الدور الحاسم للإدارة الحرارية في المركبات الفضائية

فالمركبات الفضائية ]تعمل في واحدة من أكثر البيئات الحرارية طلباً يمكن تصورها، أما خارج الغلاف الجوي الذي توفره الأرض، فإن اختباراً ساتلياً أو فضائياً عميقاً يمكن أن يتأثر بدرجات حرارة تتراوح بين مئات الدرجات في ضوء الشمس المباشر وحوالي الصفر في الظل، وفي الوقت نفسه، فإن المواد الكهربائية وأجهزة توليد الطاقة تولد حرارة شديدة يجب إزالتها لمنع الفشل.

وتُعدّ سوائل نقل حرارة المعادن السائلة من المواد المعدنيّة التي تظل في دولة سائلة عبر نطاق حرارة واسع وتُظهر أوامر للسلوك الحراري أعلى من المبردات التقليدية، وتستكشف هذه المادة العلوم وراء هذه السوائل ومزاياها وتطبيقاتها الحالية والمقبلة في نظم المركبات الفضائية، والتحديات التي يجب التغلب عليها لجعلها جزءاً قياسياً من معدات التحليق الفضائي.

ما هي "الفولاط المميت" المُصفّى؟

ويُعد سوائل نقل حرارة المعادن السائلة سبائكاً معدنياً معدنياً أو معدنياً محفوراً في درجة حرارة تشغيل النظام، وخلافاً للمعادن الصلبة التي تنقل الحرارة أساساً من خلال الاهتزازات السائلة (الزباب)، تستفيد الفلزات السائلة أيضاً من حرية حركة الإلكترونات، مما يؤدي إلى وجود سمات حرارية يمكن أن تتجاوز 20-30 دبليوك/م كه/م/م كه - مقارن بحوالي 0.6 و/م/م كه حره في الماء.

وتشمل أكثر المعادن السائلة التي يُنظر فيها فيما يتعلق بالمركبات الفضائية ما يلي:

  • Gallium-based alloys:] Gallium has a melting point of 29.76 °C, but when alloyed with indium, tin, or zinc, its melting point can be lowered to below room temperature (e.g., GaInSn eutectic melts at about 10.5 °C).
  • Mercury (Hg): ] Mercury was historically used in early spacecraft heat pipes and tilt shiftes. It has a melting point of −38.83 °C and excellent thermal conductivity (around 8.5 W/m·K). However, its high toxicity, density, and environmental hazards have largely engineers to seek safe.
  • Sodium (Na) and sodium-potassium alloys (NaK):] These alkali metals have very low melting points (NaK eutectic melts at −12.6 °C) and exceptional thermal conductivity (around 25 W/mنوزراعة بالنسبة لNK).
  • Bismuth and lead-bismuth eutectics:] These are considered for very high-temperature applications, such as nuclear thermal propulsion reactors, where they can transfer heat at temperatures exceeding 500 °C.

ويتوقف اختيار المعدن السائل الذي يستخدم على مدى درجات الحرارة المحددة، والتوافق الكيميائي مع مواد الاحتواء، والتسامح الإشعاعي، والقيود المتعلقة بالسلامة في البعثة.

لماذا الفلزات السائلة هي السوبر للمركبات الفضائية

التصريف الحراري غير المطابق

أما المواسير الحرارية للمعادن السائلة فهي عادة أكبر من المبردات التقليدية بعشرة إلى خمسين مرة، وعلى سبيل المثال، تبلغ مسيرة الميوليوم الحرارية نحو 29.3 مليون كيلو متر مربع/متر مربع عند 50 درجة مئوية، بينما لا تتحكم المياه إلا ب 0.6 دبليو/م ك. وهذا يعني أن حلقة التبريد الفلزي السائل يمكن أن تزيل نفس كمية الحرارة بعامل حراري أصغر بكثير أو بمقياس دني للتدفقات، مما يؤدي إلى وفورات في الحجم والحجم التدفق.

