Sa temperaturama na Mesecu u rasponu od -245 do užarenih 120 stepeni Celzijusa, malo je reći da će ljudima biti potrebna staništa sa toplotom i klimatizacijom da bi tamo preživeli dugoročno.
Ali sistemi za grejanje i hlađenje neće biti dovoljno efikasni da podrže staništa za istraživanje Meseca ili čak duža putovanja na Mars bez razumevanja šta smanjena gravitacija čini ključanju i kondenzaciji. Inženjeri nisu uspeli da razbiju ovu nauku – do sada.
„Svaki frižider, svaki sistem klimatizacije koji imamo na Zemlji uključuje ključanje i kondenzaciju. Ti isti mehanizmi su takođe prisutni u brojnim drugim aplikacijama, uključujući parne elektrane, nuklearne reaktore i hemijsku i farmaceutsku industriju“, rekao je Issam Mudavar, Betti sa Univerziteta Purdue. Rut i Milton B. Holander, profesor mašinstva. „Razvili smo više od sto godina vredno razumevanje kako ovi sistemi funkcionišu u Zemljinoj gravitaciji, ali nismo znali kako funkcionišu u bestežinskom stanju.
Tim inženjera u Purdue-u predvođen Mudavarom, koji sarađuje sa NASA-inim Glen istraživačkim centrom u Klivlendu, proveo je 11 godina razvijajući postrojenje za istraživanje ovih fenomena.
Postrojenje se zove Eksperiment protočnog ključanja i kondenzacije (FBCE). Prvobitni dizajni su testirani u laboratoriji za bestežinsko istraživanje Zero Graviti Corporation (Zero-G), specijalno modifikovanom Boeing 727 koji leti paraboličnim manevrima da bi stvorio smanjenu gravitaciju na Mesecu i Marsu, kao i uslove bez težine u svemiru.
Nakon testiranja tokom leta, NASA Glen i Odeljenje za biološke i fizičke nauke agencije pomogli su Mudavarovom timu u kreiranju manje verzije eksperimenta koja će se uklopiti u Integrisani stalak za fluide na Međunarodnoj svemirskoj stanici. Nakon što je prošao NASA-inu reviziju bezbednosti i spremnosti, FBCE je lansiran na svemirsku stanicu u avgustu 2021. i od tada je pomogao istraživačima da počnu da otkrivaju misteriju kako ključanje i kondenzacija funkcionišu u ekstremnim okruženjima svemira.
Ovi odgovori su u podacima koje tim prikuplja iz dva seta FBCE eksperimenata koji se odvijaju na stanici. Prošlog jula, prvi eksperiment ovog objekta završio je prikupljanje svih podataka za koje Mudavar kaže da naučnici moraju da shvate kako smanjena gravitacija utiče na ključanje. U narednim mesecima, oprema za drugi eksperiment biće lansirana u orbitalnu laboratoriju u okviru misije Northrop Grumman komercijalnih usluga snabdevanja za NASA (NG-19) da prikupi podatke o tome kako se kondenzacija dešava u okruženju smanjene gravitacije.
Oba eksperimenta koja čine objekat ostaće u orbiti do 2025. godine, omogućavajući zajednici fizike fluida da iskoristi ove podatke.
„Spremni smo da bukvalno zatvorimo knjigu o čitavoj nauci strujanja i ključanja u smanjenoj gravitaciji“, rekao je Mudavar. „Astronautima na Mesecu će biti potrebni sistemi za klimatizaciju, sistemi za hlađenje i mnogi drugi sistemi koji zahtevaju ključanje i kondenzaciju. Zbog novog razumevanja koje smo dobili iz podataka koji pokazuju kako na ove pojave utiče smanjena gravitacija, u mogućnosti smo da obezbedimo uputstva o tome kako odrediti veličinu opreme, kako je efikasno dizajnirati i kako predvideti njen učinak.“
Istraživači pripremaju seriju istraživačkih radova u kojima će raspakovati podatke koje je FBCE prikupio na Međunarodnoj svemirskoj stanici, dodajući više od 60 radova koje su objavili o bestežinskom stanju i protoku tečnosti od testiranja svog objekta na Zero-G letovima na početku projekta. .
„Radovi koje smo objavili tokom trajanja ovog projekta su zaista skoro kao udžbenik za korišćenje ključanja i kondenzacije u svemiru“, rekao je Mudavar. „Više od 60 godina, od početka svemirskih letova, ova oblast je znala da bi ključanje i kondenzacija bili idealni za svemir, ali prethodni pokušaji proučavanja ovih koncepata u mikrogravitaciji nisu bili uspešni.
