Использование жидких металлических теплоносителей в системах космических аппаратов

Критическая роль термоуправления в космических аппаратах

Космические аппараты работают в одной из самых требовательных тепловых сред, которые только можно себе представить. За пределами защитной атмосферы Земли спутник или зонд в глубоком космосе может испытывать температуры от сотен градусов Цельсия при прямом солнечном свете до почти абсолютного нуля в тени. В то же время бортовая электроника, двигательные системы и оборудование для выработки электроэнергии генерируют интенсивное тепло, которое должно быть удалено, чтобы предотвратить сбой. Поэтому эффективное управление тепловой энергией не является обязательным — это необходимо для успеха миссии. Традиционные жидкости для теплопередачи, такие как вода, смеси гликолевой воды и аммиак, использовались в течение десятилетий, но они несут фундаментальные ограничения: узкие диапазоны рабочих температур, низкая теплопроводность и высокое давление пара. По мере того, как космические аппараты становятся более мощными и компактными, инженеры обратились к классу материалов, которые обеспечивают гораздо более высокую производительность: жидкие металлы .

Жидкие металлические теплоносители представляют собой сконструированные металлические вещества, которые остаются в жидком состоянии в широком температурном диапазоне и демонстрируют теплопроводность на порядки выше, чем обычные охлаждающие жидкости. В этой статье исследуются научные основы этих жидкостей, их преимущества, их текущее и будущее применение в системах космических аппаратов и проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы сделать их стандартной частью аппаратного обеспечения космических полетов.

Что такое жидкостные металлические теплоносители?

Жидкая металлическая теплообменная жидкость представляет собой металлический сплав или чистый металл, который расплавлен при рабочей температуре системы. В отличие от твердых металлов, которые передают тепло в основном через колебания решетки (фононы), жидкие металлы также получают выгоду от свободного движения электронов, что приводит к теплопроводности, которая может превышать 20–30 Вт / м · К - по сравнению с примерно 0,6 Вт / м · К для воды. Это позволяет им переносить тепло от критических компонентов с замечательной эффективностью.

Наиболее часто рассматриваемые жидкие металлы для космических аппаратов включают:

Выбор жидкого металла для использования зависит от конкретного диапазона температур, химической совместимости с материалами, радиационной терпимости и ограничений безопасности миссии.

Почему жидкие металлы превосходят космические корабли

Непревзойденная теплопроводность

Термическая проводимость жидких металлов обычно в десять-пятьдесят раз больше, чем у обычных охлаждающих жидкостей. Например, теплопроводность галлия составляет около 29,3 Вт / м·К при 50 °C, в то время как вода управляет только 0,6 Вт / м·К. Это означает, что контур охлаждения жидкого металла может удалять такое же количество тепла с гораздо меньшим теплообменником или при более низкой скорости потока, что приводит к экономии веса и объема - два из самых ценных ресурсов в конструкции космического корабля.

Экстремальный диапазон температур

Для обеспечения живучести космических аппаратов требуются жидкости, которые остаются жидкими от холода глубокого космоса до жгучего тепла ядра ядерного реактора. Вода замерзает при 0 °C и кипит при 100 °C - чрезвычайно узкой полосе. Аммиак, при использовании во многих тепловых трубах, имеет высокое давление пара, которое усложняет сдерживание и может замерзать при -77 °C. Напротив, сплав галлия-индия-олова может оставаться жидким при температуре ниже -20 °C до значительно более 1000 °C (точка кипения галлия составляет 2 204 °C). Диапазон жидкости натрия простирается от 97,7 °C до 882,9 °C. Этот широкий диапазон жидкостей исключает риск циклов замерзания-оттепели, которые могут разрывать охлаждающие линии.

Низкое давление паров

Большинство жидких металлов имеют чрезвычайно низкое давление пара при рабочих температурах. Это имеет решающее значение в вакууме пространства, где любая жидкость с высоким давлением пара кипит, кавитируется или просто испаряется в пустоту. Низкое давление пара также минимизирует риск дегазации, которая может загрязнить чувствительную оптику или научные инструменты.

Высокая электропроводность и потенциал магнитного насоса

Жидкие металлы являются электропроводящими. Это позволяет им циркулировать без механических насосов, которые имеют движущиеся части, подшипники или уплотнения - компоненты, которые склонны к износу и отказу в микрогравитации. Вместо этого магнитогидродинамический (MHD) насос может толкать металл, применяя магнитное поле и электрический ток, производя силу Лоренца, которая управляет жидкостью. Этот твердотельный метод насоса является высоконадежным, компактным и без вибрации, что делает его идеальным для длительных миссий.