درجة الحرارة القصوى

وتطالب قابلية المركبات الفضائية للاستمرار بالسوائل التي تظل سائلة من البرد في الفضاء العميق إلى حرارة المفاعل النووي، وتجميد المياه عند درجة صفر مئوية وغليات عند درجة حرارة تبلغ 100 درجة مئوية - درجة مئوية ضيقة للغاية، أمانيا، التي تستخدم في الكثير من الأنابيب الحرارية، فإنها تحمل ضغطاً عالياً على البخار مما يعقّد الاحتواء ويمكن أن يتجمد عند درجة حرارة تبلغ 97 درجة مئوية.

ضغافة فوبور منخفضة

ومعظم المعادن السائلة لها ضغوط بخار منخفضة للغاية عند درجات حرارة تشغيلها، وهذا أمر حاسم في فراغ الفضاء، حيث يمكن لأي سوائل ذات ضغط بخار مرتفع أن تغلي أو تلف أو تفلت ببساطة إلى الفراغ، كما أن الضغط المنخفض للبخار يقلل من خطر التفوق، الذي يمكن أن يلوث بصفات بصرية حساسة أو أدوات علمية.

القدرة العالية على تصريف الكهرباء وضخ الصواريخ

وتُعد الفلزات السائلة ذات مسار كهربائي، وهذا يتيح تعميمها بدون مضخات آلية لها أجزاء متحركة أو محملات أو أكوام مجهزة بالأختام معرضة للارتداء والفشل في الجاذبية الصغرية، بل يمكن لـ أن تُدفع إلى الأمام بطاقة مصغرة، ومضخة متينة متينة وموثوقة.

التطبيقات في نظم المركبات الفضائية

نظم المراقبة الحرارية

ويُستخدم أكثر المعادن السائلة انتشارا في المركبات الفضائية في نظم فعالة للرقابة الحرارية، وفي تركيبة نموذجية، تُعمم حلقة من المعادن السائلة من خلال لوحات باردة ملحقة بالالكترونية المولدة للحرارة (المعالجات، ومضخمات الطاقة، والبطاريات) ومن ثم من خلال لوحة مشعة ترفض الحرارة إلى الفضاء، وبسبب معامل النقل الحراري المرتفع، يمكن للمعادن السائل أن يقبل بتدفقات الحرارية الكبيرة دون خلق بؤر حرارة الساخنة.

فعلى سبيل المثال، تستخدم المركبات الفضائية [(FLT:0]Juno حلقة من الأمونيا السائلة للإدارة الحرارية، ولكن بعثات الجيل القادم تقوم بتقييم السكك الحديدية للكثافة العالية للطاقة. [و] [و] [FLT:] European Space Agency (ESA)) في عمليات معالجة

قنابل حارة وقراص من طراز لووب

(ب) أن تكون هذه المركبات الفضائية [المركبات] تعتمد على أنابيب حرارية سلبية للتحكم الحراري، وأنبوب الحرارة التقليدية تستخدم الماء أو الأمونيا أو البروبلين كسائل عامل، ويمكن استخدام الفلزات السائلة في أنابيب حرارية عالية الحرارة (السوائل، والبوتاسيوم، والليثيوم) في تطبيقات مثل تبريد المفاعل النووي أو تركيز الطاقة الشمسية في الفضاء.

التكاثر الحراري النووي

(ب) المعادن السائلة ضرورية لمفاهيم الدفع المتقدمة؛ ففي صاروخ حراري نووي، يُنتج محرك حراري مائي مائي من الهيدروجين إلى درجات حرارة قصوى (500 إلى 000 3 كاف) لإنتاج الدفع، ويجب أن يُبرد المفاعل نفسه أثناء التشغيل الثابت وبعد الإغلاق.() ويمكن أن تزيل بعض المفاعلات السائلة مثل الليثيوبية أو مفاعل التحف الحرارية الرصاصية الحرارة (NFAR) الحرارة العالية، مما يحول دون التآكل.

