سيحصل رواد الفضاء قريبًا على ثلاجة فضائية ، مما يحافظ على برودة كل شيء في حالة انعدام الجاذبية

واحدة من أقل آليات تمويل ناسا شهرة هي بحوث ابتكار الأعمال الصغيرة برنامج (SBIR). هذا البرنامج المطلوب من قانون باي دويل لعام 1980 ، يخصص جزءًا من ميزانية كل وكالة فيدرالية أمريكية (بما في ذلك وكالة ناسا) لتطوير الأعمال الصغيرة لتسويق التقنيات الجديدة. يركز برنامج SBIR التابع لناسا عادةً على تسويق التقنيات التي يمكن استخدامها في الفضاء ، ويمول في كثير من الأحيان جامعة تقوم ببعض الأعمال بالإضافة إلى الأعمال الصغيرة التي حصلت على المنحة. شركة تسمى اير سكويرد انك ، ومقرها في برومفيلد ، كولورادو ، تلقت مؤخرًا إحدى منح SBIR هذه ، وتعاونت مع مختبر هندسة ميكانيكية في جامعة بوردو و دوامة ، أحد عمالقة الأجهزة في العالم ، لإنتاج مكون ضروري لأية مهمة فضائية طويلة المدى - ثلاجة.

في حين أنها قد تبدو طريقة عادية إلى حد ما لإنفاق تمويل الأبحاث ، إلا أن الحصول على ثلاجة للعمل في الفضاء ليس بالمهمة السهلة. هناك مشكلتان رئيسيتان يجب معالجتهما بواسطة ثلاجة في الفضاء. الأول هو نقص الجاذبية الذي يمكن أن يؤثر على الثلاجة ضاغط . الثاني هو توجه النظام ، والذي يمكن أن يسبب الخراب مع دورة ضغط البخار التي تستخدمها الثلاجة لتبرد.

فيديو بوردو يناقش تفاصيل تشغيل الثلاجة.
الائتمان: قسم الهندسة الميكانيكية بوردو

دعونا نلقي نظرة على الجاذبية أولاً. تحتوي الثلاجات على آلة تسمى الضاغط ، وهي الآلة التي يمكن سماعها وهي تعمل عند تشغيل الثلاجة. تتمثل مهمة الضاغط في الضغط على الخط 'الساخن' لسائل التبريد ، بحيث يمكنه المشاركة في دورة البخار الموضحة أدناه. يحتوي الضاغط نفسه على أجزاء متحركة فيه ، والتي عادة ما يتم تزييتها بالزيت ، مثل محرك السيارة الذي يعمل بالبنزين.

تكمن المشكلة في عدم وجود جاذبية في أن الزيت غير متأكد إلى أين يذهب ، ويمكن أن ينتشر بشكل رقيق جدًا بحيث لا يكون مفيدًا في تشحيم الضاغط ، مما يتسبب في تماسكه. بدون ضاغط ، يتم التخلص من نظام التبريد بالكامل.

تعلم فيديو هندسي يشرح مبادئ تشغيل الثلاجة.
الائتمان: قناة ليسيكس يوتيوب

هناك طريقة أخرى للتخلص من هذا النظام وهي تغيير اتجاهه. يعد نظام الاختناق أحد المكونات الرئيسية للثلاجات ، والذي يعمل بشكل أساسي كجسر بين خطوط السائل الساخن والبخار البارد. يفرض نظام الاختناق انخفاضًا كبيرًا في الضغط في سائل الخط الساخن ، مما يؤدي إلى تبخر بعض هذا السائل. يتطلب تبخير هذا السائل طاقة ، يتم سحبها من حرارة السائل المتبخر ، مما يجعل البخار على الجانب الآخر من دواسة الوقود حيث يتكثف أكثر برودة .

تكمن المشكلة في أنه إذا انقلب اتجاه الثلاجة ، يمكن للسائل والبخار تبديل الأماكن ، مما يتسبب في تكوين فقاعات وتدمير الضاغط الذي يحاول الضغط على السائل. هذا هو السبب في أنه ليس من المفترض وضع الثلاجة بشكل مسطح عند تحريكها.

نموذج CAD لتصميم الثلاجة الجديد الذي يعد جزءًا من برنامج NASA SBIR.
الائتمان: Air Squared، Inc.

