استخدام الأجهزة الحرارية في التنظيم الحراري للمركبات الفضائية

المبردات الحرارية

ولا تستخدم هذه الجماعات في أي مكان تحتاج إلى التبريد المحلي دون الضوضاء أو الاهتزاز أو حلقات السائلة من التبريد التقليدي، وفي الفضاء، تكون أجهزة الاستشعار ذات الأشعة تحت الحمراء المبردة، والأجهزة المجهزة بالشحنات، وأجهزة الكشف بالأشعة السينية، والالكترونيات الكمية.

مولدات كهربائية حرارية

(ج) في الفضاء، يكون المصدر الأكثر شيوعاً للمركبات ثلاثية الارتحال هو التحلل الإشعاعي للبلوتونيوم - 238، في أجهزة تسمى Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs) .

تطبيقات في التنظيم الحراري للمركبات الفضائية

إن أجهزة كهرباء الحرارة ليست حلاً يناسب الجميع، ولكن خصائصها الفريدة تجعلها التكنولوجيا المفضلة لعدة مهام حيوية في مجال الإدارة الحرارية.

التكرير الدقيق للصكوك العلمية

فالحمولات العلمية التي تستخدم في أجهزة التبريد التي تستخدم في أجهزة التبريد ذات الترددات العالية أو شبه المسببة للسرطان، تؤدي إلى تقليل الضوضاء الحرارية وتحسين الحساسية، فمثلا، تستخدم المطيافات المتوسطة الحجم على سواتل رصد الأرض أجهزة الكشف عن أجهزة التبريد التي تستخدم في أجهزة التبريد التي تستخدم في أجهزة التلكوب، والتي تُبرد في معظم الأحيان تحت الماء.

توليد الطاقة في الفضاء العميق

وبالرغم من أن مجموعة الـ (RG) قد كانت مصدر الطاقة في أعماق البحار منذ الستينات، فإن مجموعة الـ (RG) النموذجية تحتوي على جوهر من بلوتونيوم-238 من مركبات ثاني أكسيد الكربون التي تنتج الحرارة من خلال زيت ألفا، وهذه الحرارة تُجرى في بنك من وحدات الطاقة الحرارية (التي عادة ما تكون مصنوعة من الجيرمانيوم أو اللويث) التي تولد حالياً مباشراً.

الرقابة الحرارية النشطة على البطاريات والإلكترونيات

وتتأثر البطاريات الحيوية للمركبات الفضائية بدرجة كبيرة من الحرارة، إذ أن خلايا الليثيوم المستخدمة في السواتل الحديثة تعمل على أفضل وجه بين 15 درجة مئوية و 35 درجة مئوية. وإذا ما أصبحت البطاريات باردة جدا، فإن مقاومتها الداخلية قد تهبط، وقد لا توفر الطاقة اللازمة، وإذا أصبحت هذه المركبات شديدة الحرارة، تصبح مخاطرة.

الإدارة الحرارية لمكونات مراقبة التحمل

(ب) عجلات التفاعل، ومجالس العجلات، ومسارات النجم يجب أن تعمل في إطار تسامح حراري ضيق للحفاظ على دقة الإشارة؛ كما أن تغيير درجة الحرارة في بضع درجات يمكن أن يسبب توسعاً آلياً أو انكمشاً يؤدي إلى تدهور الأداء.() وكثيراً ما تكون أجهزة التحكم في الحرارة الصغيرة ملحقة بهذه المكونات لتثبيت درجة حرارتها.()

مزايا أجهزة كهرباء الحرارة والحدود المفروضة عليها

أهم المزايا

• No moving parts:] Eliminates friction, wear, and the need for lubrication, which are major failure points in other thermal control systems. This translates directly to high reliable and long lifetime.
• Compact and light weight:] A typical TEC module is only a few millimeters fish and weights a few grams. Multiple units can be arranged in spectrums without add significant mass to the spacecraft.
• Silent operation:] no acoustic noise or vibration, protecting sensitive instruments and avoid interference with microgravity experiments.
• Bi-directional capability:] The same tool can heat or cool by simply reversing the current, streamlineing thermal control electronics and enabling operation in varying thermal environments.
• No consumables:] contrast cryogenic liquids or chemical heaters, thermoelectric devices require no replenishment, which is essential for missions lasting years or decades.
• Radiation tolerance:] Semiconductor thermoelectric materials are inherently resistant to the ionizing radiation found in space, as they do not rely on charge storage or vulnerable gate oxides like some electronics.

