27.01.2025

Разработка технологии удаления углекислого газа нового поколения для лучшей жизни в космосе

Международная космическая станция (МКС) стала пригодной для жизни во многом благодаря системе, которая захватывает и удаляет CO2 из воздуха. Рабочей лошадкой внутри этой системы является компрессор, который выполняет свои обязанности по захвату CO2 , но за определенную плату: он шумный и требует частого обслуживания. Инженеры NASA использовали моделирование и имитацию с экспериментальными испытаниями для анализа следующего поколения конструкций компрессоров, которые выполняют работу тише, с меньшими потребностями в обслуживании и с более низкой стоимостью изготовления.

Астронавты, которые соглашаются жить и работать на МКС, возлагают большие надежды на инженеров, стоящих за технологией удаления загрязняющих веществ, которая избавляет кабину от CO2 ( рисунок 1). «В настоящее время существует система, называемая Узел удаления углекислого газа (CDRA)», — пояснила доктор Ханна Альперт, инженер по аэрокосмическим системам Исследовательского центра Эймса НАСА.

«CDRA поглощает CO 2 , чтобы удалить его из кабины. Затем этот CO 2 отправляется в реактор Сабатье, [где] он соединяется с водородом из системы генерации кислорода для получения воды». Эта вода подается астронавтам для питья. (Рисунок 2) «У нас есть эта замкнутая система, чтобы поддерживать жизнь астронавтов, но для того, чтобы CO 2 работал с реактором Сабатье, он должен находиться под более высоким давлением, чем то, при котором он поглощается, поэтому у нас есть компрессор между CDRA и реактором Сабатье», — сказал Альперт. CDRA в настоящее время модернизируется до новой четырехступенчатой ​​молекулярной паровой системы: четырехступенчатого скруббера CO 2 или 4BCO2.

Альперт объяснила, что новая система призвана повысить надежность и производительность по сравнению с CDRA, а это значит, что они вносят различные изменения. Для начала, необходимо заменить сорбент, который они использовали для улавливания CO2 . Кроме того, они перепроектировали некоторые компоненты. «Они перешли с прямоугольного на цилиндрический слой, перепроектировали сердечник нагревателя, чтобы лучше распределять сорбент и устранять пустоты, и они добавляют фильтр для улавливания пыли и новые клапаны для более длительного срока службы», — обрисовала она. Тем не менее, базовая функциональность того, как 4BCO2 интегрируется с компрессором, над которым работает команда Альперта, по сути та же самая, что и у текущей системы.

Текущая система оснащена механическим компрессором, который имеет большую массу и мощность, что приводит к большому шуму. Множество механических вращающихся частей требуют частого обслуживания, а их производство и эксплуатация обходятся дорого. «Мы рассматриваем некоторые альтернативные технологии, и один из наших ведущих вариантов называется адсорбционным компрессором с воздушным охлаждением и колебанием температуры (AC-TSAC)», — сказал Альперт. «AC-TSAC имеет меньшие требования к массе и мощности; он менее шумный; в нем нет вращающихся частей, поэтому, как мы надеемся, это снизит частоту необходимости замены деталей; и, кроме того, он имеет меньшую стоимость изготовления и его легче изготавливать».

AC-TSAC — это слой, заполненный минералами, которые захватывают CO 2 , называемыми цеолитовыми гранулами, и он адсорбирует CO 2 более эффективно при комнатной температуре. После сжатия CO 2 он доставляется в реактор Сабатье. Чтобы обеспечить постоянную подачу CO 2 в реактор Сабатье, AC-TSAC разделен на два слоя. Команда разработала одну версию AC-TSAC, и теперь они используют тепловое моделирование для дальнейшего улучшения своих конструкций.

Альперт обратилась к программному обеспечению COMSOL Multiphysics ® для построения моделей текущей конструкции AC-TSAC. «За последние несколько лет мы обнаружили, что COMSOL ® чрезвычайно полезен. Одним из первых проектов, над которым я работала, когда присоединилась к NASA, было моделирование измерителя теплового потока, который летал на тепловом щите Mars 2020, а в последнее время я использую модуль оптимизации для реконструкции поверхностного теплового потока на тепловом щите», — сказала она.

Для проекта компрессора она построила как 3D-, так и 2D-версии модели, и, придя к выводу, что обе дали одинаковые результаты для ее целей, она перешла к 2D-модели, поскольку ее запуск занял меньше времени. Внутри AC-TSAC есть три полки посередине и гранулы цеолита, упакованные в открытые пространства (рисунок 3). Между каждой из полок находятся резистивные нагревательные пластины для нагрева слоя. Охлаждающие каналы позволяют воздуху проходить через них на этапе охлаждения.

