Distribuidor de calor de núcleo radial para melhorar a rejeição de calor do gerador de radioisótopos Stirling

6 de fevereiro de 2017

pela NASA

O Centro de Pesquisa Glenn da NASA está desenvolvendo a próxima geração de Geradores de Radioisótopos Stirling (SRGs) para alimentar missões científicas no espaço profundo. Uma potencial lacuna tecnológica é a abordagem de rejeição de calor residual para conversores Stirling de maior potência. O gerador avançado de radioisótopos Stirling (ASRG) de 140 W anterior usava um flange de condução de liga de cobre para transferir calor do conversor para a superfície do radiador da carcaça do gerador. O flange de condução incorreria em uma penalidade substancial de massa e desempenho térmico para sistemas Stirling maiores. O Radial Core Heat Spreader (RCHS) é um dispositivo passivo de gerenciamento térmico bifásico desenvolvido para resolver esse problema usando vapor de água em vez de cobre como meio de transporte de calor.

O RCHS é um disco oco de titânio com covinhas que usa água fervente e condensada para transferir calor radialmente do centro onde o conversor Stirling estaria localizado, para o diâmetro externo onde a carcaça do gerador seria fixada. O RCHS experimental pesa cerca de 175 gramas e foi projetado para transferir 130 W (térmicos) do cubo para o perímetro. Opera a uma temperatura nominal de 90°C com uma faixa utilizável entre 50 e 150°C. Para testes, o conversor Stirling foi substituído por um elemento de aquecimento elétrico e a carcaça do gerador foi substituída por um absorvedor de calor.

Duas campanhas de voo parabólico e um teste de voo suborbital forneceram dados essenciais em ambientes de gravidade múltipla para avaliar o desempenho térmico do RCHS. Os voos parabólicos ocorreram durante 2013 e 2014. O voo suborbital ocorreu em 7 de julho de 2015 e incluiu duas unidades RCHS, uma paralela e outra perpendicular em relação ao vetor de lançamento. O foguete Black Brant IX entregou a carga útil do RCHS a uma altitude de 332 km com mais de oito minutos de microgravidade. O objetivo deste experimento foi determinar se o RCHS poderia funcionar durante todas as fases da missão. Como os SRGs são abastecidos e operam antes do lançamento, é crucial que o gerenciamento térmico adequado seja mantido durante o manuseio em solo de 1 g, lançamento hiper-g e ambientes espaciais micro-g. Os resultados dos testes verificaram que o RCHS poderia tolerar os transientes gravitacionais durante todo o voo suborbital, enquanto transferia a energia térmica necessária para manter um conversor Stirling dentro dos limites de temperatura prescritos.

O RCHS testado em vôo tem um quarto da massa do flange de condução de cobre ASRG de última geração e fornece transferência de calor aprimorada para minimizar a resistência térmica. À medida que o nível de potência do conversor Stirling aumenta, a poupança de massa e os benefícios do transporte de calor proporcionados pelo RCHS aumentarão substancialmente. O teste de voo do foguete de sondagem provou que o RCHS poderia manter o controle térmico adequado durante a hipergravidade e a microgravidade, independentemente da orientação do dispositivo em relação às forças de lançamento.

O RCHS atingiu um Nível de Prontidão Tecnológica (TRL) de seis para uso em sistemas de energia Stirling através de testes rigorosos em uma ampla variedade de ambientes, incluindo lançamento, microgravidade e vácuo térmico. Se a tecnologia fosse adotada na próxima geração de SRG, seriam necessários testes adicionais do sistema integrado.

Fornecido pela NASA