استخدام مواد تغير المرحلة في نظام التمهيد للمركبات الفضائية

التحدي الحرجي للتنظيم الحراري في الفضاء

أما المركبات الفضائية فهي تعمل في أحد أكثر البيئات غير المغتفرة المعروفة للبشرية، ففي المدار الأرضي المنخفض، يمكن أن يتأثر الساتل بدرجات حرارة تتراوح بين 150 درجة مئوية في ظل الأرض و120 درجة مئوية في ضوء الشمس المباشر، ويمكن أن يحدث هذا التأرجح الحراري الذي يبلغ حوالي 300 درجة مئوية في دقائق عندما تعبر المركبة الفضائية الموائل بين النهار والليل، أما بالنسبة للبعثات التي تسافر خارج المدارات الشديدة وحتى إلى القمر أو كوكب الأرض المتطور.

وتعتمد نظم التحكم الحراري التقليدية على أساليب نشطة مثل التسخينات والمشعات والمضخات الميكانيكية التي تعمم المبردات، بينما تستهلك الطاقة الثمينة وتضيف الوزن وتستحدث أجزاء متحركة يمكن أن تفشل، وهناك بديل جذاب أكثر من ذلك هو استخدام الإدارة الحرارية السلبية من خلال ] مواد تغيير المراحل .

Understanding Phase Change Materials: The Physics Behind the Technology

المادة التي تتغير تدريجيا هي أي مادة تستوعب أو تطلق كمية كبيرة من الحرارة الكامنة عندما تنتقل بين الدول الصلبة والسائلة )أو أحيانا بين مراحل أخرى مثل التحولات الصلبة - الصلبة( وعلى عكس الحرارة المعقولة التي تزيد درجة حرارة المادة، يتم امتصاص الحرارة المتأصلة أو إطلاقها عند درجة حرارة ثابتة أثناء الانتقال إلى المرحلة الانتقالية، مما يجعل المواد المبردة أعلى من درجة الحرارة.

وتقاس فعالية الـ PCM بـ الحرارة الخفية من الاندماج ] (يُعبَّر عنها عادة في J/g أو kJ/kg) - وتُعتبر مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المشتركة ذات درجة حرارة مُختارة تتراوح بين 150 و300 كيلوجول/كغ +دراماً أعلى من القدرة الحرارية للمعادن أو الماء أو غير ذلك من المواد الميكانيكية القابلة للتحكم نسبياً.

التطوير التاريخي والتطبيقات المبكرة في مجال الطيران الفضائي

ولا يشكل استخدام مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في الفضاء مفهوماً جديداً. NASA بدأت تحقق في مواد تغيير المرحلة من أجل السيطرة الحرارية في الستينات ، أثناء برنامج أبولو، عندما كان المهندسون بحاجة إلى حماية أدوات حساسة من البيئة الحرارية القصوى للمدارات الملوِّنة، واستخدمت التطبيقات المبكرة شمعات البارافين البسيطة المحتوية على رغاويات المعدنية لتحسين النقل الحراري.

واليوم، فإن جميع السواتل الحديثة تقريباً - من منابر الاتصالات الثابتة الأرضية إلى مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات المدار الأرضي المنخفض - تستخدم فيها أجهزة التكتل الأرضية في شكل ما، ومع تزايد عدد البعثات أكثر وطموحاً، لا يزال دور هذه المركبات آخذاً في التوسع، مع قيام الباحثين بتطوير مركب متطور ومواد مصغرة، ونظم هجينة تجمع بين أجهزة الكيماويات والضوابط النشطة.

How PCMs Integrate into Spacecraft Thermal Control Systems

ولا تستخدم مواد تغيير المرحلة بمعزل عن بعضها البعض، فهي عادة ما تُدرج في إطار نظام فرعي للتحكم الحراري إلى جانب عناصر أخرى مثل أجهزة الإشعال، أو الأنابيب الحرارية، أو السلاسل الحرارية، أو تُزرع البطاطا، وتوضع في هيكل احتواءيائي، وفي كثير من الأحيان تكون هناك رغاوى معدنية عالية التخدير، أو مصفوفة مركبة متعددة الكبسات تكفل التكبل الحراري.

