¿Tenemos suficiente combustible para llegar a nuestro destino? Esta es probablemente una de las primeras preguntas que le viene a la mente cada vez que su familia se prepara para emprender un viaje por carretera. Si el viaje es largo, tendrás que visitar gasolineras a lo largo de tu ruta para repostar durante el viaje.
La NASA está lidiando con problemas similares mientras se prepara para embarcarse en una misión sostenible de regreso a la Luna y planea futuras misiones a Marte. Pero mientras que el combustible de su automóvil es gasolina, que puede almacenarse de manera segura e indefinida como líquido en el tanque de gasolina del automóvil, los combustibles de las naves espaciales son propulsores líquidos criogénicos volátiles que deben mantenerse a temperaturas extremadamente bajas y protegerse de fugas de calor ambiental hacia el tanque de propulsor de la nave espacial. .
Y si bien ya existe una red establecida de estaciones de servicio comerciales para facilitar el reabastecimiento de combustible de su automóvil, no hay estaciones o depósitos de servicio criogénicos en la Luna o en el camino a Marte.
Además, almacenar propulsor volátil durante mucho tiempo y transferirlo desde un tanque de depósito espacial al tanque de combustible de una nave espacial en condiciones de microgravedad no será fácil, ya que la física subyacente de los fluidos de microgravedad que afecta tales operaciones no se comprende bien. Incluso con la tecnología actual, no es posible conservar combustibles criogénicos en el espacio más allá de varios días, y la transferencia de combustible de tanque a tanque nunca antes se había realizado ni probado en el espacio.
El calor conducido a través de estructuras de soporte o desde el entorno espacial radiativo puede penetrar incluso los formidables sistemas de aislamiento multicapa (MLI) de los tanques de propulsor en el espacio, lo que provoca la ebullición o vaporización del propulsor y provoca la autopresurización del tanque. P>
La práctica actual es evitar la sobrepresurización del tanque y poner en peligro su integridad estructural al ventilar el vapor de ebullición al espacio. Los propulsores a bordo también se utilizan para enfriar las líneas de transferencia calientes y las paredes del tanque vacío de una nave espacial antes de que pueda llevarse a cabo una operación de transferencia y llenado de combustible. Por lo tanto, el valioso combustible se desperdicia continuamente durante las operaciones de almacenamiento y transferencia, lo que hace que las expediciones de larga duración, especialmente una misión humana a Marte, sean inviables utilizando los métodos actuales de control pasivo de la presión de los tanques de propulsor.
Las tecnologías de ebullición cero (ZBO) o ebullición reducida (RBO) proporcionan un medio innovador y eficaz para reemplazar el diseño actual de control pasivo de presión del tanque. Este método se basa en una combinación compleja de procesos activos de eliminación de energía y mezcla dependientes de la gravedad que permiten el mantenimiento de una presión segura en el tanque con una pérdida de combustible nula o significativamente reducida.
En el corazón del sistema de control de presión ZBO se proponen dos mecanismos activos de mezcla y enfriamiento para contrarrestar la autopresurización del tanque. El primero se basa en la mezcla intermitente, forzada y subenfriada del propulsor en chorro e implica una interacción compleja, dinámica y dependiente de la gravedad entre el chorro y el espacio libre (volumen de vapor) para controlar el cambio de fase de condensación y evaporación en la interfaz líquido-vapor.
El segundo mecanismo utiliza la inyección de gotas subenfriadas a través de una barra rociadora en el espacio libre para controlar la presión y la temperatura del tanque. Si bien la última opción es prometedora y está ganando importancia, es más compleja y nunca se ha probado en microgravedad, donde el cambio de fase y el comportamiento de transporte de las poblaciones de gotas pueden ser muy diferentes y no intuitivos en comparación con los de la Tierra.
