Луна — сложная среда для выживания, в том числе для технических устройств. Резкие перепады температур от дня к ночи значительно затрудняют создание надёжного оборудования, способного бесперебойно функционировать. Однако команде инженеров из Университета Нагои в Японии удалось разработать энергоэффективный способ управления петлевыми тепловыми трубками для безопасного охлаждения луноходов. Это позволит продлить срок их службы и сделает возможным проведение долговременных миссий по исследованию Луны.

Проблема исследования Луны заключается в том, как обеспечить достаточную теплоизоляцию лунохода, чтобы он мог пережить лунные морозные ночи, не подвергаясь перегреву в дневное время. Решение, предложенное группой учёных под руководством доктора Масахито Нисикавары (Masahito Nishikawara), заключается в объединении петлевой тепловой трубки с электрогидродинамическим насосом. Это позволило создать механизм эффективного охлаждения оборудования в вакууме космоса, при этом систему можно отключать ночью. При этом, система практически не потребляет энергии.

Устройство теплового выключателя увеличивает срок службы лунохода в суровом лунном климате. Источник: Shinichiro Kinoshita, Masahito Nishikawara

Луна представляет собой крайне суровую среду для техники. Помимо высокоабразивного реголита, который прилипает ко всему и встречается повсеместно, на Луне отсутствует атмосфера, а период вращения очень медленный — лунные день и ночь длятся по 14 земных суток, достигая экстремальных температур. Без атмосферы, способной изолировать и переносить тепло, ночные температуры могут опускаться до -173°C, в то время как солнечное излучение днём приводит к нагреву до 127°C.

Сложно разработать технику, которая надёжно функционировала бы в таких условиях. Долгие ночи требуют использования больших аккумуляторных батарей для хранения энергии, получаемой от солнечных батарей, но батареи плохо переносят низкие температуры. Их можно обогревать электричеством, но обогреватели постоянно разряжают аккумуляторы. Альтернативный подход — хорошая теплоизоляция, позволяющая сохранять работоспособность в режиме ожидания, но при этом возникает проблема перегрева, когда техника активна и под воздействием солнечного излучения.

Перегрев может повредить аккумуляторы и электронные компоненты. Традиционным решением являются активные системы охлаждения, работающие по принципу радиатора в автомобиле, но для их функционирования требуется электроэнергия. Это проблематично, когда необходимо, чтобы батареи обеспечивали работу в течение 14 дней до следующей подзарядки. Пассивные системы, такие как петлевые тепловые трубки, эффективны и не требуют электричества, но работают непрерывно, даже если требуется обогрев.

«Технология теплового переключателя, способная переключаться между рассеиванием тепла днём и ночной изоляцией, необходима для долгосрочного исследования Луны. Днём, когда луноход активен и электроника выделяет тепло, необходимо активно охлаждать и рассеивать это тепло. А в холодные ночи электронику нужно изолировать от внешней среды, чтобы предотвратить переохлаждение», — отметил ведущий исследователь Масахито Нисикавара.

Петлевые тепловые трубки можно рассматривать как нечто среднее между механизмом холодильника или кондиционера и тепловыми трубками современных портативных компьютеров. Как и в холодильнике, жидкий хладагент поглощает тепло, что приводит к его испарению. Затем пар проходит через радиатор, охлаждающий его до температуры окружающей среды, превращая обратно в жидкость. Этот фазовый переход жидкость-газ-жидкость позволяет хладагенту очень эффективно передавать тепло. В отличие от этого, тепловые трубки используют капиллярное действие для перемещения жидкости между источником тепла (например, процессором компьютера) и местом, где это тепло рассеивается.

Тепловые трубки, напротив, используют капиллярное действие для перемещения жидкости между источником тепла (например, процессором компьютера или графическим ускорителем) и радиатором. Петлевые тепловые трубки сочетают в себе механизм капиллярной транспортировки тепловой трубки с фазовыми изменениями в холодильной установке.

Такой подход ранее использовался в космосе, петлевые тепловые трубки оснащали клапанами, блокирующими поток хладагента, когда охлаждение не требуется. Однако эти клапаны значительно снижали эффективность охлаждающей системы. Инновация Нисикавары заключается в замене клапанов электрогидродинамическим насосом (ЭГН). ЭГН — это насосы низкой мощности, работающие за счёт индуцирования электрических токов в жидкости и использования возникающего магнитного поля для приложения силы к ней. Преимущество этого метода в том, что он не нарушает целостность трубопроводной системы, не создавая препятствий для потока, когда насос не активен.

Команда Нисикавары интегрировала маломощные ЭГН в конструкцию, чтобы они выполняли функцию высокоэффективного клапана: когда требуется отключить охлаждение, ЭГН активируется, создавая небольшую противодействующую силу, которая останавливает поток хладагента, потребляя при этом минимум энергии.

«Этот подход не только обеспечит функционирование лунохода в экстремальных температурных условиях, но также сведёт к минимуму энергопотребление, что крайне важно в ограниченной ресурсами среде Луны. Это закладывает основу для потенциальной интеграции в будущие лунные миссии, способствуя реализации устойчивых усилий по исследованию Луны», — отметил Нисикавара.

Подробнее на iXBT