¿Tenemos suficiente combustible para llegar a nuestro destino? Esta es probablemente una de las primeras preguntas que le vienen a la mente cada vez que su familia se prepara para embarcarse en un viaje por carretera. Si el viaje es largo, deberá visitar estaciones de servicio a lo largo de su ruta para repostar durante su 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 se puede almacenar de manera segura e indefinida como líquido en el tanque de gasolina del automóvil, los combustibles de las naves espaciales son propelentes líquidos criogénicos volátiles que deben mantenerse a temperaturas extremadamente bajas y protegerse de las fugas de calor ambiental en el tanque de combustible de la nave espacial. Y aunque ya existe una red establecida de gasolineras comerciales para que repostar su coche sea pan comido, no hay estaciones de repostaje criogénicas ni depósitos en la Luna o en camino a Marte.
Además, almacenar propelente volátil durante mucho tiempo y transferirlo de un tanque de depósito en el espacio 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 a tales operaciones no se comprende bien. Incluso con la tecnología actual, no es posible preservar los combustibles criogénicos en el espacio más allá de varios días y la transferencia de combustible de tanque a tanque nunca se ha realizado o probado previamente en el espacio.
El calor conducido a través de estructuras de soporte o del entorno espacial radiativo puede penetrar incluso los formidables sistemas de aislamiento multicapa (MLI) de los tanques de propelente en el espacio, lo que provoca la ebullición o vaporización del propelente y provoca la autopresurización del tanque. 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 de un tanque vacío de una nave espacial antes de que pueda tener lugar 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 del tanque de propulsor.
Las tecnologías Zero-Boil-Off (ZBO) o Reduced Boil-Off (RBO) proporcionan un medio innovador y eficaz para reemplazar el diseño actual de control pasivo de la presión del tanque. Este método se basa en una combinación compleja de procesos activos de mezcla y eliminación de energía dependientes de la gravedad que permiten mantener una presión segura en el tanque con una pérdida de combustible nula o significativamente reducida.
Almacenamiento y transferencia sin ebullición: una tecnología espacial transformadora
En el corazón del sistema de control de presión ZBO se encuentran dos mecanismos activos de mezcla y enfriamiento propuestos para contrarrestar la autopresurización del tanque. El primero se basa en la mezcla intermitente, forzada y subenfriada del propulsore implica una interacción compleja, dinámica y dependiente de la gravedad entre el chorro y el vacío (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 vacío para controlar la presión y la temperatura del tanque. Si bien esta última opción es prometedora y está ganando protagonismo, 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 poco intuitivos en comparación con las de la Tierra.
Aunque el enfoque dinámico de ZBO 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 por evaporación pasiva de un gran tanque de hidrógeno líquido que transporta 38 toneladas de combustible para una misión de tres años a Marte serían de aproximadamente 16 toneladas/año. El sistema ZBO propuesto proporcionaría un ahorro del 42% de la masa propulsora 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 evaporación, 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 plenamente en el espacio, deben aclararse y resolverse cuestiones científicas importantes y decisivas que afectan su implementación de ingeniería y su rendimiento en microgravedad.
Los experimentos científicos de microgravedad del tanque de ebullición cero (ZBOT)
Los experimentos del tanque de ebullición cero (ZBOT) se están llevando a cabo para formar una base científica para el desarrollo del método transformador de preservación de propelentes ZBO. Siguiendo la recomendación de un panel de revisión científica de ZBOT compuesto por miembros de las industrias aeroespaciales, la academia y la NASA, se decidió realizar la investigación propuesta como una serie de tres experimentos científicos a pequeña escala que se llevarían a cabo a bordo de la Estación Espacial Internacional. Los tres experimentos que se describen a continuación se basan en sí para abordar cuestiones científicas clave relacionadas con la gestión de fluidos criogénicos ZBO de propulsores en el espacio.
El experimento ZBOT-1: autopresurización y mezcla de chorro
El primer experimento de la serie se llevó a cabo en la estación en el período 2017-2018. La Figura 2 muestra el hardware ZBOT-1 en la unidad Microgravity Science Glovebox (MSG) de la estación. El objetivo principal de este experimento fue investigar la autopresurización y la ebullición que se produce en un tanque sellado debido al calentamiento local y global, y la viabilidad del control de la presión del tanque a través de la mezcla de chorro axial subenfriado.
En este experimento, se estudió cuidadosamente la complicada interacción del flujo de chorro con el vacío (volumen de vapor) en microgravedad. También se recopilaron datos de mezcla de chorro de microgravedad a través de 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 (fuente de líquido), incluida su estabilidad y profundidad de penetración a través del volumen de vacío. Junto con mediciones muy precisas de sensores de presión y temperatura local, se realizó la velocimetría de imágenes de partículas (PIV) para obtener mediciones de velocidad de flujo de campo completo para validar un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD).