Для проверки модели команда использовала показания температуры и мощности из двух тестовых кампаний, которые были проведены на AC-TSAC. «Первая была двухслойным тестом функциональности в NASA Marshall. Затем мы провели более целенаправленную тестовую кампанию в NASA Ames, где мы использовали одну спальню, чтобы лучше изолировать точные свойства», — сказал Альперт.

Во время теста Маршалла NASA они разместили резистивные датчики температуры на поверхности нагревателя для измерения температуры. Оттуда они использовали измеренную температуру в качестве одного из граничных условий модели и запустили модель, чтобы проверить, что смоделированная температура соответствует экспериментальным данным.

Затем команда провела целенаправленный тест в NASA Ames, в ходе которого была протестирована одна кровать и собраны экспериментальные данные с поверхности нагревателя и узла сорбента. В этом случае они использовали измеренную мощность в качестве входных данных для своей модели, а затем измерили температуры в узле нагревателя и узле сорбента в модели. Когда они сравнили модель с результатами теста, они увидели хорошее совпадение данных.

Имея на руках проверенную модель, Альперт и ее команда были готовы проанализировать, как различные изменения конструкции повлияют на нагрев и скорость нагрева компрессора.

В рамках поиска лучшего нового дизайна команда рассмотрела конкретные исследования торговли дизайном, включая, помимо прочего: внутренние против внешних нагревателей и алюминиевый слой против паровых камер. Целью было быстро достичь высокой температуры и сделать температуру однородной по всему слою во время нарастания.

«Первое направление дизайна, которое мы рассматривали, было переключение с внутренних нагревателей. Сейчас внутренние нагреватели находятся в середине слоев, и они являются потенциальной точкой отказа. В слой идет много проводов, и это просто сложный, беспорядочный пучок проводов и нагревателей», — сказал Альперт. Это заставило команду задуматься, можно ли переместить эти нагреватели и будет ли это по-прежнему быстро и равномерно нагревать сорбент.

Используя модель Альперта, они подали питание на внутренние и внешние нагреватели, чтобы сравнить скорость и равномерность нагрева (рисунок 5). «Переключение с внутренних на внешние нагреватели не оказало большого влияния, что означает, что использование внешних нагревателей вместо внутренних имеет потенциал для улучшения или, по крайней мере, для достижения той же степени равномерности температуры сорбента, а также для снижения сложности системы», — добавила она.

В другом исследовании команда проанализировала эффект перехода от алюминиевого слоя к использованию паровых камер (рисунок 6). NASA работает с внешними партнерами, которые производят и тестируют паровые камеры и выполняют высокоточное моделирование. Команда смоделировала паровые камеры, используя свойства материала алюминия, но с гораздо более высокой теплопроводностью, чтобы получить представление о том, какими будут эффекты. Альперт отметил, что их главный вывод заключается в том, что «когда мы переключаемся на слой паровой камеры вместо алюминиевого слоя, в то время как средняя температура сорбента остается практически такой же, использование паровых камер имеет потенциал для улучшения однородности температуры сорбента».

Команда NASA также стремилась увеличить теплопроводность самого сорбента. В тепловой модели оригинальной конструкции AC-TSAC команда увидела, что увеличение теплопроводности сорбента не оказало большого влияния на среднюю температуру сорбента, но в значительной степени улучшило однородность температуры. «Это говорит нам о том, что мы определенно движемся в правильном направлении и [в результате] концентрируем большую часть наших усилий по разработке на этом», — сказал Альперт.

Аналогичным образом, когда группа увеличила теплопроводность в своей модели цилиндрического слоя с паровой камерой, результаты моделирования показали значительное улучшение однородности температуры сорбента по всему слою.

Альперт и ее команда успешно создали тепловую модель существующего AC-TSAC и проверили ее на основе данных испытаний. Используя проверенную модель, они смогли определить, какие параметры конструкции следует изменить, чтобы получить желаемые результаты. Благодаря моделированию команда узнала, что внешние нагреватели снижают сложность системы и потенциал отказа, паровые камеры имеют более высокую теплопроводность и, таким образом, улучшают однородность температуры сорбента, и они должны продолжать фокусироваться на повышении теплопроводности сорбента. Команда продолжит проверять тепловую модель на основе экспериментальных данных и учитывать такие механизмы, как потеря тепла.

Автор Фанни Грайсмер.