ARTE (Thermal Exchange)

Advanced Research for passive Thermal Exchange (ARTE) är ett projekt avsett att skapa "Thermal Exchange", ett experiment för den internationella rymdstationen (ISS). Det är en värmerörsteknikdemonstrator där värmerören innehåller vätska med låg toxicitet. Thermal Exchange har designats av Argotec i samarbete med den italienska rymdorganisationen (ASI). Polytechnic University of Turin deltog i projektet med utvecklingen av en prototyp av elektroniken och mjukvaran. Den 4 april 2016 genomfördes experimentet nominellt ombord på den internationella rymdstationen av den amerikanske astronauten Timothy Kopra .

Historia

2012 startade Argotec forskning inom området passiv värmeöverföring för den interna utvecklingen av en enhet som kallas värmerör. Denna teknik är känd inom det vetenskapliga området, men för närvarande finns det väldigt få producenter i Europa och Italien är begränsat till inköp av utländska produkter. Argotec utvecklade en numerisk modell för att designa en enhet som kan maximera prestandan tack vare den optimala kombinationen av yttre geometri (diameter och längd på röret) och inre geometri (spår).

Ombord på den internationella rymdstationen sker värmeöverföringen huvudsakligen av aktiva system. När det gäller värmeavledning har interna slingor installerats som samlar upp värme som genereras av besättning och utrustning. De transporterar värmen till externa slingor, som sedan överför värmen till ytan (radiatorer) varifrån den strålar ut mot rymden. De aktiva systemen kan arbeta över en rad driftseffekter eftersom applikationsparametrarna kan ändras under driften av en styrenhet. Å andra sidan har de en komplexitet som i rymden ofta återspeglas i ett större inblandning av resurser (astronautens massa och tid) och i en högre sannolikhet för felfunktion.

Målet är då att utforma ett prestandamässigt konkurrenskraftigt system som också är så enkelt som möjligt. Därför föddes ARTE-projektet för att realisera en ny nyttolast: Thermal Exchange. Målet är att testa värmerör ombord på ISS. De valda vätskorna är vätskor med låg toxicitet: detta är anledningen till att dessa vätskor kan användas inuti den interna rymdstationen där astronauter arbetar. För närvarande används för närvarande några värmerör på ISS men de installeras externt eftersom de innehåller ammoniak. Om denna vätska användes för interna enheter skulle det i händelse av en läcka skapa en katastrofal fara för astronauterna. Dessutom kan en läcka orsaka permanent förlust av en eller flera ISS-moduler.

Den 23 mars 2016 anlände Thermal Exchange ombord på den internationella rymdstationen som levererades av Cygnus (rymdfarkosten) CRS OA–6, ett Orbital/ATK-fordon. Experimentet genomfördes av den amerikanske astronauten Timothy Kopra den 4 april 2016. På samma sätt som ISSpresso stödde Argotec-teamet operationer från deras Mission Control Centre. Thermal Exchange användes igen av den italienske astronauten Paolo Nespoli under hans VITA-uppdrag som startade den 28 juli 2017. Den 14 september 2016 klockan 11.30, italiensk timme, genomförde den italienska astronauten framgångsrikt detta experiment ombord på den internationella rymdstationen.

Mål

Under omfattande forskning som varade i 4 år utvecklade Argotec en intern numerisk modell som kan identifiera den bästa geometrin för värmerörs inre spår förutsatt att det termiska driftsområdet. Modellen har validerats både med en analys- och testkampanj på jorden, och med experimentet som genomförts ombord på stationen. Tack vare de tester som gjorts ombord på den internationella rymdstationen har proprietära värmerör kvalificerats för användning i rymden.

Ett långsiktigt mål är utformningen av ett system av värmerör som innehåller vätskor med låg toxicitet som är mer effektivt än ett aktivt system som för närvarande används på ISS.

Det är inte bara rymden som drar nytta av forskning som bedrivs på värmerör: tack vare ARTE ansöktes två patent för teknologier som används på jorden och de har startat nya värmeväxlingsprojekt, ett av dem kallas "HEAT"-projekt.

Design och kvalificering

Efter valet av den optimala geometrin för värmerören och de mest lämpliga vätskorna för de speciella förhållandena på stationen, arbetade ingenjörerna med utformningen av en nyttolast som självständigt kunde utföra ett experiment ombord på ISS. Tillgången på resurser i form av kraft på den internationella rymdstationen var mycket viktig för valet av vätskorna. Faktum är att nyttolasten installerades inuti Microgravite Science Glovebox (MSG), ett handskfack som innehåller en kylplatta som används för att samla upp värmen som transporteras av värmerören under experimentet.

Som med alla projekt för ISS, har Thermal Exchange-designen funnit tillämpliga krav som definieras av NASA ISS-programmet. Ingenjörerna genomförde granskningar med ISS Payload Safety Review Panel för att visa att nyttolasten uppfyllde säkerhetskraven med avseende på astronauterna och ISS-systemen. En sekvens av tester har utförts för att visa kompatibiliteten med MSG vid Marshall Space Flight Center (MSFC) i Huntsville, Alabama. Data som samlades in under testerna som utfördes inuti MSG-modellen representerar en del av Baseline Data Collection (BDC) som teamet skapade för att definiera värmerörets prestanda.

Analysen av data som erhållits ombord ökar kunskapen om värmerörs beteende och det har resulterat i artiklar för vetenskaplig publicering. Vissa publikationer har redan presenterats för International Astronautical Congress (IAC) (2014 och 2015) och AIDAA (2015).