إذا انتقلت المركبة الفضائية إلى جاذبية أخرى بشكل جيد ، فسيكون من الممكن جدًا أن يتم اعتبار ما تم اعتباره 'مرتفعًا' أثناء إطلاقه 'هبوطًا' بمجرد هبوطه في مكان جديد ، مما يتسبب في حدوث فوضى في العملية برمتها. وبالتالي فإن أي نظام تبريد نموذجي غير قابل للاستخدام في أي بيئة تغير اتجاهه من هذا القبيل.

تعتقد شركتا Air Squared و Purdue أن لديهما حلاً أفضل. أولاً ، طورت Air Squared ضاغطًا لا يحتاج إلى زيت ، مما يلغي إمكانية تدمير نفسه في البيئات منخفضة الجاذبية.

صورة مقربة للنموذج الأولي للثلاجة في اتجاه فريد.
الائتمان: جامعة بوردو / جاريد بايك

التفاصيل حول كيفية تعاملهم مع قضية التوجه ليست واضحة تمامًا ، ومع ذلك لن يتم تفعيلها إلا عندما تصبح الجاذبية عاملاً مرة أخرى. يمكن أن يكون الحل سهلاً مثل تصميم ضاغط يقوم بتبديل الاتجاهات وتبادل حيث يتم تشغيل الأنابيب ، مما يسمح له بتوفير الضغط على أي من جانبي الخانق اعتمادًا على اتجاه النظام.

لحسن الحظ ، سيكون لديهم الكثير من الفرص لاختبار حلولهم لكلتا المشكلتين. حصل البرنامج على تمويل من فرص الطيران البرنامج ، والذي سيسمح للفريق بالتحليق بتصميم ثلاجته على أربع رحلات 'الجاذبية الصغرى'. الرحلات الجوية التي تديرها شركة انعدام الجاذبية مختبر الأبحاث عديم الوزن ، يحاكي حوالي 20 ثانية من الجاذبية الصغرى عشرات المرات على مدار الرحلة.

إذا اجتازت اختبارات الجاذبية الصغرى ، فستكون الخطوة التالية هي اختبارها في الفضاء. إنه ليس اول مرة تمت محاولة التبريد في ظروف الجاذبية الصغرى. في الواقع ، تمتلك محطة الفضاء الدولية حاليًا نظام تبريد يستخدم لتخزين العينات البيولوجية. ومع ذلك ، فهي ضخمة وتتطلب طاقة أكبر بكثير من الثلاجة العادية على الأرض. نظرًا لأن الطاقة لها أعلى مستوياتها في الفضاء ، فإن هذا يجعلها أقل من التصميم المرغوب فيه.

النموذج الأولي Air Squared / Purdue أكثر سهولة في الاستخدام. بحجم الميكروويف تقريبًا ، فهو مصمم خصيصًا للحفاظ على برودة الطعام. يمكن لنظام التبريد هذا زيادة العمر الافتراضي لطعام رواد الفضاء من حوالي 3 سنوات إلى أكثر من 5 أو 6 سنوات.

سيكون هذا العمر الافتراضي المتزايد لا يقدر بثمن بالنسبة لبعض المهمات المأهولة الأطول القادمة في خارطة طريق استكشاف الفضاء. لا يزال هناك الكثير من الأبحاث التي يجب القيام بها والأشياء المتبقية لابتكارها ، ولكن نأمل أن تتمكن شركة ناشئة صغيرة واحدة في كولورادو ، بدعم من بعض أفضل المؤسسات الهندسية في العالم ، من تقديم تبريد موثوق به باستمرار لمهام استكشاف الفضاء .

يتعلم أكثر:
بوردو - رواد الفضاء بحاجة إلى ثلاجة. يقوم المهندسون ببناء واحد يعمل في انعدام الجاذبية - ورأسًا على عقب.
هندسة مثيرة للاهتمام - يعمل المهندسون على تطوير ثلاجة صفرية للبعثات الفضائية

الصورة الرئيسية:
يقف إيكهارد جرول ، رئيس قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة بيرديو ، (على اليسار) وطالب الدراسات العليا ليون بريندل بجوار جهاز التبريد القابل لإعادة التوجيه.
الائتمان: صورة جامعة بوردو / جاريد بايك