Radialer Kernwärmeverteiler zur Verbesserung der Wärmeableitung des Stirling-Radioisotopengenerators

6. Februar 2017

von der NASA

Das Glenn Research Center der NASA entwickelt die nächste Generation von Stirling-Radioisotopengeneratoren (SRGs), um wissenschaftliche Missionen im Weltraum anzutreiben. Eine mögliche Technologielücke ist der Ansatz zur Abwärmerückführung für Stirling-Konverter mit höherer Leistung. Der vorherige 140-W-Advanced-Stirling-Radioisotopengenerator (ASRG) verwendete einen Leitungsflansch aus Kupferlegierung, um die Wärme vom Konverter auf die Kühleroberfläche des Generatorgehäuses zu übertragen. Der Leitungsflansch würde bei größeren Stirling-Systemen einen erheblichen Masse- und Wärmeleistungsnachteil mit sich bringen. Der Radial Core Heat Spreader (RCHS) ist ein passives zweiphasiges Wärmemanagementgerät, das zur Lösung dieses Problems entwickelt wurde, indem Wasserdampf anstelle von Kupfer als Wärmetransportmedium verwendet wird.

Das RCHS ist eine hohle, genoppte Titanscheibe, die kochendes und kondensierendes Wasser nutzt, um Wärme radial von der Mitte, wo sich der Stirling-Konverter befinden würde, zum Außendurchmesser zu übertragen, wo das Generatorgehäuse befestigt würde. Das experimentelle RCHS wiegt etwa 175 Gramm und ist für die Übertragung von 130 W (Wärme) von der Nabe zum Umfang ausgelegt. Er arbeitet bei einer Nenntemperatur von 90 °C mit einem nutzbaren Bereich zwischen 50 und 150 °C. Zu Testzwecken wurde der Stirling-Konverter durch ein elektrisches Heizelement und das Generatorgehäuse durch einen Wärmeabsorber ersetzt.

Zwei Parabelflugkampagnen und ein suborbitaler Flugtest lieferten wichtige Daten in Umgebungen mit mehreren Schwerkraftbedingungen, um die thermische Leistung des RCHS zu bewerten. Die Parabelflüge fanden in den Jahren 2013 und 2014 statt. Der suborbitale Flug fand am 7. Juli 2015 statt und umfasste zwei RCHS-Einheiten, eine parallel und eine senkrecht zum Startvektor. Die Black Brant IX-Rakete beförderte die RCHS-Nutzlast in über acht Minuten Schwerelosigkeit in eine Höhe von 332 km. Der Zweck dieses Experiments bestand darin, festzustellen, ob das RCHS in allen Missionsphasen funktionieren konnte. Da SRGs vor dem Start betankt und in Betrieb genommen werden, ist es von entscheidender Bedeutung, dass bei 1-G-Bodenabfertigungs-, Hyper-G-Start- und Mikro-G-Weltraumumgebungen ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement aufrechterhalten wird. Die Testergebnisse bestätigten, dass das RCHS die Gravitationstransienten während des gesamten suborbitalen Fluges tolerieren und gleichzeitig die Wärmeleistung übertragen konnte, die erforderlich ist, um einen Stirling-Konverter innerhalb seiner vorgeschriebenen Temperaturgrenzen zu halten.

Das flugerprobte RCHS hat ein Viertel der Masse des hochmodernen ASRG-Kupferleitungsflansches und bietet eine verbesserte Wärmeübertragung, um den Wärmewiderstand zu minimieren. Mit zunehmender Leistung des Stirling-Konverters werden die Masseneinsparungen und Wärmetransportvorteile des RCHS erheblich zunehmen. Der Flugtest der Höhenforschungsrakete bewies, dass das RCHS bei Hypergravitation und Mikrogravitation unabhängig von der Ausrichtung des Geräts relativ zu den Startkräften eine ordnungsgemäße thermische Kontrolle aufrechterhalten kann.

Das RCHS hat durch strenge Tests in einer Vielzahl von Umgebungen, darunter Start, Mikrogravitation und thermisches Vakuum, einen Technology Readiness Level (TRL) von sechs für den Einsatz in Stirling-Energiesystemen erreicht. Wenn die Technologie in der SRG der nächsten Generation übernommen würde, wären zusätzliche integrierte Systemtests erforderlich.

Zur Verfügung gestellt von der NASA