Aunque el enfoque ZBO dinámico es tecnológicamente complejo, promete una ventaja impresionante sobre los métodos pasivos utilizados actualmente. Una evaluación de un concepto de propulsión nuclear para el transporte a Marte estimó que las pérdidas pasivas por ebullición de un gran tanque de hidrógeno líquido que transportaba 38 toneladas de combustible para una misión de tres años a Marte serían aproximadamente 16 toneladas/año.
El sistema ZBO propuesto proporcionaría un ahorro del 42% de masa de propulsor por año. Estas cifras también implican que con un sistema pasivo, todo el combustible transportado para una misión de tres años a Marte se perdería por ebullición, lo que haría que dicha misión fuera inviable sin recurrir a la tecnología transformadora ZBO.
El enfoque ZBO proporciona un método prometedor, pero antes de que una transformación tecnológica y operativa tan compleja pueda desarrollarse, implementarse y demostrarse completamente en el espacio, se deben aclarar y resolver cuestiones científicas importantes y decisivas que afectan su implementación de ingeniería y el rendimiento de la microgravedad. P>
Los experimentos científicos de microgravedad con tanque de ebullición cero (ZBOT)
Se están llevando a cabo experimentos con tanque de ebullición cero (ZBOT) para formar una base científica para el desarrollo del método transformador de conservación del propulsor ZBO. Siguiendo la recomendación de un panel de revisión científica de ZBOT compuesto por miembros de la industria aeroespacial, el mundo académico y la NASA, se decidió realizar la investigación propuesta como una serie de tres experimentos científicos a pequeña escala que se llevarán a cabo a bordo de la Estación Espacial Internacional. Los tres experimentos que se describen a continuación se complementan entre sí para abordar cuestiones científicas clave relacionadas con la gestión de fluidos criogénicos ZBO de propulsores en el espacio.
El primer experimento de la serie se llevó a cabo en la estación en el período 2017-2018. La segunda imagen de arriba muestra el hardware ZBOT-1 en la unidad de guantera científica de microgravedad (MSG) de la estación. El objetivo principal de este experimento fue investigar la autopresurización y la ebullición que se producen en un tanque sellado debido al calentamiento local y global, y la viabilidad del control de la presión del tanque mediante una mezcla de chorro axial subenfriado.
En este experimento, se estudió cuidadosamente la complicada interacción del flujo en chorro con el espacio libre (volumen de vapor) en microgravedad. También se recopilaron datos de mezcla de chorros de microgravedad en una amplia gama de parámetros de flujo y transferencia de calor a escala para caracterizar las constantes de tiempo para la reducción de la presión del tanque y los umbrales para la formación de géiseres (fuentes de líquido), incluida su estabilidad y profundidad de penetración a través del volumen vacío. . Junto con mediciones muy precisas de sensores de presión y temperatura local, se realizó velocimetría de imagen de partículas (PIV) para obtener mediciones de velocidad de flujo en todo el campo para validar un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD).
Algunos de los hallazgos interesantes del experimento ZBOT-1 son los siguientes:
Los gases no condensables (GNC) se utilizan como presurizadores para extraer líquido para las operaciones del motor y la transferencia de tanque a tanque. El segundo experimento, ZBOT-NC, investigará el efecto de los NCG en la autopresurización del tanque sellado y en el control de la presión mediante mezcla por chorro axial. Como agentes presurizadores no condensables se utilizarán dos gases inertes con tamaños moleculares muy diferentes:xenón y neón. Para lograr el control o la reducción de la presión, las moléculas de vapor deben alcanzar la interfaz líquido-vapor que se enfría mediante el chorro de mezcla y luego cruzar la interfaz hacia el lado líquido para condensarse.
Este estudio se centrará en cómo en microgravedad los gases no condensables pueden ralentizar o resistir el transporte de moléculas de vapor a la interfaz líquido-vapor (resistencia al transporte) y aclarará hasta qué punto pueden formar una barrera en la interfaz e impedir el paso de las moléculas de vapor a través de la interfaz hacia el lado líquido (resistencia cinética). Al afectar las condiciones de la interfaz, los NCG también pueden cambiar el flujo y las estructuras térmicas en el líquido.