نظم التبريد الكهربائي

وتحتاج أجهزة الدفع الكهربائية ذات الطاقة العالية (مدافع القاذفات ذات العجلات، ومدافع المغناطيسية) إلى عشرات إلى مئات الكيلوات من الطاقة الكهربائية، وتولّد وحدات تجهيز الطاقة والمدافع نفسها حرارة النفايات التي يجب إزالتها، وتصمم حلقات التبريد المعدنية السائلة لهذه النظم لأنها يمكن التقليل منها إلى أدنى حد، ويمكن أن تعالج ارتفاع معدلات التدفق الحراري من الأجهزة الإلكترونية.

البطاريات وتخزين الطاقة

وتولد بطاريات المركبات الفضائية حرارة كبيرة أثناء دورات الشحن والتصريف، ولا سيما مجموعات الليثيوم - إيون عالية القدرة، ويمكن للإدارة الحرارية الفلزية السائلة أن تحافظ على درجات حرارة البطاريات في نطاق أمثل ضيق، وأن تمدد الحياة في الدورة، وأن تمنع المجرى الحراري، بل أن بعض المفاهيم تقترح استخدام المعادن السائلة كسائل لنقل الحرارة، ومواد الكهرومغناطيسية لبطاريات التدفق الجديدة، وإن كانت هذه لا تزال تجريبية.

التحديات والهندسة

التصويب والمواد

ويمكن أن تكون الفلزات السائلة شديدة التآكل، ولا سيما عند درجات الحرارة المرتفعة، فالغاليوم، على سبيل المثال، يهاجم بسهولة معظم الفلزات والسبائك - اللوم، النحاس، الفولاذ، وحتى الصلب اللاصق يمكن أن يلحق ضرراً شديداً.() ويجب على المهندسين استخدام مواد احتواء مقاومة كيميائياً، مثل التيتانيوم، أو خلايا الصدر، أو الخرافيينات الخزفية مثل الألمنيوم.()

كهرباء الأرض وتيار الأشعة

ونظرا لأن المعادن السائلة ذات قدرة كهربائية، فإنها يمكن أن تخلق مسارات كهربائية تتداخل مع الإلكترونيات الحساسة، ويمكن أن تعمل حلقة التبريد التي تتكون من سبيكة غالويوم كدائرة قصيرة إن لم تكن معزولة على النحو المناسب، ويجب على المهندسين أن يستخدموا الكسر الديكلي، أو يزرعوا المعاطف، أو مخططات الأرض الكهربائية لمنع التآكل المزيفي والتدخل في الإشارات، وفي المركبات الفضائية التي تستخدم نظما عالية الحركة (Ve.g)

الوقاية من الألغام وإطلاقها

وعلى الرغم من أن المعادن السائلة لها نطاقات سائلة واسعة، فإنها تُصعِّد إذا ما دخلت المركبة الفضائية إلى كسوف أو إذا أُغلق المفاعل، ويمكن أن يؤدي التوطيد إلى التوسع (بعض المعادن تتوسع عند التجميد)، وأنبوب التفجير المحتملة، ويجب تصميم النظم باستخدام المدفأة، أو ربطات المبردة بالقطع، أو القدرة على تذويب المعدن أثناء فترة التقلب الحراري بين الدولتين الصلبة والسائلة يمكن أن تسبب أيضا.

السمية والسلامة

والزئبق معروف جيداً لسمية الأعصاب، والصوديوم وناك يتفاعل عنيفاً مع الماء والهواء، ويُعتبر سبائك الغاليوم غير سمية عموماً، ولكن يمكن أن يسبب تهيج الجلد وخطر إذا ابتلع، وعلى الأرض، يتطلب المناولة وضع صناديق وقفازات وغلاف جوي غير معتادة، وفي الفضاء، يمكن أن يلحق الضرر بالمعدات أو يخلق بخاراً معدنياً تكون ودائعة على الآلام.

