Experimentos para completar la comprensión científica de cómo la gravedad reducida afecta la ebullición y la condensación

Con temperaturas en la luna que van desde menos 410 hasta abrasadores 250 grados Fahrenheit, es un eufemismo decir que los humanos necesitarán hábitats con calefacción y aire acondicionado para sobrevivir allí a largo plazo.

Pero los sistemas de calefacción y refrigeración no serán lo suficientemente efectivos para soportar hábitats para la exploración lunar o incluso viajes más largos a Marte sin una comprensión de lo que hace la gravedad reducida a la ebullición y la condensación. Los ingenieros no han podido descifrar esta ciencia, hasta ahora.

«Cada refrigerador, cada sistema de aire acondicionado que tenemos en la Tierra implica ebullición y condensación. Esos mismos mecanismos también prevalecen en muchas otras aplicaciones, incluidas las plantas de energía de vapor, los reactores nucleares y las industrias química y farmacéutica», dijo Issam Mudawar, Betty de la Universidad de Purdue. Ruth y Milton B. Hollander Family Profesor de Ingeniería Mecánica. «Hemos desarrollado más de cien años de comprensión de cómo funcionan estos sistemas en la gravedad de la Tierra, pero no sabemos cómo funcionan en la ingravidez».

Un equipo de ingenieros de Purdue dirigido por Mudawar, que colabora con el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Cleveland, pasó 11 años desarrollando una instalación para investigar estos fenómenos.

La instalación se llama Experimento de ebullición y condensación de flujo (FBCE). Los diseños iniciales se probaron en el laboratorio de investigación de ingravidez de Zero Gravity Corporation (Zero-G), un Boeing 727 especialmente modificado que realiza maniobras parabólicas para crear las gravedades reducidas en la Luna y Marte, así como las condiciones de ingravidez en el espacio.

Después de las pruebas en vuelo, la NASA Glenn y la División de Ciencias Físicas y Biológicas de la agencia ayudaron al equipo de Mudawar a crear una versión más pequeña del experimento para encajar en el Fluids Integrated Rack en la Estación Espacial Internacional. Después de pasar las revisiones de seguridad y preparación de la NASA, FBCE se lanzó a la estación espacial en agosto de 2021 y desde entonces ha ayudado a los investigadores a comenzar a descubrir el misterio de cómo funcionan la ebullición y la condensación en los entornos extremos del espacio.

Estas respuestas se encuentran en los datos que el equipo está recopilando de dos conjuntos de experimentos FBCE que se llevan a cabo en la estación. En julio pasado, el primer experimento de la instalación terminó de recopilar todos los datos que, según Mudawar, los científicos necesitan para comprender cómo la gravedad reducida afecta la ebullición. En los próximos meses, el equipo para el segundo experimento se lanzará al laboratorio en órbita como parte de una misión de servicios de reabastecimiento comercial de Northrop Grumman para la NASA (NG-19) para recopilar datos sobre cómo ocurre la condensación en un entorno de gravedad reducida.

Ambos experimentos que componen la instalación permanecerán en órbita hasta 2025, lo que permitirá que la comunidad de física de fluidos en general aproveche estos datos.

«Estamos listos para cerrar literalmente el libro sobre toda la ciencia del flujo y la ebullición en gravedad reducida», dijo Mudawar. «Los astronautas en la luna necesitarán sistemas de aire acondicionado, sistemas de refrigeración y muchos otros sistemas que requieren ebullición y condensación. Debido a la nueva comprensión que hemos recibido de los datos que muestran cómo estos fenómenos están influenciados por la gravedad reducida, podemos proporcionar orientación sobre cómo dimensionar el equipo, cómo diseñarlo de manera efectiva y cómo predecir su rendimiento».

Los investigadores están preparando una serie de artículos de investigación que revelan los datos que el FBCE ha recopilado en la Estación Espacial Internacional, y se suman a más de 60 artículos que han publicado sobre la ingravidez y el flujo de fluidos desde que probaron sus instalaciones en vuelos de gravedad cero al comienzo del proyecto. .

Respondiendo preguntas de hace décadas

«Los artículos que hemos publicado durante la duración de este proyecto son casi como un libro de texto sobre cómo usar la ebullición y la condensación en el espacio», dijo Mudawar. «Durante más de 60 años, desde el comienzo de los vuelos espaciales, el campo ha sabido que la ebullición y la condensación serían ideales para el espacio, pero los intentos anteriores de estudiar estos conceptos en microgravedad no habían tenido éxito».

