La gestione del carburante nello spazio: superare l’ebollizione
Il calore condotto attraverso le strutture di supporto o dall’ambiente spaziale radiante può penetrare anche nei formidabili sistemi di isolamento multi-strato (MLI) dei serbatoi di propellente nello spazio, portando all’ebollizione o alla vaporizzazione del propellente e causando l’autopressurizzazione del serbatoio. La pratica attuale è quella di proteggere il serbatoio dall’eccessiva pressurizzazione e dal pericolo per la sua integrità strutturale, rilasciando il vapore di ebollizione nello spazio.
I propellenti a bordo sono anche utilizzati per raffreddare le linee di trasferimento calde e le pareti di un serbatoio di una navicella spaziale vuoto prima che possa avvenire un’operazione di trasferimento e riempimento del carburante. Quindi, il prezioso carburante viene continuamente sprecato durante le operazioni di stoccaggio e trasferimento, rendendo impraticabili le spedizioni di lunga durata, specialmente una missione umana su Marte, utilizzando i metodi attuali di controllo passivo della pressione del serbatoio di propellente.
Introduzione di ZBO: un nuovo orizzonte nell’efficienza del carburante
Le tecnologie Zero-Boil-Off (ZBO) o Reduced Boil-Off (RBO) forniscono un mezzo innovativo ed efficace per sostituire l’attuale design di controllo passivo della pressione del serbatoio. Questo metodo si basa su una complessa combinazione di processi attivi di miscelazione e rimozione dell’energia dipendenti dalla gravità che consentono il mantenimento di una pressione del serbatoio sicura con zero o una perdita di carburante significativamente ridotta.
Stoccaggio e trasferimento Zero Boil-off: una tecnologia spaziale trasformativa
Al centro del sistema di controllo della pressione ZBO ci sono due meccanismi attivi di miscelazione e raffreddamento proposti per contrastare l’autopressurizzazione del serbatoio. Il primo si basa sulla miscelazione intermittente forzata del propellente raffreddato e coinvolge un’interazione dinamica e complessa dipendente dalla gravità tra il getto e l’ullage (volume di vapore) per controllare il cambiamento di fase di condensazione ed evaporazione all’interfaccia liquido-vapore.
Il secondo meccanismo utilizza l’iniezione di goccioline raffreddate tramite una barra di spruzzo nell’ullage per controllare la pressione e la temperatura del serbatoio. Sebbene quest’ultima opzione sia promettente e stia guadagnando importanza, è più complessa e non è mai stata testata in microgravità, dove il comportamento del cambiamento di fase e del trasporto delle popolazioni di goccioline può essere molto diverso e non intuitivo rispetto a quello sulla Terra.
Sebbene l’approccio dinamico ZBO sia tecnologicamente complesso, promette un vantaggio impressionante rispetto ai metodi passivi attualmente utilizzati. Una valutazione di un concetto di propulsione nucleare per il trasporto su Marte ha stimato che le perdite passive di ebollizione per un grande serbatoio di idrogeno liquido che trasporta 38 tonnellate di carburante per una missione di tre anni su Marte sarebbero di circa 16 tonnellate/anno. Il sistema ZBO proposto fornirebbe un risparmio del 42% della massa di propellente all’anno.
Questi numeri implicano anche che con un sistema passivo, tutto il carburante trasportato per una missione di tre anni su Marte sarebbe perso a causa dell’ebollizione, rendendo tale missione impraticabile senza ricorrere alla tecnologia trasformativa ZBO.
L’approccio ZBO fornisce un metodo promettente, ma prima che una trasformazione tecnologica e operativa così complessa possa essere completamente sviluppata, implementata e dimostrata nello spazio, importanti e decisive questioni scientifiche che influenzano la sua implementazione ingegneristica e le prestazioni in microgravità devono essere chiarite e risolte.
Gli esperimenti scientifici sulla microgravità del serbatoio Zero-Boil-Off (ZBOT)
Gli esperimenti ZBOT vengono intrapresi per formare una base scientifica per lo sviluppo del metodo trasformativo di conservazione del propellente ZBO. Seguendo la raccomandazione di un panel di revisione scientifica ZBOT composto da membri dell’industria aerospaziale, dell’accademia e della NASA, è stato deciso di eseguire l’indagine proposta come una serie di tre esperimenti scientifici su piccola scala da condurre a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. I tre esperimenti descritti di seguito si basano l’uno sull’altro per affrontare le principali questioni scientifiche relative alla gestione dei fluidi criogenici ZBO dei propellenti nello spazio.
