Brr, burası soğuk! NASA’nın atmosferin ötesindeki kriyo çalışmaları

Ay ve Mars’ta sürekli operasyonlar oluşturmak, NASA’nın henüz karşılaşmadığı çok sayıda fırsat ve zorluğu beraberinde getiriyor. Bu faaliyetlerin çoğu, ajansın iddialı Artemis misyonlarına ve ötesine hazır olmasını sağlamak için yeni teknolojiler ve süreçler gerektiriyor.

Bu zorluklardan biri kriyojenik akışkanlarla çalışmaktır, yani -238°F ile mutlak sıfır (-460°F) arasında sıvı halde bulunan akışkanlar. Sıvı hidrojen (işlenmesi en zor olanı), metan ve oksijenden oluşan bu sıvılar, uzay aracının itici gücü ve yaşam destek sistemleri için hayati öneme sahiptir. Sıvılar gelecekte yerinde kaynak kullanımı (ISRU) yoluyla ay ve Mars yüzeylerinde de üretilebilir.

İnsanın derin uzayda yaptığı keşifler, büyük miktarlarda kriyojenik sıvının haftalar, aylar veya daha uzun süre depolanmasını ve ayrıca yörüngedeki ve yüzeydeki uzay aracı veya yakıt depoları arasında aktarılmasını gerektirir. Her açıdan zorlayıcıdır ve bugüne kadar büyük miktarlarda kriyojenik sıvı uzayda yalnızca saatlerce depolanmıştır. NASA’nın Kriyojenik Akışkan Yönetimi (CFM) portföyünde çalışan (Uzay Teknolojisi Misyon Müdürlüğü bünyesindeki Teknoloji Gösterim Görevleri tarafından yönetilen ve ajansın Cleveland’daki Glenn Araştırma Merkezi ile Huntsville, Alabama’daki Marshall Uzay Uçuş Merkezi’nde yönetilen) mühendisler, bu sorunları gelecekten önce çözüyorlar. misyonlar.

CFM Portföy müdür yardımcısı Lauren Ameen, “Bu, ne NASA’nın ne de ortaklarımızın daha önce yapmadığı bir görev” dedi. “Gelecekteki görev konseptlerimiz büyük miktarlarda kriyojenik sıvılara dayanıyor ve bunları uzun süreler boyunca verimli bir şekilde nasıl kullanacağımızı bulmamız gerekiyor, bu da günümüzün yeteneklerini çok aşan bir dizi yeni teknoloji gerektiriyor.”

Kriyojenik zorluklar

Kriyojenik bir sıvının kullanılabilir olması için soğuk, sıvı halde kalması gerekir. Bununla birlikte, uzay yolculuğunun fiziği (güneş ışığına girip çıkma ve düşük yerçekiminde uzun süre kalma), bu sıvıları sıvı halde tutmayı ve tankta ne kadar bulunduğunu bilmeyi karmaşık hale getiriyor.

Güneş ve uzay aracının egzozu gibi uzaydaki ısı kaynakları, depolama tanklarının içinde ve çevresinde, buharlaşmaya veya “kaynamaya” neden olan sıcak bir ortam yaratır. Sıvı buharlaştığında artık bir roket motoruna verimli bir şekilde yakıt sağlayamaz. Aynı zamanda sızıntı riskini ve daha da kötüsü tankın yırtılma riskini de artırır.

Tankta ne kadar gaz kaldığından emin olmamak kaşiflerimizin Mars’a uçmak istemesi değil. Düşük yer çekimi zordur çünkü yakıt etrafta yüzmek ister (“çalkalanma” olarak da bilinir), bu da sıvı miktarının doğru bir şekilde ölçülmesini ve aktarılmasını çok zorlaştırır.

Ameen, “Kriyojenik itici gazların kullanıldığı önceki görevler, kaynama veya havalandırma kayıpları nedeniyle uzayda yalnızca birkaç gün kalmıştı” dedi. “Bu uzay aracı, itici gaz tanklarını yerleştirmek ve yakıt transferini sağlamak için kuvvet uygulamak amacıyla itme ve diğer manevraları kullandı. Artemis sırasında, uzay aracı düşük yerçekiminde çok daha uzun süre kalacak ve uzaya ilk kez sıvı hidrojen aktarması gerekecek, bu nedenle kaynamayı azaltmalıyız. ve kriyojenik itici gazları aktarmanın ve ölçmenin yenilikçi yollarını bulun.”