ZBOT-NC utilizará datos de sensores de temperatura locales y diagnósticos de termometría de puntos cuánticos (QDT) desarrollados exclusivamente para recopilar mediciones de temperatura no intrusivas de todo el campo para evaluar el efecto de los gases no condensables durante el calentamiento por autopresurización y la mezcla/enfriamiento por chorro de el tanque en condiciones de ingravidez. Está previsto que este experimento vuele a la Estación Espacial Internacional a principios de 2025 y están previstas más de 300 pruebas de microgravedad diferentes. Los resultados de estas pruebas también permitirán que el modelo ZBOT CFD se desarrolle y valide aún más para incluir los efectos de los gases no condensables con fidelidad física y numérica.
El experimento ZBOT-DP:efectos del cambio de fase de las gotas
El control activo de la presión ZBO también se puede lograr mediante la inyección de gotas de líquido subenfriado a través de una barra rociadora axial directamente en el espacio libre o el volumen de vapor. Este mecanismo es muy prometedor, pero su funcionamiento aún no se ha probado en microgravedad. La evaporación de las gotas consume calor suministrado por el vapor caliente que rodea las gotas y produce vapor que está a una temperatura de saturación mucho más baja. Como resultado, se reducen tanto la temperatura como la presión del volumen de vapor disponible.
La inyección de gotas también se puede utilizar para enfriar las paredes calientes de un tanque de propulsor vacío antes de una operación de transferencia o llenado de tanque a tanque. Además, se pueden crear gotas durante el chapoteo del propulsor causado por la aceleración de la nave espacial, y estas gotas luego sufren un cambio de fase y una transferencia de calor. Esta transferencia de calor puede provocar un colapso de la presión que puede provocar cavitación o un cambio masivo de fase de líquido a vapor. El comportamiento de las poblaciones de gotas en microgravedad será drásticamente diferente al de la Tierra.
El experimento ZBOT-DP investigará la desintegración, la coalescencia (gotas que se fusionan), el cambio de fase y las características de transporte y trayectoria de las poblaciones de gotas y sus efectos sobre la presión del tanque en microgravedad. También se prestará especial atención a la interacción de las gotas con una pared del tanque calentada, lo que puede provocar una evaporación repentina sujeta a las complicaciones causadas por el efecto Liedenfrost (cuando las gotas de líquido se alejan de una superficie calentada y, por lo tanto, no pueden enfriar la pared del tanque). .
Estos complicados fenómenos no han sido examinados científicamente en microgravedad y deben resolverse para evaluar la viabilidad y el rendimiento de la inyección de gotas como mecanismo de control de presión y temperatura en microgravedad.
Esta investigación fundamental está ayudando ahora a los proveedores comerciales de futuros sistemas de aterrizaje para exploradores humanos. Blue Origin y Lockheed Martin, participantes en el programa Human Landing Systems de la NASA, están utilizando datos de los experimentos ZBOT para informar futuros diseños de naves espaciales.
La gestión de fluidos criogénicos y el uso de hidrógeno como combustible no se limitan a aplicaciones espaciales. La energía verde limpia proporcionada por el hidrógeno algún día podrá alimentar aviones, barcos y camiones en la Tierra, generando enormes beneficios climáticos y económicos. Al formar la base científica de la gestión de fluidos criogénicos ZBO para la exploración espacial, los experimentos científicos ZBOT y el desarrollo del modelo CFD también ayudarán a aprovechar los beneficios del hidrógeno como combustible aquí en la Tierra.
Proporcionado por la NASA 
El experimento ZBOT-1:autopresurización y mezcla por chorro
El experimento ZBOT-NC:efectos de los gases no condensables
Regreso al planeta Tierra
