Uno dei meccanismi di finanziamento meno conosciuti della NASA è il Ricerca sull'innovazione per le piccole imprese (SBIR). Questo programma, richiesto dal Legge Baye-Doyle del 1980 , destina una parte del budget di ogni agenzia federale degli Stati Uniti (inclusa la NASA) allo sviluppo di piccole imprese per la commercializzazione di nuove tecnologie. Il programma SBIR della NASA di solito si concentra sulla commercializzazione di tecnologie utilizzabili nello spazio, e molte volte finanzia un'università che svolge alcuni lavori oltre alla piccola impresa che ha ricevuto la sovvenzione. Una società chiamata Air Squared Inc , con sede a Broomfield, in Colorado, ha recentemente ricevuto una di queste sovvenzioni SBIR e ha collaborato con un laboratorio di ingegneria meccanica presso Università di Purdue e idromassaggio , uno dei giganti mondiali degli elettrodomestici, per produrre un componente necessario per qualsiasi missione spaziale a lungo termine: un frigorifero.
Anche se può sembrare un modo piuttosto banale di spendere fondi per la ricerca, far funzionare un frigorifero nello spazio non è un compito facile. Ci sono due problemi principali che devono essere affrontati da un frigorifero nello spazio. Il primo è una mancanza di gravità che può influenzare il frigorifero compressore . In secondo luogo è l'orientamento del sistema, che può causare il caos con il ciclo di compressione del vapore che il frigorifero usa per raffreddare.
Video di Purdue che discute i dettagli del funzionamento del frigorifero.
Credito: Dipartimento di ingegneria meccanica di Purdue
Esaminiamo prima la gravità. I frigoriferi hanno una macchina chiamata compressore, che è la macchina che può essere ascoltata in funzione quando un frigorifero si accende. Il compito del compressore è quello di pressurizzare la linea “calda” del liquido refrigerante, in modo che possa partecipare al ciclo del vapore descritto di seguito. Il compressore stesso ha parti mobili, che di solito sono lubrificate dall'olio, proprio come sarebbe un motore di un'auto a benzina.
Il problema è che, quando non c'è gravità, quell'olio non sa bene dove andare, e potrebbe diffondersi troppo sottile per essere utile nella lubrificazione del compressore, provocandone il grippaggio. Senza un compressore, l'intero sistema di refrigerazione viene sconvolto.
Video Learn Engineering che spiega i principi di funzionamento del frigorifero.
Credito: canale YouTube di Lesics
Un altro modo per mettere fuori gioco quel sistema è cambiarne l'orientamento. Un componente chiave dei frigoriferi è il sistema di strozzamento, che essenzialmente funge da ponte tra le linee del liquido caldo e del vapore freddo. Il sistema di strozzamento forza una significativa caduta di pressione nel liquido della linea calda, che provoca l'evaporazione di parte di quel liquido. L'evaporazione di quel liquido richiede energia, che viene prelevata dal calore del liquido che è evaporato, rendendo il vapore dall'altra parte della valvola a farfalla dove si condensa molto più freddo .
Il problema è che se l'orientamento del frigorifero si capovolge, il liquido e il vapore potrebbero scambiarsi di posto, causando la formazione di bolle e la distruzione del compressore che cerca di pressurizzare il liquido. Questo è il motivo per cui non dovresti appoggiare il frigorifero quando lo sposti.
Modello CAD del nuovo design del frigorifero che fa parte del programma SBIR della NASA.
Credito: Air Squared, Inc.
Se un'astronave viaggiasse in un altro pozzo gravitazionale, sarebbe molto probabile che ciò che era considerato 'su' durante il suo lancio sarebbe considerato 'giù' una volta atterrato da qualche parte, causando il caos nell'intero processo. Qualsiasi sistema di refrigerazione tipico è quindi inutilizzabile in qualsiasi ambiente che cambia il suo orientamento in quel modo.
Air Squared e Purdue pensano di avere una soluzione migliore. Innanzitutto, Air Squared ha sviluppato un compressore che non richiede olio, eliminando la possibilità che si autodistrugga in ambienti a bassa gravità.
Primo piano del prototipo del frigorifero con un orientamento unico.
Credito: Purdue University / Jared Pike
I dettagli su come affronteranno il problema dell'orientamento non sono così chiari, tuttavia entreranno in gioco solo quando la gravità sarà di nuovo un fattore. La soluzione potrebbe essere semplice come progettare un compressore che cambi direzione e scambi il punto in cui vengono eseguiti i tubi, consentendogli di fornire pressione su entrambi i lati dell'acceleratore a seconda dell'orientamento del sistema.
Fortunatamente, avranno molte opportunità per testare le loro soluzioni su entrambi i problemi. Il programma ha ricevuto finanziamenti dal Opportunità di volo programma, che consentirà al team di pilotare il proprio frigorifero su quattro voli in 'microgravità'. I voli, gestiti dal Zero Gravity Corporation laboratorio di ricerca senza peso, simula circa 20 secondi di microgravità dozzine di volte nel corso di un volo.
Se supera i test di microgravità, il prossimo passo sarebbe testarlo nello spazio. non è il prima volta la refrigerazione è stata tentata in condizioni di microgravità. Attualmente, infatti, l'ISS dispone di un sistema di refrigerazione utilizzato per la conservazione dei campioni biologici. Tuttavia, è ingombrante e richiede molta più energia di un normale frigorifero sulla Terra. Poiché la potenza è un premio nello spazio, questo lo rende un design tutt'altro che desiderabile.
Il prototipo Air Squared / Purdue è molto più facile da usare. Ha le dimensioni di un forno a microonde, è progettato specificamente per mantenere il cibo freddo. Un tale sistema di refrigerazione potrebbe aumentare la durata di conservazione del cibo degli astronauti da circa 3 anni a circa 5 o 6.
Quella maggiore durata sarebbe preziosa per alcune delle missioni con equipaggio più lunghe in arrivo sulla tabella di marcia dell'esplorazione spaziale. C'è ancora molta ricerca da fare e cose da inventare, ma si spera che una piccola start-up in Colorado, con il supporto di alcune delle migliori organizzazioni di ingegneria del mondo, sarà in grado di introdurre un raffreddamento costantemente affidabile per le missioni di esplorazione spaziale .
Per saperne di più:
Purdue – Gli astronauti hanno bisogno di un frigorifero. Gli ingegneri ne stanno costruendo uno che funziona a gravità zero e capovolto.
Ingegneria interessante - Gli ingegneri stanno sviluppando un frigorifero a gravità zero per le missioni spaziali
Immagine principale:
Il capo del dipartimento di ingegneria meccanica di Purdue Eckhard Groll (a sinistra) e lo studente laureato Leon Brendel sono in piedi accanto al loro frigorifero riorientabile.
Credito: foto della Purdue University / Jared Pike