Peki NASA ne yapıyor?

NASA’nın CFM portföyü, kaynamayı azaltmak, ölçümleri geliştirmek ve uzay içi itki, iniş araçları ve ISRU için sıvı transfer tekniklerini ilerletmek için 24 geliştirme faaliyeti ve yatırımı kapsamaktadır. Yerde, Dünya’ya yakın yörüngede ve yakında ay yüzeyinde kısa vadeli dört çalışma gerçekleştiriliyor.

Uçuş demoları

2020’de NASA, uzayda CFM teknolojilerinin geliştirilmesine ve gösterilmesine yardımcı olmak için Amerikan endüstrisine (Eta Space, Lockheed Martin, SpaceX ve United Launch Alliance) CFM odaklı dört Devrilme Noktası sözleşmesi verdi. Her şirketin, teknolojileri ve süreçleri doğrulamak için sıvı hidrojen kullanarak birden fazla test gerçekleştirerek ilgili gösterimini 2024 veya 2025’te başlatması planlanıyor.

Radyo frekansı kütle ölçer

Ölçümü geliştirmek için NASA, düşük yerçekimi veya düşük itme koşullarında daha doğru sıvı ölçümüne olanak tanıyan Radyo Frekanslı Kütle Ölçerler (RFMG) geliştirmiştir. Mühendisler bunu, görev boyunca bir uzay aracının tankı içindeki elektromanyetik spektrumu veya radyo dalgalarını ölçerek ve kalan yakıtı doğru bir şekilde ölçmek için bunları sıvı simülasyonlarıyla karşılaştırarak yaparlar.

RFMG yer testlerinde, yörünge altı parabolik uçuşta ve Uluslararası Uzay İstasyonunda kanıtlanmıştır ve yakında Sezgisel Makinelerle yapılacak Ticari Ay Yük Hizmetleri uçuşu sırasında ayda test edilecektir. Ay ortamında sergilendikten sonra NASA, gelişmiş uzay aracı ve iniş operasyonlarını mümkün kılmak için teknolojiyi geliştirmeye ve ölçeklendirmeye devam edecek.

Kriyo soğutucular

Kriyo soğutucular, yenilikçi tank yalıtım sistemleriyle birleştirildiğinde kaynamayı azaltmak amacıyla büyük yakıt tankları için ısı eşanjörleri gibi davranır. NASA, Creare gibi endüstri ortaklarıyla birlikte, “çalışan” sıvıyı, tankın üzerine monte edilmiş bir tüp ağı aracılığıyla onu serin tutmak için pompalayan yüksek kapasiteli kriyo-soğutucu sistemlerini test etmeye başladı. NASA, gelecekteki uçuş gösterilerini gerçekleştirmeden önce görev gereksinimlerini karşılamak için tank boyutunu ve yeteneklerini artırmayı planlıyor.

Dondurarak Doldurma

NASA ayrıca, yerinde üretilen itici gazı kullanarak iniş araçlarına yakıt ikmali yapmak için gaz halindeki oksijeni ay veya Mars yüzeyinde sıvı oksijene dönüştürmek için bir sıvılaştırma sistemi geliştiriyor. Bu yaklaşım, oksijeni kritik sıcaklığa (en az -297°F) kadar soğutmak için çeşitli yöntemler kullanır; burada yoğunlaşır ve gazdan sıvıya dönüşür. İlk geliştirme ve testler, NASA’nın bunu verimli bir şekilde yapabileceğini kanıtladı ve ekip, teknolojiyi gelecekteki operasyonlar için ilgili tank boyutlarına ve miktarlarına göre ölçeklendirmeye devam ediyor.

Sonuçta NASA’nın enerji, kütle ve maliyet açısından verimli CFM sistemlerini geliştirme ve test etme çabaları, ajansın aya, Mars’a ve ötesine yönelik iddialı misyonlarının başarısı için kritik öneme sahiptir.