Algunos de los hallazgos interesantes del experimento ZBOT-1 son los siguientes:
Proporcionó los primeros datos de tasa de autopresurización del tanque en microgravedad en condiciones controladas que se pueden utilizar para estimar los requisitos de aislamiento del tanque. Los resultados también mostraron que la autopresurización clásica es bastante frágil en microgravedad y que la ebullición nucleada puede ocurrir en puntos calientes en la pared del tanque, incluso con flujos de calor moderados que no inducen la ebullición en la Tierra.
Se demostró que el control de la presión ZBO es factible y eficaz en microgravedad utilizando la mezcla de chorro subenfriado, pero también se demostró que la interacción entre el flujo y el chorro en microgravedad no sigue los patrones de régimen clásicos esperados (véase la Figura 3).
Permitió la observación de cavitación inesperada durante la mezcla de chorro subenfriado, lo que provocó un cambio de fase masivo a ambos lados del dispositivo de adquisición de líquidos (LAD) apantallado (consulte la Figura 4). Si este tipo de cambio de fase ocurre en un tanque de propulsor, puede provocar la ingestión de vapor a través del LAD y la interrupción del flujo de líquido en la línea de transferencia, lo que puede provocar una falla del motor.
Desarrolló un modelo CFD bifásico de última generación validado por más de 30 estudios de casos de microgravedad (un ejemplo de los cuales se muestra en la Figura 3). Los modelos ZBOT CFD se utilizan actualmente como una herramienta eficaz para el diseño de escalado de tanques de propelente por parte de varias empresas aeroespaciales que participan en la oportunidad del punto de inflexión de la NASA y el programa del Sistema de Aterrizaje Humano (HLS) de la NASA.
El experimento ZBOT-NC: Efectos de los gases no condensables
Los gases no condensables (NCG) se utilizan como presurizantes 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 de chorro axial. Dos gases inertes con tamaños moleculares bastante diferentes, el xenón y el neón, se utilizarán como presurizantes no condensables. Para lograr el control o la reducción de la presión, las moléculas de vapor deben llegar a la interfaz líquido-vapor que está siendo enfriada por el chorro mezclador 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 de 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 tanto los datos de los sensores de temperatura locales como los diagnósticos de termometría de puntos cuánticos (QDT) desarrollados de forma única para recopilar mediciones de temperatura no intrusivas de campo completo para evaluar el efecto de los gases no condensables durante el calentamiento por autopresurización y la mezcla/enfriamiento por chorro del tanque en condiciones de ingravidez. Está previsto que este experimento vuele a la Estación Espacial Internacional a principios de 2025, y se prevén más de 300 pruebas de microgravedad diferentes. Los resultados de estas pruebas también permitirán desarrollar y validar aún más el modelo ZBOT CFD para incluir los efectos de los gases no condensables con fidelidad física y numérica.
El experimento ZBOT-DP: Efectos de cambio de fase de gotas
El control de presión activa ZBO también se puede lograr mediante la inyección de gotas de líquido subenfriadas a través de una barra de pulverización axial directamente en el volumen de vacío o vapor. Este mecanismo es muy prometedor, pero su rendimiento aún no ha sido probado en microgravedad. La evaporación de las gotas consume el 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, tanto la temperatura como la presión del volumen de vapor de vacío se reducen. La inyección de gotas también se puede utilizar para enfriar las paredes calientes de un tanque de propelente vacío antes de una operación de transferencia o llenado de tanque a tanque. Además, se pueden crear gotas durante el chapoteo del propelente causado por la aceleración de la nave espacial, y estas gotas luego experimentan un cambio de fase y transferencia de calor. Esta transferencia de calor puede causar un colapso de presión que puede conducir a la cavitación o a un cambio masivo de fase de líquido a vapor. El comportamiento de las poblaciones de gotas en microgravedad será drásticamente diferente en comparación con el de la Tierra.
El experimento ZBOT-DP investigará la desintegración, la coalescencia (las 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, que puede conducir a una evaporación instantánea sujeta a 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.
De vuelta al planeta Tierra
Esta investigación fundamental patrocinada por la NASA ahora está ayudando a los proveedores comerciales de futuros sistemas de aterrizaje para exploradores humanos. Blue Origin y Lockheed Martin, participantes en el programa de Sistemas de Aterrizaje Humano 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 las aplicaciones espaciales. La energía verde limpia proporcionada por el hidrógeno puede algún día alimentar aviones, barcos y camiones en la Tierra, produciendo enormes beneficios climáticos y económicos. Al formar la base científica de la gestión de fluidos criogénicos ZBO para la exploración espacial, los experimentos científicos de ZBOT y el desarrollo de modelos CFD también ayudarán a cosechar los beneficios del hidrógeno como combustible aquí en la Tierra.
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