nasıl çalıştığına dair gizemi çözmeye başlamasına yardımcı oldu.

Bu cevaplar, ekibin istasyonda gerçekleştirilen iki set FBCE deneyinden topladığı verilerde bulunuyor. Geçen Temmuz ayında, tesisin ilk deneyi, Mudawar’ın bilim adamlarının yerçekiminin azalmasının kaynamayı nasıl etkilediğini anlamaları gerektiğini söylediği tüm verileri toplamayı tamamladı. Önümüzdeki aylarda, ikinci deney için ekipman, azaltılmış bir yerçekimi ortamında yoğuşmanın nasıl gerçekleştiğine dair verileri toplamak için NASA (NG-19) için bir Northrop Grumman ticari ikmal hizmetleri misyonunun bir parçası olarak yörüngedeki laboratuvara fırlatılacak.

Tesisi oluşturan her iki deney de 2025 yılına kadar yörüngede kalacak ve akışkan fiziği topluluğunun bu verilerden yararlanmasına izin verecek.

Mudawar, “İndirgenmiş yerçekiminde akış ve kaynama biliminin tamamıyla ilgili kitabı tam anlamıyla kapatmaya hazırız” dedi. “Ay’daki astronotlar, tümü kaynama ve yoğuşma gerektiren klima sistemlerine, soğutma sistemlerine ve diğer birçok sisteme ihtiyaç duyacak. Bu fenomenlerin azaltılmış yer çekiminden nasıl etkilendiğini gösteren verilerden edindiğimiz yeni anlayış sayesinde, şunları sağlayabiliyoruz: ekipmanın nasıl boyutlandırılacağı, etkin bir şekilde nasıl tasarlanacağı ve performansının nasıl tahmin edileceği konusunda rehberlik.”

Araştırmacılar, FBCE’nin Uluslararası Uzay İstasyonunda topladığı verileri paketten çıkaran bir dizi araştırma makalesi hazırlıyor ve projenin başlangıcında tesislerini Zero-G uçuşlarında test ettikten sonra ağırlıksızlık ve sıvı akışı hakkında yayınladıkları 60’tan fazla makaleye ekliyorlar. .

Onlarca yıllık soruları yanıtlıyor

Mudawar, “Bu proje süresince yayınladığımız makaleler, uzayda kaynama ve yoğuşmanın nasıl kullanılacağına dair neredeyse bir ders kitabı gibidir.” Dedi. “Uzay uçuşunun başlangıcından bu yana 60 yılı aşkın bir süredir, alan kaynama ve yoğuşmanın uzay için ideal olduğunu biliyordu, ancak bu kavramları mikro yerçekiminde incelemeye yönelik önceki girişimler başarılı olmamıştı.”

Her on yılda bir Ulusal Akademiler, NASA, Beyaz Saray ve Kongre’ye önümüzdeki 10 yıl boyunca finansman için öncelik verecek araştırma alanlarına rehberlik eden bir rapor yayınlar. 2011 raporunda, çok sayıda bilim adamı, yerçekiminin buhar-sıvı davranışını kontrol etmedeki rolünün, uzay araştırmaları için bu önceliklerden biri olarak değerlendirilmesini tavsiye etti. FBCE projesi, on yıllık rapora yanıt olarak oluşturuldu.

Görevler Dünya’dan ne kadar uzaksa, bu görevler için uzay aracının olma olasılığı o kadar yüksektir. nükleer enerjiye ihtiyaç duyacak. Uzayda ısıtma ve soğutmayı sağlayan diğer işlemlerle karşılaştırıldığında, kaynama ve yoğuşma, nükleer enerjiyle çalışan bu araçlar ve yaşam alanları için ısı transferinde çok daha etkilidir. Kaynama ve yoğuşma ayrıca ısı, havalandırma ve iklimlendirme sistemlerinin daha kompakt ve hafif olmasını sağlar.

