Jedním z nejméně známých mechanismů financování NASA je Výzkum inovací pro malé podniky (SBIR) program. Tento program, který vyžaduje Baye-Doyleův zákon z roku 1980 , vyčleňuje část rozpočtu každé americké federální agentury (včetně NASA) na rozvoj malých podniků za účelem komercializace nových technologií. Program SBIR NASA se obvykle zaměřuje na komercializaci technologií, které jsou použitelné ve vesmíru, a mnohokrát financuje univerzitu, která dělá nějakou práci navíc k malému podniku, který získal grant. Zavolala společnost Společnost Air Squared Inc , se sídlem v Broomfield, Colorado, nedávno obdržela jeden z těchto grantů SBIR a spojila se s laboratoří strojního inženýrství v Purdue University a vířivá vana , jednoho ze světových gigantů v oblasti spotřebičů, k výrobě nezbytného komponentu pro jakoukoli dlouhodobou vesmírnou misi – ledničky.
I když se to může zdát poněkud všední způsob, jak utrácet finanční prostředky na výzkum, dostat ledničku do provozu ve vesmíru není snadný úkol. Existují dva hlavní problémy, které je třeba řešit lednicí ve vesmíru. První je nedostatek gravitace, který může ovlivnit lednici kompresor . Za druhé je orientace systému, která může způsobit zmatek cyklus komprese páry které lednice používá k chlazení.
Purdue video pojednávající o podrobnostech fungování chladničky.
Zápočet: Purdue Katedra strojního inženýrství
Nejprve se podívejme na gravitaci. Chladničky mají stroj zvaný kompresor, což je stroj, který je slyšet, jak funguje, když se chladnička zapne. Úkolem kompresoru je natlakovat „horké“ potrubí kapalného chladiva, aby se mohlo účastnit níže popsaného parního cyklu. Kompresor samotný má v sobě pohyblivé části, které jsou obvykle mazány olejem, podobně jako by to byl benzínový motor automobilu.
Problém je, že když není gravitace, olej si není jistý, kam jít, a mohl by se rozprostřít příliš řídce na to, aby byl užitečný při mazání kompresoru, což by způsobilo jeho zadření. Bez kompresoru je celý chladicí systém vyhozen.
Video Learn Engineering vysvětlující principy fungování chladničky.
Poděkování: Lesics YouTube Channel
Dalším způsobem, jak tento systém vyhodit z omylu, je změnit jeho orientaci. Klíčovou součástí chladniček je škrticí systém, který v podstatě funguje jako most mezi vedením horké kapaliny a studené páry. Škrticí systém způsobí výrazný pokles tlaku v kapalině horkého potrubí, což způsobí odpaření části této kapaliny. Odpařování této kapaliny vyžaduje energii, která se odebírá z tepla kapaliny, která se odpařuje, takže pára na druhé straně škrticí klapky, kde kondenzuje mnohem chladnější .
Problém je v tom, že pokud se orientace chladničky překlopí, kapalina a pára by si mohly vyměnit místa, což by způsobilo tvorbu bublin a zničení kompresoru, který se snažil kapalinu natlakovat. To je důvod, proč byste neměli chladničku při stěhování pokládat naplocho.
CAD model nového designu lednice, který je součástí programu NASA SBIR.
Kredit: Air Squared, Inc.
Pokud kosmická loď cestuje do jiného gravitačního vrtu, je velmi možné, že to, co bylo při svém startu považováno za „nahoře“, by bylo považováno za „dole“, jakmile by přistála někde jinde, což by způsobilo, že celý proces byl uvržen do chaosu. Jakýkoli typický chladicí systém je proto nepoužitelný v jakémkoli prostředí, které takto mění svou orientaci.
Air Squared a Purdue si myslí, že mají lepší řešení. Za prvé, Air Squared vyvinul kompresor, který nevyžaduje olej, čímž se eliminuje možnost, že by se sám zničil v prostředí s nízkou gravitací.
Detailní záběr prototypu lednice v jedinečné orientaci.
Kredit: Purdue University / Jared Pike
Podrobnosti o tom, jak se vypořádají s otázkou orientace, nejsou tak jasné, ale do hry by se dostaly až poté, co bude gravitace opět hrát roli. Řešení by mohlo být stejně snadné jako navržení kompresoru, který by přepínal směry a vyměňoval místa, kde vedou potrubí, což mu umožňuje poskytovat tlak na obě strany škrticí klapky v závislosti na orientaci systému.
Naštěstí budou mít spoustu příležitostí vyzkoušet svá řešení na oba problémy. Program získal finanční prostředky z Letové příležitosti program, který týmu umožní létat se svým designem lednice na čtyřech „mikrogravitačních“ letech. Lety provozované společností Zero Gravity Corporation beztížná výzkumná laboratoř, simuluje asi 20 sekund mikrogravitace několikrát během letu.
Pokud projde testem mikrogravitace, dalším krokem by bylo otestovat jej ve vesmíru. to není poprvé o chlazení se zkoušelo v mikrogravitaci. Ve skutečnosti má ISS v současnosti chladicí systém, který se používá k uchovávání biologických vzorků. Je však objemná a vyžaduje podstatně více energie než běžná lednička na Zemi. Vzhledem k tomu, že výkon je ve vesmíru na prvním místě, je to méně než žádoucí design.
Prototyp Air Squared / Purdue je mnohem uživatelsky přívětivější. Při velikosti přibližně jako mikrovlnná trouba je navržena speciálně pro uchování potravin v chladu. Takový chladicí systém by mohl prodloužit životnost potravin astronautů z přibližně 3 let na více než 5 nebo 6 let.
Tato prodloužená skladovatelnost by byla neocenitelná pro některé z delších misí s lidskou posádkou přicházejících na plán průzkumu vesmíru. Zbývá ještě mnoho výzkumu a věcí k vymýšlení, ale doufejme, že jeden malý start-up v Coloradu s podporou některých z nejlepších inženýrských organizací na světě bude schopen zavést trvale spolehlivé chlazení do misí pro průzkum vesmíru. .
Další informace:
Purdue – Astronauti potřebují ledničku. Inženýři staví jeden, který funguje v nulové gravitaci – a vzhůru nohama.
Zajímavé inženýrství – Inženýři vyvíjejí ledničku Zero-G pro vesmírné mise
Hlavní obrázek:
Vedoucí oddělení strojního inženýrství v Purdue Eckhard Groll (vlevo) a postgraduální student Leon Brendel stojí vedle své přeorientovatelné chladničky.
Kredit: Purdue University photo / Jared Pike