L’esperimento ZBOT-1: autopressurizzazione e miscelazione a getto
Il primo esperimento della serie è stato condotto sulla stazione nel periodo 2017-2018. L’obiettivo principale di questo esperimento era indagare l’autopressurizzazione e l’ebollizione che si verifica in un serbatoio sigillato a causa del riscaldamento locale e globale, e la fattibilità del controllo della pressione del serbatoio tramite la miscelazione a getto di propellente raffreddato.La miscelazione dei getti assiali è un processo complesso che è stato studiato attentamente in un esperimento in microgravità. I dati raccolti hanno permesso di caratterizzare i tempi di riduzione della pressione del serbatoio e le soglie per la formazione di geyser, compresa la loro stabilità e profondità di penetrazione attraverso il volume di vapore. Insieme a misurazioni molto accurate della pressione e della temperatura locale, è stata eseguita la Particle Image Velocimetry (PIV) per ottenere misurazioni della velocità del flusso su tutto il campo e validare un modello di Fluidodinamica Computazionale (CFD).
Tra i risultati interessanti dell’esperimento ZBOT-1, si possono citare i seguenti: la fornitura dei primi dati sulla velocità di auto-pressurizzazione del serbatoio in microgravità in condizioni controllate, utili per stimare i requisiti di isolamento del serbatoio; la dimostrazione che il controllo della pressione ZBO è fattibile ed efficace in microgravità utilizzando la miscelazione di getti subraffreddati, ma anche che l’interazione tra ullage e getto in microgravità non segue i modelli classici attesi; l’osservazione di una cavitazione inaspettata durante la miscelazione di getti subraffreddati, che ha portato a un massiccio cambiamento di fase su entrambi i lati del dispositivo di acquisizione del liquido (LAD); lo sviluppo di un modello CFD bifase all’avanguardia validato da oltre 30 studi di caso in microgravità. I modelli CFD ZBOT sono attualmente utilizzati come strumento efficace per la progettazione di serbatoi di propellente su larga scala da parte di diverse aziende aerospaziali che partecipano all’opportunità di tipping point della NASA e al programma NASA Human Landing System (HLS).
Il secondo esperimento, ZBOT-NC, indagherà l’effetto dei gas non condensabili (NCG) sulla auto-pressurizzazione del serbatoio sigillato e sul controllo della pressione tramite miscelazione di getti assiali. Due gas inerti con dimensioni molecolari molto diverse, lo Xenon e il Neon, saranno utilizzati come pressurizzanti non condensabili. Lo studio si concentrerà su come i gas non condensabili possono rallentare o resistere al trasporto di molecole di vapore verso l’interfaccia liquido-vapore e chiarire in che misura possono formare una barriera all’interfaccia e impedire il passaggio delle molecole di vapore attraverso l’interfaccia verso il lato liquido. Gli NCG possono anche cambiare le strutture di flusso e termiche nel liquido. ZBOT-NC utilizzerà sia i dati dei sensori di temperatura locali sia la diagnostica unica della Quantum Dot Thermometry (QDT) per raccogliere misurazioni della temperatura su tutto il campo non intrusive e valutare l’effetto dei gas non condensabili durante il riscaldamento dell’auto-pressurizzazione e la miscelazione/raffreddamento del getto del serbatoio in condizioni di assenza di peso. Questo esperimento è previsto per volare verso la Stazione Spaziale Internazionale all’inizio del 2025 e sono pianificati più di 300 diversi test in microgravità. I risultati di questi test consentiranno anche di sviluppare ulteriormente e validare il modello CFD ZBOT per includere gli effetti dei gas non condensabili con fedeltà fisica e numerica.
L’esperimento ZBOT-DP indagherà la disintegrazione, la coalescenza, il cambiamento di fase e le caratteristiche di trasporto e traiettoria delle popolazioni di goccioline e i loro effetti sulla pressione del serbatoio in microgravità. Particolare attenzione sarà dedicata anche all’interazione delle goccioline con una parete del serbatoio riscaldata, che può portare a un’evaporazione istantanea soggetta a complicazioni causate dall’effetto Liedenfrost. Questi fenomeni complicati non sono stati esaminati scientificamente in microgravità e devono essere risolti per valutare la fattibilità e le prestazioni dell’iniezione di goccioline come meccanismo di controllo della pressione e della temperatura in microgravità.
Questa ricerca fondamentale sponsorizzata dalla NASA sta ora aiutando i fornitori commerciali di futuri sistemi di atterraggio per esploratori umani. Blue Origin e Lockheed Martin, partecipanti al programma NASA Human Landing Systems, stanno utilizzando i dati degli esperimenti ZBOT per informare i futuri progetti di veicoli spaziali.
La gestione dei fluidi criogenici e l’uso dell’idrogeno come combustibile non sono limitati alle applicazioni spaziali. L’energia verde pulita fornita dall’idrogeno potrebbe un giorno alimentare aerei, navi e camion sulla Terra, portando enormi benefici climatici ed economici. Formando la base scientifica della gestione dei fluidi criogenici ZBO per l’esplorazione spaziale, gli esperimenti scientifici ZBOT e lo sviluppo del modello CFD aiuteranno anche a cogliere i benefici dell’idrogeno come combustibile qui sulla Terra.
Il progetto è guidato dal Dr. Mohammad Kassemi (Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Case Western Reserve University) e sponsorizzato dalla Divisione Scienze Biologiche e Fisiche (BPS) della NASA Science Mission Directorate (SMD).