إجراءات الرضاعة والرسوم

فغالبا ما لا تبلل المعادن السائلة أسطح الأنابيب، مما يؤدي إلى سوء الاتصال الحراري أو سد التدفق، فالتوتر السطحي للمجاليوم، على سبيل المثال، يبلغ نحو ٧٢٠ ميلا نانوغرام/ميغاغايرا من المياه، مما قد يتسبب في إحكامها وثبات الغاز المضغوط، ولا يمكن أن يؤدي إلى تحسين السطح المهيمن الذي يحتوي على عامل مبتل، باستخدام التشويش الفوق الصوتي أثناء ملء الخردة، أو استخدام

البحث الجاري والتوجيهات المستقبلية

تنمية السواي المتقدمة

وينشئ الباحثون مسارات جديدة منخفضة النقط تتوازن بين الأداء الحراري ومقاومة التآكل والسلامة، مثلا، يمكن أن يكون هناك نقطة تحول دون 10 درجات مئوية، بينما تكون أقل عدوانية نحو الألمنيوم من الغاليوم النقي، ويجري دراسة مضافات مثل البسكويت أو المانع للزراعة من أجل الحد من مشاكل التوليد.

نظم الإدارة الحرارية المتكاملة

والخطوة المنطقية التالية هي الجمع بين التبريد الفلزي السائل والعناصر الهيكلية، إذ يمكن لمفهوم يسمى ] الجلدية - الهيكلية الحرارية ] استخدام هيكل لوحات الحبيبات في المركبة الفضائية كمبادل حراري، مع تدفق المعادن السائلة عبر القنوات المدمجة، مما يزيل لوحات مشعة منفصلة، ويوفّر الكتلة والحجم.

2 - Phase Liquid Metal Coling

وكما يمكن للمبردات التقليدية أن تستغل الحرارة الكامنة من خلال الغلاية، يمكن للمعادن السائلة أيضا أن تخضع للتغيير التدريجي، وقد استخدمت بالفعل أنابيب حرارة الصوديوم من مرحلتين في المفاعلات النووية، ولكن باستخدام حلقة من الملعب من مرحلتين يمكن أن يوفر قدرات عالية جدا على التدفق الحراري (أعلى من 1 كيلوواط/سم2) بالنسبة للديوديوسير أو نظم الرادار، ويجري استكشاف هذه التكنولوجيا لتطبيقات العسكرية والداخلية في الفضاء العميقة.

اختبار الحياة الطويلة الأمد

وقبل أن تتمكن الفلزات السائلة من الطيران في بعثات حرجة، يجب أن تثبت الموثوقية على مر السنين أو العقود، ويجري مركز غلين للبحوث التابع للأكاديمية، وجامعات مختلفة اختبارات طويلة الأجل للحياة على حلقات غالويوم، وقياس معدلات التآكل، وتدهور المضخات، وتدهور الأداء الحراري، وتبشر النتائج المبكرة ببعض الحلقات التي تعمل لأكثر من 000 20 ساعة مع الحد الأدنى من فقدان الأداء.

خاتمة

وتمثل سوائل نقل حرارة المعادن السائلة تحولاً في النموذج في إدارة حراري المركبات الفضائية، إذ أن صلاحيتها الحرارية الاستثنائية، ونطاق درجات حرارة التشغيل الواسعة، وضغط البخار المنخفض، والتوافق مع ضخ الحامض النووي المغناطيسي يجعلها مناسبة بشكل فريد لمطالب الفضاء القصوى، وفي حين أن التحديات مثل التآكل والتدخل الكهربائي والتعقيد في المناولة لا تزال قائمة، فإن البحوث النشطة تحول هذه العقبات باستمرار إلى مشاكل هندسية قابلة للذوبانق.

ونظراً لأن البعثات تصبح أكثر طموحاً في العودة إلى القمر، فهي تنشئ وجوداً دائماً على المريخ، وترسل في نهاية المطاف مركبة فضائية مكتظة إلى الكواكب الخارجية - فإن الحاجة إلى نظم حرارية تتسم بالكفاءة والتصميم لن تنمو إلا؛ فلزات السائلة جاهزة للقيام بدور مركزي؛ وفي المرة القادمة التي ينشر فيها الساتل من صاروخ أو منطلق فضائي عميق يرجحها عالم بعيد، قد تكون هناك نظم صمتة وفضية