Применение в системах космических аппаратов

Системы термоконтроля (TCS)

Наиболее широкое применение жидких металлов в космических аппаратах имеет активные системы термоконтроля. В типичной установке петля жидкого металла циркулирует через холодные пластины, прикрепленные к теплогенерирующей электронике (процессоры, усилители мощности, батареи), а затем через панель радиатора, которая отводит тепло в пространство. Из-за высокого коэффициента теплопередачи жидкий металл может принимать большие тепловые потоки без создания горячих точек, что защищает чувствительные компоненты.

Например, космический аппарат НАСА Juno использует петлю жидкого аммиака для управления температурой, но миссии следующего поколения оценивают сплавы на основе галлия для более высоких плотностей мощности. Европейское космическое агентство (ESA) исследовало петли GaInSn для электрических силовых установок для обработки энергии, которые генерируют большое количество отработанного тепла, которое должно быть удалено в очень компактном пакете. ESA сообщает, что петли жидкого металла могут уменьшить массу радиатора на 30% или более по сравнению с обычными однофазными системами охлаждения.

Тепловые трубы и трубы Loop Heat Pipes

Многие космические аппараты полагаются на пассивные тепловые трубы для теплового контроля. Традиционные тепловые трубы используют воду, аммиак или пропилен в качестве рабочей жидкости. Жидкие металлы могут использоваться в высокотемпературных тепловых трубах (натрий, калий, литий) для таких применений, как охлаждение ядерного реактора или концентрация солнечной энергии в космосе. Например, тепловая труба натрия, работающая при температуре 600-800 ° C, может транспортировать киловатты тепла на расстояниях в несколько метров с падением температуры всего на несколько градусов. Они используются в космических ядерных реакторах, таких как проект ]Килоэнергия , где жидкие металлические тепловые трубы передают тепло от ядра реактора к двигателям Стирлинга. Программа Kilopower НАСА продемонстрировала, что заполненная натрием тепловая труба может надежно работать в течение тысяч часов в вакууме.

Ядерное тепловое движение (NTP)

Жидкие металлы необходимы для передовых концепций движения. В ядерной тепловой ракете ядерный реактор нагревает водородное топливо до экстремальных температур (2500-3000 К) для получения тяги. Саму ядро реактора необходимо охлаждать во время работы в устойчивом состоянии и после отключения. Жидкие металлы, такие как литий или эвтектический свинцовый висмут, могут удалять тепло распада, предотвращая расплавление. Кроме того, некоторые конструкции NTP используют жидкостные металлические теплообменники для передачи тепла от реактора к ракетному топливу, что позволяет использовать более высокий удельный импульс, чем химические ракеты. Программа DARPA / NASA DRACO активно разрабатывает ядерную тепловую ракету, которая будет использовать жидкостную металлическую охлаждающую петлю для реактора. Узнайте больше о DRACO здесь .

Электрические двигательные системы

Высокомощные электрические двигатели (нагнетатели с эффектом Холла, магнитоплазмадинамические двигатели) требуют от десятков до сотен киловатт электроэнергии. Блоки обработки энергии и сам двигатель вырабатывают отработанное тепло, которое должно быть удалено. Жидкие металлические охлаждающие петли предназначены для этих систем, потому что они могут быть миниатюризированы и могут обрабатывать высокие тепловые потоки из плотной электроники. Легкая природа петли из галлийного сплава в сочетании с насосом MHD предлагает путь к очень высоким соотношениям мощности к массе для электрических двигательных миссий.

Аккумуляторы и энергохранилище

Батареи космических аппаратов генерируют значительное тепло во время циклов заряда и разряда, особенно литий-ионные пакеты высокой емкости. Теплоуправление жидким металлом может поддерживать температуру батареи в узком оптимальном диапазоне, продлевая срок службы цикла и предотвращая тепловой бегство. Некоторые концепции даже предлагают использовать жидкий металл в качестве жидкости для теплопередачи и электродного материала для новых проточных батарей, хотя это остается экспериментальным.

Вызовы и инженерные трудности

Коррозия и совместимость материалов

Жидкие металлы могут быть чрезвычайно коррозионными, особенно при высоких температурах. Галлий, например, легко атакует большинство металлов и сплавов - алюминий, медь, латунь и даже нержавеющая сталь могут быть серьезно повреждены. Инженеры должны использовать материалы, которые химически устойчивы, такие как титан, молибден, тантал или керамика, такая как глинозем и карбид кремния. Общее решение - использовать огнеупорные металлические сплавы (например, TZM - титан-цирконий-молибден) или выровнять охлаждающие каналы тонкой пленкой из коррозионно-стойкого материала. Это добавляет стоимость и сложность.

Электрическая заземление и бродячие токи

Поскольку жидкие металлы являются электропроводящими, они могут создавать электрические пути, которые мешают чувствительной электронике. Охлаждающая петля из галлия может действовать как короткое замыкание, если не изолирована должным образом. Инженеры должны использовать диэлектрические разрывы, изоляционные покрытия или электрические схемы заземления для предотвращения гальванической коррозии и помех сигнала. В космических аппаратах с высоковольтными системами (например, шина 300 В) это становится критической проблемой безопасности.