وخلال ذروة الحمولات الحرارية - مثل عندما يبرز قمر صناعي من الكسوف إلى كامل ضوء الشمس - يستوعب جهاز التحكم في الملوثات العضوية الثابتة الطاقة الحرارية الزائدة، ويحافظ على العنصر في نطاق التشغيل الآمن للمرور العابر، مع انخفاض الحمولة الحرارية (مثلاً أثناء فترات الكسوف أو المراحل المنخفضة) فإن هذا الجهاز يُطلق الطاقة المخزنة ويحول درجة الحرارة من الانهيار بسرعة شديدة.

أمثلة محددة للبعثة

(ب) استخدام مركبات PCMs الخارجية (BFLT) التي تستخدمها أجهزة التبريد المحتوية على البارفين في نظامها الفرعي، وأثناء حروق الإدخال المداري في المريخ، امتصاص مركبات PCMBS من المحرك الرئيسي دون الحاجة إلى منطقة مشعة إضافية.

أنواع مواد تغير المرحلة المستخدمة في المركبات الفضائية

ويعتمد اختيار آلية PCM لبعثة فضائية على عدة عوامل: نقطة الانصهار المطلوبة، والقدرة الحرارية المتأخرة، والسلوك الحراري، والكثافة، والاستقرار الطويل الأجل في ظل الفراغ والإشعاع، والتوافق مع مواد الاحتواء، والفئات التالية هي الأكثر استخداما.

بارافين واكسيس

الشمعات البارافينية هي أكثر المواد الكيميائية شيوعاً في المركبات الفضائية بسبب انخفاض تكلفتها وارتفاع حرارة الخافت (حتى 260 كيلوجول/كغ)، وعدم التعرض للمواد الكيميائية، وتوافرها بنقاط انصهار دقيقة على نطاق واسع (تراوح بين 30 درجة مئوية و70 درجة مئوية) وهي غير سمية ومستقرة تحت الفراغ، غير أن البارافينات لديها قدرة منخفضة على التصريف الحراري (تحتاج إلى 0.2 كيلو متر مربع)

Salt Hydrates

(أ) إن قضايا هدرات الملح، مثل سداسي كلوريد الكالسيوم (CaCl2) (6H2O) ومركبات الكبريتات غير المشبع بالفلور (Na2SO4-10H2O)، تعرض درجة حرارة عالية جداً تتجاوز 300 كيلوجول/كغم - وهي مفيدة عندما يقيد الجسم الفضائي، وهي تزيد من درجة الموثوقية الحرارية؛

مقصات سمينة ومجمعات عضوية

كما أن المواد الكيميائية العضوية الثابتة مثل حمض السحلية، وحامض النخيل، والمخاليط الرحمية من الأحماض السمينة قابلة للتحلل الأحيائي وغير سمية، ولها سلوك ثابت في مجال الذوبان، كما أن سلوكها الحراري منخفض، ولكن يمكن أن تُستجمع في قذائف البوليمر أو تُدمج في مصفوفات غير مسموعة، وهي جذابة بشكل خاص بالنسبة للموائل المطهوبة حيث تستبعد شواغل السلامة استخدام بعض الملح.

معالم المعادن (الكليات المميتة - المميتة)

وتشمل المساحة المتزايدة من البحث سبائك معدنية ذات نقاط منخفضة مثل الغاليوم أو الهنديوم أو معدن الحقل، وتحتوي هذه المواد على أوامر سلوك حراري أعلى من المواد العضوية أو الملحية (الغاليوم: 40 دبليو/م كهرو؛ والمعادن الميدانية: 19 دبليو/متر مكعب)، مما يتيح استيعاب الحرارة السريعة والإطلاق، حيث تكون الحرارة المتأخرة أقل من الباراميل، ولكن السعة القصوى للسواتل.

