Disipador de calor de núcleo radial para mejorar el rechazo de calor del generador de radioisótopos Stirling

6 de febrero de 2017

por la NASA

El Centro de Investigación Glenn de la NASA está desarrollando la próxima generación de generadores de radioisótopos Stirling (SRG) para impulsar misiones científicas en el espacio profundo. Una posible brecha tecnológica es el enfoque de rechazo del calor residual para los convertidores Stirling de mayor potencia. El anterior generador de radioisótopos Stirling avanzado (ASRG) de 140 W utilizaba una brida de conducción de aleación de cobre para transferir calor desde el convertidor a la superficie del radiador de la carcasa del generador. La brida de conducción supondría una penalización sustancial de masa y rendimiento térmico para sistemas Stirling más grandes. El esparcidor de calor de núcleo radial (RCHS) es un dispositivo de gestión térmica pasiva de dos fases desarrollado para resolver este problema mediante el uso de vapor de agua en lugar de cobre como medio de transporte de calor.

El RCHS es un disco de titanio hueco con hoyuelos que utiliza agua hirviendo y condensada para transferir calor radialmente desde el centro donde se ubicaría el convertidor Stirling hasta el diámetro exterior donde se uniría la carcasa del generador. El RCHS experimental pesa alrededor de 175 gramos y está diseñado para transferir 130 W (térmicos) desde el centro al perímetro. Opera a una temperatura nominal de 90°C con un rango utilizable entre 50 y 150°C. Para las pruebas, el convertidor Stirling se reemplazó por un elemento calefactor eléctrico y la carcasa del generador se reemplazó por un absorbente de calor.

Dos campañas de vuelo parabólico y una prueba de vuelo suborbital proporcionaron datos esenciales en múltiples entornos de gravedad para evaluar el rendimiento térmico del RCHS. Los vuelos parabólicos se realizaron durante los años 2013 y 2014. El vuelo suborbital se realizó el 7 de julio de 2015 e incluyó dos unidades RCHS, una paralela y otra perpendicular al vector de lanzamiento. El cohete Black Brant IX entregó la carga útil RCHS a una altitud de 332 km con más de ocho minutos de microgravedad. El propósito de este experimento era determinar si el RCHS podría funcionar durante todas las fases de la misión. Dado que los SRG reciben combustible y funcionan antes del lanzamiento, es crucial que se mantenga una gestión térmica adecuada durante el manejo en tierra de 1 g, el lanzamiento hiperg y los entornos espaciales microg. Los resultados de las pruebas verificaron que el RCHS podía tolerar los transitorios gravitacionales durante el vuelo suborbital, mientras transfería la energía térmica necesaria para mantener un convertidor Stirling dentro de sus límites de temperatura prescritos.

El RCHS probado en vuelo tiene un cuarto de la masa de la brida de conducción de cobre ASRG de última generación y proporciona una transferencia de calor mejorada para minimizar la resistencia térmica. A medida que aumenta el nivel de potencia del convertidor Stirling, los beneficios de ahorro de masa y transporte de calor proporcionados por el RCHS aumentarán sustancialmente. La prueba de vuelo del cohete de sondeo demostró que el RCHS podía mantener un control térmico adecuado durante la hipergravedad y la microgravedad, independientemente de la orientación del dispositivo en relación con las fuerzas de lanzamiento.

El RCHS ha alcanzado un nivel de preparación tecnológica (TRL) de seis para su uso en sistemas de energía Stirling mediante pruebas rigurosas en una amplia gama de entornos que incluyen lanzamiento, microgravedad y vacío térmico. Si la tecnología se adoptara en la próxima generación de SRG, se requerirían pruebas adicionales del sistema integrado.

Proporcionado por la NASA