Cada década, las Academias Nacionales publican un informe que orienta a la NASA, la Casa Blanca y el Congreso sobre las áreas de investigación que deben priorizarse para la financiación durante los próximos 10 años. En el informe de 2011, numerosos científicos recomendaron que el papel de la gravedad en el control del comportamiento vapor-líquido sea considerado como una de esas prioridades para la exploración espacial. El proyecto FBCE fue creado como respuesta al informe decenal.

Cuanto más lejos estén las misiones de la Tierra, más probable es que la nave espacial para esas misiones necesitará energía nuclear. En comparación con otros tipos de procesos que permiten calentar y enfriar el espacio, la ebullición y la condensación son mucho más eficaces para transferir calor a estos vehículos y hábitats de propulsión nuclear. La ebullición y la condensación también permitirían que los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado fueran más compactos y livianos.

Desde la década de 1970, Mudawar ha estado trabajando para hacer posible el uso de la ebullición y la condensación para abordar los desafíos de transferencia de energía y control de temperatura para una amplia gama de sistemas. Los ejemplos incluyen sistemas de turbinas de alta temperatura, supercomputadoras, centros de datos, aviónica, electrónica de potencia de vehículos híbridos, celdas de combustible de hidrógeno, tratamiento térmico de aleaciones metálicas, aceleradores de partículas y reactores de fusión.

Los experimentos más grandes de su tipo.

Según Mudawar, FBCE es el primer conjunto de experimentos que proporciona datos que son lo suficientemente extensos y sistemáticos para desarrollar los modelos que los ingenieros necesitan para diseñar todo tipo de sistemas espaciales utilizando la ebullición y la condensación en gravedad reducida.

«Ahora tenemos una base para comparar y contrastar datos tanto para la gravedad de la Tierra como para la gravedad reducida en la búsqueda de herramientas de modelado que puedan aplicarse a una amplia gama de gravedades», dijo Mudawar.

Mudawar y sus estudiantes han estado desarrollando tres conjuntos de herramientas predictivas durante los últimos 11 años en función de los datos de FBCE. Un conjunto de herramientas pone los datos en forma de ecuaciones que los ingenieros pueden usar para diseñar sistemas espaciales. Otro conjunto identifica información fundamental sobre la física de fluidos a partir de los datos, y el tercer conjunto son modelos computacionales de la dinámica de fluidos.

En conjunto, estos modelos permitirían predecir qué diseños de equipos podrían operar en la gravedad lunar y marciana.

FBCE es de la NASA experimento más grande y complejo para la investigación en física de fluidos. Entre febrero y julio del año pasado, la instalación realizó con éxito 234 pruebas, lo que arrojó casi 3800 puntos de datos y la misma cantidad de registros de video de alta velocidad.

Más de 35 ingenieros y técnicos de diferentes equipos de la NASA Glenn han trabajado en este proyecto, ayudando a convertir los conceptos de diseño de Mudawar y sus estudiantes en una instalación que podría instalarse en la estación espacial. Estos equipos incluyeron los equipos de ingeniería, seguridad y garantía de misión, ciencia, software y técnicos de FBCE de Glenn, y los equipos de operaciones de instalaciones de fluidos y combustión.

Quince pasados ​​y actuales Purdue Ph.D. los estudiantes han ayudado a Mudawar en todos los aspectos del trabajo colaborativo con la NASA. Dos candidatos al doctorado de Purdue, VS Devahdhanush y Steven Darges, ayudaron a monitorear los experimentos en la estación espacial a través de una estación de trabajo dedicada instalada en Purdue. El equipo de Purdue también proporcionó recomendaciones para el perfeccionamiento de las condiciones operativas para las pruebas posteriores a fin de mejorar continuamente el rendimiento científico por prueba.

Los datos del FBCE beneficiarían no solo a los sistemas espaciales, sino también a la tecnología en la Tierra. Usando las lecciones que aprendieron sobre la ebullición a partir de estos datos, Mudawar y su equipo inventaron un nuevo diseño de cable de carga para vehículos eléctricos que les permitiría cargar en menos de cinco minutos. Los cables de carga más avanzados de la actualidad tardan más de 20 minutos en cargar un vehículo eléctrico. Se ha presentado una solicitud de patente para este invento de cable de carga rápida a través de la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Fundación de Investigación Purdue.

«La cantidad de datos que sale del FBCE es absolutamente enorme, y eso es exactamente lo que queremos», dijo Mudawar.