أهم الملاءمات على نظم الرقابة الحرارية النشطة

ويوفر استخدام مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في تصميمات المركبات الفضائية عدة فوائد قاهرة تدفع إلى زيادة اعتمادها في جميع أنحاء الصناعة.

• Power savings:] Active heaters and pumps consume electrical power. PCMs store passively, reducing the energy demand from batteries and solar arrays, which is especially critical during eclipse periods or on small CubeSats with limited power budgets.
• Mass reduction:] A PCM unit can often replace a larger radiator or a heavier bater or a heavier bater card heater system. The high latent heat density means that a few kilograms of PCM can handle thermal loads that would otherwise require tens of kilograms of radiator area.
• Reliability:] PCMs have no moving parts and no liquid cycles that can leak or fail. They are inherently robust against vibration, acceleration, and radiation-factors that degrade active components over time.
• Temperature stability:] The phase transition occurs at a nearly constant temperature, providing far tighter temperature control than typical active systems that cycle on and off. This stability is crucial for sensitive instruments like infrared detectors andtom hours.
• Scalability:] يمكن إدماج مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في مجموعات إلكترونية صغيرة، أو صفائف بطارية كبيرة، أو حتى في هياكل المركبات الفضائية بأكملها، ويمكن تصميم نفس المادة الأساسية على شكل وكمية لتلبية احتياجات محددة من البعثات.

التحديات والاعتبارات الهندسية

وعلى الرغم من مزايا هذه الآليات، فإن هذه الآليات تطرح عدة تحديات هندسية يجب التصدي لها أثناء تصميم المركبات الفضائية.

تعزيز السلوك الحراري

ومعظم أجهزة التحكم ذات الحرارة العالية لديها قدرة على السير الحرارية السيئة، مما يحد من المعدل الذي يمكن فيه استيعاب الحرارة أو إطلاقها، ومن أجل التغلب على ذلك، قام المصممون بتأطير البوليسترين في مصفوفة رغوة الألمنيوم أو الرغاوي النحاسية أو الغرافيت الموسعة، وهي تمثل مساراً متواصلاً عالياً للوصلات الحرارية، بينما تتيح للجهاز المضغوط توسيع نطاقه وعقده خلال التغيير التدريجي.

إمكانية المقارنات بين الحاويات وتغيرات الحجم

وخلال عملية الانصهار، تتسع معظم أجهزة التحكم في المواد الكيميائية بنسبة ٥-١٥ في المائة، ويجب أن تستوعب سفينة الاحتواء هذا التوسع دون تسرب أو توليد ضغط مفرط، حيث عادة ما يترك المصممون فراغا )مرتفعا( ويستخدمون الفولوز أو المثانة أو الأختام المرنة، كما يجب أن تكون الحاوية غير مؤذية كيميائيا فيما يتعلق بمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عند درجة حرارة التشغيل التي يمكن أن تكون مهمة بصفة خاصة بالنسبة للهيدررات المالحة.

التحلل العالي والفصل

وتخضع هيدرات الملح وبعض مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور العضوية للعزلة المفرطة، حيث لا يتحول السائل إلى صلب عند نقطة التجميد، مما يؤدي إلى تأخير إطلاق الحرارة، وتضاف عوامل التنظيف مثل اليود الفضي أو نانووبات الكربون لتعزيز الترسيب الموثوق به، كما أن هناك أكثر من آلاف الدورات الحرارية، وبعض مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور تخضع أيضاً للفصل التدريجي أو للفصل الكيميائي، مما يقلل من قدرتها على التدفئة.

آثار الجاذبية الصغرية

وفي الجاذبية الصغرية، يمكن أن يؤدي عدم وجود التقارب الذي يحركه الطفاف إلى إبطاء نقل الحرارة من خلال السائل PCM، وتصبح الحركة الطبيعية للمرحلة الأولى مهيمنة على الانتشار، مما يمكن أن يقلل من القدرة الحرارية الفعالة، ويعوض المهندسون باستخدام مصفوفات مخرفة تشجع التدفق الذي تحركه الكبسولة وبتصميم طبقات رقيقة من البولي كلوروفلور التي تقلل من طول مسار الانتشار.