Svake decenije Nacionalne akademije objavljuju izveštaj koji usmerava NASA-u, Belu kuću i Kongres u oblastima istraživanja kojima treba dati prioritet za finansiranje u narednih 10 godina. U izveštaju iz 2011. godine, brojni naučnici su preporučili da se uloga gravitacije u kontroli ponašanja para i fluida smatra jednim od tih prioriteta za istraživanje svemira. Projekat FBCE je kreiran kao odgovor na dekadni izveštaj.
Što su misije dalje od Zemlje, veća je verovatnoća da će letelici za te misije biti potrebna nuklearna energija. U poređenju sa drugim vrstama procesa koji omogućavaju zagrevanje i hlađenje prostora, ključanje i kondenzacija su mnogo efikasniji u prenošenju toplote za ova vozila i staništa na nuklearni pogon. Kuvanje i kondenzacija bi takođe omogućile sistemima grejanja, ventilacije i klimatizacije da budu kompaktniji i lakši.
Od 1970-ih, Mudavar radi na tome da omogući korišćenje ključanja i kondenzacije za rešavanje izazova prenosa energije i kontrole temperature za širok spektar sistema. Primeri uključuju visokotemperaturne turbinske sisteme, superkompjutere, centre podataka, avioniku, elektroniku za pogon hibridnih vozila, vodonične gorivne ćelije, termičku obradu metalnih legura, akceleratore čestica i fuzione reaktore.
Prema Mudavaru, FBCE je prvi skup eksperimenata koji obezbeđuje podatke koji su dovoljno obimni i sistematični za razvoj modela potrebnih inženjerima da dizajniraju sve vrste svemirskih sistema koristeći ključanje i kondenzaciju u smanjenoj gravitaciji.
„Sada imamo osnovu za upoređivanje i kontrastiranje podataka i za Zemljinu gravitaciju i za smanjenu gravitaciju u potrazi za alatima za modeliranje koji mogu biti primenljivi na širok spektar gravitacija“, rekao je Mudavar.
Mudavar i njegovi studenti su razvili tri seta prediktivnih alata u proteklih 11 godina na osnovu podataka FBCE. Jedan set alata stavlja podatke u formu jednačina koje inženjeri mogu koristiti za projektovanje svemirskih sistema. Drugi skup identifikuje osnovne informacije o fizici fluida iz podataka, a treći set su računarski modeli dinamike fluida.
Svi zajedno, ovi modeli bi omogućili da se predvidi koji dizajn opreme može da funkcioniše u lunarnoj i marsovskoj gravitaciji.
FBCE je NASA-in najveći i najkompleksniji eksperiment za istraživanje fizike fluida. Između februara i jula prošle godine, objekat je uspešno sproveo 234 testa, dajući skoro 3.800 tačaka podataka i jednak broj brzih video zapisa.
Više od 35 inženjera i tehničara iz različitih timova širom NASA Glenn radilo je na ovom projektu, pomažući da se koncepti dizajna od Mudavara i njegovih učenika pretvore u objekat koji bi se mogao instalirati u svemirsku stanicu. Ovi timovi su uključivali Glennov FBCE tim za inženjering, bezbednost i osiguranje misije, timove za nauku, softver i tehničare, kao i timove za operacije tečnosti i postrojenja za sagorevanje.
Petnaest bivših i sadašnjih Purdue Ph.D. studenti su pomogli Mudavaru u svim aspektima zajedničkog rada sa NASA-om. Dva doktoranta Purdue, V.S. Devahdhanush i Steven Darges, pomogli su u praćenju eksperimenata na svemirskoj stanici preko namenske radne stanice postavljene u Purdue. Tim Purdue-a je takođe dao preporuke za preciziranje radnih uslova za naredne testove kako bi se kontinuirano poboljšao naučni prinos po testu.
Podaci iz FBCE bi koristili ne samo svemirskim sistemima, već i tehnologiji na Zemlji. Koristeći lekcije koje su naučili o ključanju iz ovih podataka, Mudavar i njegov tim su izmislili novi dizajn kabla za punjenje za električna vozila koji bi im omogućio da se pune za manje od pet minuta. Današnjim najnaprednijim kablovima za punjenje potrebno je više od 20 minuta za punjenje električnog vozila. Prijava za patent za ovaj izum kabla za brzo punjenje je podneta preko Kancelarije za komercijalizaciju tehnologije Purdue Research Foundation.
„Količina podataka koja izlazi iz FBCE-a je apsolutno ogromna, a to je upravo ono što želimo“, rekao je Mudavar.