القيود والتحديات

• (أ) الكفاءة الحديثة: ([العمليات المتعلقة بالنقل البري الدولي: 1]]) عادة ما يتراوح معامل الأداء ألفاً للمراكز التنفيذية من 0.5 إلى 1.5 في حالة التبريد، وهو أدنى بكثير من أجهزة التبريد البخارية والقمعية، ولا تحول الشركات التجارية إلا 5-10 في المائة من مدخلات الحرارة ألفا إلى الكهرباء، وهذه الكفاءة محدودة أساساً من حيث القيمة النسبية للمواد من حيث الحد الأقصى للقيمة الكهربائية(2).
• يجب على الشركات التنفيذية أن ترفض الحرارة المضخة بالإضافة إلى تسخين الجول من التيار إلى مغسلة حرارية، في الفضاء، هذا المغسلة الحرارية عادة ما تكون مشعة، تضيف مساحة كبيرة وسطحية، وإذا لم يكن المبرد قادراً على البقاء بارداً بما فيه الكفاية، فإن أداء شركة TEC ينخفض.
• Material degradation over time:] At high temperatures (above 500°C), diffusion and sublimation can degrade thermoelectric legs and interconnect materials. Advanced coating and encapsulation techniques are needed for long-duration, high-temperature RTGs.
• () Cost and scarcity of high-performance materials:] many of the best thermoelectric materials (e.g., bismuth telluride, lead telluride, and skutterudites) are expensive to synthesize or contain rare elements. This limits their use to high-value missions such as scientific spacecraft and deep-space probe
• ] Limited temperature lift for single-stage TECs:] A single TEC module can typically produce a maximum temperature difference of about 70°C. For deep cooling applications, multistage modules are needed, which dramatically reduce overall COP and increase complexity.

البحوث الجارية والتوقعات المستقبلية

وعلى الرغم من هذه القيود، فإن تكنولوجيا حرارة المركبات تتقدم بسرعة، مدفوعة بالتطبيقات الفضائية والأرضية على حد سواء، مثل استعادة حرارة النفايات في السيارات والعمليات الصناعية، ويتابع الباحثون عدة استراتيجيات لتحسين الأداء.

مواد متقدمة ذات ترددات أعلى

The dimensionless scale zT has been the primary target for material scientists. For decades, a zT of ~1 was considered the practical limit, but recent breakthroughs have pushed values above 2.5 in laboratory samples. Skutterudites] (cobalt-arsenide- compounds) offer zT values of 1.5–1.8 at high qualified temperatures

مداخل مجزأة ومفصلة

ونظرا لأن مختلف المواد الحرارية تؤدي أفضل أداء في مختلف درجات الحرارة، يقوم المهندسون بتصميم وحدات مجزأة يتم فيها ترتيب أنواع متعددة من المواد في سلسلة من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، مثلا، يمكن ربط جزء من درجة الحرارة العالية المكوّنة بجزء من متوسط الحرارة من النيوترويد، الذي يربط بدوره بجزء من درجة الحرارة المنخفضة 15 في المائة من درجة الحرارة في كل من ثاني أكسيد الكربون.

نظم التبريد العاملة ذات الطاقة الحرارية

فبدلاً من استخدام وحدات التركيز التقني وحدها، تقترح بعض البنايات المستقبلية الجمع بين وحدات كهرباء الحرارة مع أنابيب حرارة صغيرة أو أنبوب حرارة من أجل توزيع الحرارة على نحو أكثر فعالية، ويمكن استخدام مضخة حرارية حرارية تعمل على " نقل " الحرارة من عنصر بارد إلى جهاز استشعاع متوسط، يحدث منه إشعاع أكثر كفاءة.

التكامل مع الصناعة التحويلية

ويجري استكشاف تقنيات الطباعة 3D لتلفيق وحدات كهرباء الحرارة مع قياسات جغرافية معقدة ودرجات مادية مصممة خصيصاً، مما يمكن أن يتيح الإدماج المباشر للمركبات الثلاثية الكهربية في الألواح الهيكلية للمركبات الفضائية أو حتى في جدران الضواحي الإلكترونية، ويوفّر الكتلة ويحسن الاتصال الحراري.

خاتمة

وقد أثبتت أجهزة كهرباء الحرارة نفسها كأدوات لا غنى عنها للتنظيم الحراري للمركبات الفضائية وتوليد الطاقة، فطبيعة هذه المواد الصلبة والموثوقية والسعة ذات الاتجاه الثنائي تجعلها أكثر ملاءمة للبيئة القاسية الخالية من الصيانة في الفضاء، ومن حرق أجهزة الكشف الحساسة على مقراب الفضاء الهبل إلى طاقة مساحات فويغر في نصف قرن، فإن هذه النماذج الشبه المتطورة تتيح التطور الهادئ.

For further reading, explore NASA’s overview of Voyager’s power systems], the detailed explanation of ]DOE’s RTG program], and the latest research on high-performance thermoFtric materials in Nature[6]