آخر التطورات والاتجاهات المستقبلية

وتتسارع البحوث في مواد التغيير التدريجي للتطبيقات الفضائية، وذلك بسبب مطالب استكشاف الفضاء العميق، ومحطات الفضاء التجارية، والسواتل الصغيرة ذات الطاقة العالية، وهناك عدة تطورات واعدة تقترب من الانتشار.

أجهزة PCMs

ويمكن أن تُنثر الكبسولات الدقيقة في طلاء قطرات من الكيماويات (المقياس 1 إلى 100 ميكروم) مع قذيفة من البوليمرات الرقيقة، ويمكن أيضاً تفريق الكبسولات إلى طلاء أو معاطف أو مركبات هيكلية، وعند تطبيقها على أسطح المركبات الفضائية، فإنها توفر قواعد تنظيمية حرارية دون إضافة كتلة كبيرة.

PCM Composites with High-Conductivity Fillers

Mixing PCMs with graphene nanoplatelets, carbon nanotubes, or boron nitride nanosheets yields composites that maintain high latent heat while boosting thermal conductivity by 10 - 100 times. Such materials are being tested for use in high-performance avionics and bat thermal management on Lunar Gateway]

مواد تغير المرحلة الصلبة الصلبة

وعلى الرغم من أن طبقة جديدة من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور تخضع لعملية انتقال تدريجي معزولة - معزولة ، فإن هذه المواد تتيح حالياً انتقالاً كبيراً من هيكل البلورات إلى آخر بدلاً من الذوبان، وتتجنب قضايا الاحتواء والتوسع في التحولات غير المتزامنة للسائل، بينما لا تزال تستوعب حرارة متخلفة.

التكامل مع النظم النشطة لمراقبة الحرارة الذكية

ومستقبل التنظيم الحراري للمركبات الفضائية يكمن في النظم الهجينة التي تجمع بين التخزين السلبي لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور والضوابط النشطة مثل حلقات الضخ والمشعات المتغيرة - مركبات فضائية يمكن أن تستخدم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لاستيعاب حمولات الذروة أثناء العمليات ذات الطاقة العالية، ثم ترفض ذلك الحرارة من خلال جهاز شعاعي خلال فترات الحافلات المنخفضة القدرة، ويسمح هذا الجهاز النشط بالعمل في دورة ثابتة من عناصر تكنولوجيا الارتداد (NFmal).

الاستنتاج: الدور الذي لا يمكن الاستغناء عنه للمركبات الثنائية الفينيل المتعددة الكلور في استكشاف الفضاء

ومع أن البعثات الفضائية تمضي قدماً في النظام الشمسي إلى المريخ، فإن حزام الكويكبات، وما بعد الطلب على التحكم الحراري الموثوق به والسلبي والخفيف الوزن، يصبح أمراً بالغ الأهمية، فالمواد التي تُغيّر المرحلة توفر حلاً بارزاً: فهي لا تحتاج إلى طاقة، ولا إلى قطع متحركة، ولا إلى حلقات من السوائل المعقدة، وبإمتصاصها وإطلاقها في درجة حرارة ثابتة، فإنها تحمي رواد الفضاء، والأدوات، والهياكل الفضائية من أقصى درجات الحرارة القصوى.

ومن الوحدات التي تحلق على أقصر السواتل إلى مركبي الغرافينيين - الكيماوي المتقدمين المتجهين إلى بوابة القمر، أثبتت هذه المواد قيمتها عبر عقود من التحليق الفضائي، كما أن مواصلة البحث في مجال الطلاء، والتحولات الصلبة - الموحدة، ومهند المراقبة الهجينة لن توسّع إلا قدراتهم، وبالنسبة للمهندسين الذين يصممون الجيل القادم من مواد الإنقاذ.