Профилактика заморозки и старт

Хотя жидкие металлы имеют широкие диапазоны жидкости, они затвердевают, если космический корабль попадает в затмение или если реактор отключен. Затвердевание может вызвать расширение (некоторые металлы расширяются при замерзании), потенциально разрывные трубы. Системы должны быть спроектированы с нагревателями, морозостойкими закрученными соединениями или способностью плавить металл во время подпитки. Тепловая цикличность между твердым и жидким состояниями также может вызвать механическую усталость.

Токсичность и безопасность

Меркурий хорошо известен своей нейротоксичностью, а натрий и NaK бурно реагируют с водой и воздухом. Сплавы галлия обычно считаются нетоксичными, но они все же могут вызывать раздражение кожи и опасны при попадании внутрь. На земле для обработки требуются перчаточные коробки и инертные атмосферы. В космосе утечка жидкого металла может повредить оборудование или создать металлический пар, который откладывается на оптике. Необходимы протоколы безопасности, но ими можно управлять с помощью современной техники.

Процедуры смачивания и заполнения

Жидкие металлы часто не мочат поверхности труб, что приводит к плохому тепловому контакту или блокировке потока. Поверхностное натяжение галлия, например, составляет около 720 мН/м — выше, чем вода — что может привести к тому, что он будет сдуваться и захватывать пузырьки газа. Предварительная обработка поверхностей с помощью смачивающего агента, использование ультразвуковой вибрации во время заполнения или использование механических скребков может улучшить смачивание. В микрогравитации эти проблемы усиливаются, потому что гравитация не может помочь отделить газ от жидкости.

Текущие исследования и будущие направления

Развитие Advanced Alloy

Исследователи создают новые низкоплавкие сплавы, которые уравновешивают тепловые характеристики, коррозионную стойкость и безопасность. Например, сплав галлия-олово-цинка может иметь температуру плавления ниже 10 °C, будучи менее агрессивным по отношению к алюминию, чем чистый галлий. Изучаются добавки, такие как висмут или сурьма, для уменьшения проблем с влажностью. Цель состоит в разработке замены аммиака, который может использоваться в существующих конструкциях тепловых труб.

Интегрированные системы термоменеджмента

Следующим логическим шагом является объединение жидкостного охлаждения металла со структурными элементами. Концепция, называемая термоструктурная кожа , использует структуру соты космического корабля в качестве теплообменника, с жидким металлом, протекающим через встроенные каналы. Это устраняет отдельные панели радиатора, экономя массу и объем. ESA пролетела на маломасштабном демонстраторе на параболическом полете, и версия может быть протестирована на Международной космической станции в ближайшее время.

Двухфазное охлаждение жидким металлом

Так же, как обычные охлаждающие жидкости могут использовать скрытое тепло через кипение, жидкие металлы также могут подвергаться фазовому изменению. Двухфазные тепловые трубы натрия уже используются в ядерных реакторах, но использование двухфазной петли галлия может обеспечить чрезвычайно высокие возможности теплового потока (более 1 кВт / см2) для лазерных диодов или радиолокационных систем. Эта технология изучается для военных и космических применений.

Долгосрочное тестирование жизни

Прежде чем жидкие металлы смогут летать на критических миссиях, они должны продемонстрировать надежность в течение многих лет или десятилетий. Исследовательский центр НАСА Glenn, ESTEC ЕКА и различные университеты проводят долгосрочные испытания на жизнь на петлях галлия, измеряя скорость коррозии, деградацию насоса и ухудшение тепловых характеристик. Ранние результаты являются многообещающими, причем некоторые петли работают более 20 000 часов с минимальной потерей производительности.

Заключение

Жидкие металлические теплоносители представляют собой сдвиг парадигмы в управлении тепловыми потоками космических аппаратов. Их исключительная теплопроводность, широкий диапазон рабочих температур, низкое давление пара и совместимость с насосами MHD делают их уникальными для экстремальных требований пространства. В то время как такие проблемы, как коррозия, электрические помехи и сложность обработки, остаются, активные исследования неуклонно превращают эти препятствия в решаемые инженерные проблемы.

По мере того, как миссии становятся более амбициозными — возвращение на Луну, установление постоянного присутствия на Марсе и, в конечном итоге, отправка экипажных космических аппаратов на внешние планеты — потребность в эффективных, компактных и надежных тепловых системах будет только расти. Жидкие металлы готовы играть центральную роль. В следующий раз, когда спутник развертывается из ракеты или глубокого космического зонда, качается в далеком мире, вполне может быть, что тонкий, серебристый поток галлия уносит тепло, гарантируя, что все системы продолжают работать в холодной пустоте. NASA и ESA продолжают инвестировать в эту технологию, и это только вопрос времени, прежде чем жидкое металлическое охлаждение станет таким же распространенным, как солнечные панели на космических кораблях.