1970’lerden beri Mudawar, çok çeşitli sistemler için enerji transferi ve sıcaklık kontrolü zorluklarının üstesinden gelmek için kaynama ve yoğuşmayı kullanmayı mümkün kılmak için çalışıyor. Örnekler arasında yüksek sıcaklık türbin sistemleri, süper bilgisayarlar, veri merkezleri, aviyonikler, hibrit araç güç elektroniği, hidrojen yakıt hücreleri, metal alaşımlı ısıl işlem, parçacık hızlandırıcılar ve füzyon reaktörleri yer alır.

Türünün en büyük deneyleri

Mudawar’a göre FBCE, mühendislerin azaltılmış yerçekiminde kaynama ve yoğuşma kullanan her türlü uzay sistemini tasarlamak için ihtiyaç duydukları modelleri geliştirmek için yeterince kapsamlı ve sistematik veriler sağlayan ilk deney setidir.

Mudawar, “Artık, geniş bir yerçekimi yelpazesine uygulanabilecek modelleme araçları arayışında, hem Dünya yerçekimi hem de azaltılmış yerçekimi için verileri karşılaştırmak ve karşılaştırmak için bir temele sahibiz.” Dedi.

Mudawar ve öğrencileri, son 11 yılda FBCE verilerine dayalı olarak üç set tahmin aracı geliştiriyor. Bir dizi araç, verileri mühendislerin uzay sistemlerini tasarlamak için kullanabilecekleri denklemler biçimine sokar. Başka bir küme, verilerden sıvı fiziği ile ilgili temel bilgileri tanımlar ve üçüncü küme, sıvı dinamiğinin hesaplamalı modelleridir.

Hep birlikte, bu modeller, hangi ekipman tasarımlarının Ay ve Mars yerçekiminde çalışabileceğini tahmin etmeyi mümkün kılacaktır.

FBCE, NASA’nın en büyük ve en karmaşık deney Akışkan fiziği araştırması için. Tesis, geçen yıl Şubat ve Temmuz ayları arasında başarıyla 234 test gerçekleştirerek yaklaşık 3.800 veri noktası ve eşit sayıda yüksek hızlı video kaydı sağladı.

NASA Glenn’deki farklı ekiplerden 35’ten fazla mühendis ve teknisyen, bu proje üzerinde çalışarak Mudawar ve öğrencilerinin tasarım konseptlerini uzay istasyonuna kurulabilecek bir tesise dönüştürmeye yardımcı oldu. Bu ekipler, Glenn’in FBCE Mühendislik, Güvenlik ve Görev Güvencesi, Bilim, Yazılım ve Teknisyen ekipleri ile Akışkanlar ve Yakma Tesisi Operasyonları ekiplerini içeriyordu.

On beş geçmiş ve şimdiki Purdue Ph.D. öğrenciler, NASA ile ortak çalışmanın tüm yönlerinde Mudawar’a yardımcı oldular. İki Purdue doktora adayı, VS Devahdhanush ve Steven Darges, Purdue’da kurulan özel bir iş istasyonu aracılığıyla uzay istasyonundaki deneylerin izlenmesine yardımcı oldu. Purdue ekibi ayrıca, test başına bilim verimini sürekli olarak iyileştirmek için müteakip testler için çalışma koşullarının iyileştirilmesine yönelik önerilerde bulundu.

FBCE’den gelen veriler yalnızca uzay sistemlerine değil, aynı zamanda Dünya’daki teknolojiye de fayda sağlayacaktır. Mudawar ve ekibi, bu verilerden kaynatma konusunda öğrendikleri dersleri kullanarak, elektrikli araçlar için beş dakikadan daha kısa sürede şarj olmalarını sağlayacak yeni bir şarj kablosu tasarımı icat etti. Günümüzün en gelişmiş şarj kablolarının bir elektrikli aracı şarj etmesi 20 dakikadan fazla sürüyor. Bu hızlı şarj kablosu icadı için bir patent başvurusu, Purdue Araştırma Vakfı Teknoloji Ticarileştirme Ofisi aracılığıyla yapılmıştır.

Mudawar, “FBCE’den çıkan veri miktarı kesinlikle çok büyük ve bizim de tam olarak istediğimiz bu” dedi.