В нашей повседневной жизни на Земле мы часто сталкиваемся с конденсацией — от утренней росы до запотевшего зеркала после душа. В космосе микрогравитация изменяет то, как тепло распределяется в газах и жидкостях, что может стать проблемой для электроники космических аппаратов, нуждающейся в охлаждении в экстремальных условиях.
Впервые европейский эксперимент изучает форму, которую принимают жидкие плёнки на охлаждённых поверхностях на борту Международной космической станции. В центре внимания учёных — металлический элемент в форме ребра, позволяющий лучше наблюдать фундаментальные аспекты конденсации.
Эксперимент «Конденсация на рёбрах»
Эксперимент «Конденсация на рёбрах» проводит испытания по передаче тепла на орбите, чтобы изучить роль капиллярного давления — силы, которая заставляет жидкости проходить через крошечные пространства, подобно тому как вода поднимается по бумажному полотенцу — во время плёночной конденсации, причём без помех со стороны гравитации.
Это исследование фундаментальной физики для уточнения математических моделей, и результаты будут иметь практическое применение, например, в охлаждении электроники в смартфонах и компьютерах, а также в оптимизации процессов промышленного нанесения покрытий на нашей планете.
Космические миссии также могут выиграть от более эффективных теплообменников для поддержания электроники и систем жизнеобеспечения на нужной температуре.
Применение в технике
В холодильниках, кондиционерах и радиаторах используются крошечные металлические рёбра для более эффективной передачи тепла между жидкостями и газами. Форма ребра также имеет решающее значение для космических экспериментов.
«Мы ищем наилучшую форму ребра, чтобы максимизировать передачу тепла», — говорит Брайс Сен-Мишель, учёный проекта ЕКА для этого эксперимента.
Алюминиевый сплав высотой 1 сантиметр постепенно пропитывается хладагентом с низким поверхностным натяжением — эта летучая жидкость может испаряться или конденсироваться при небольшом нагреве. Жидкость стекает и образует лужи у основания ребра, где губчатый материал и насос отводят её.
«Условия микрогравитации позволяют нам использовать большое ребро, не беспокоясь о гравитационном дренаже и конвекции пара. Так гораздо проще увидеть, принимают ли жидкие плёнки другую форму», — объясняет Балаж Тот из группы полезной нагрузки ЕКА на низкой околоземной орбите.
На Земле жидкость скапливается у основания ребра, тогда как в условиях микрогравитации жидкость накапливается на всей поверхности ребра.
«Жидкость, похоже, притягивается к холодным поверхностям как к безопасному месту, в отличие от того, что происходит с передачей тепла на Земле», — говорит Андрей Глущук из Центра исследований и разработок в области космических технологий (CREST) в Свободном университете Брюсселя, Бельгия.
«Любая тепловая система, разработанная с учётом наземных стандартов, не будет работать в условиях микрогравитации. Нам нужно создавать новые конструкции с учётом новых концепций», — добавляет он.
Два заострённых выступа с каждой стороны являются частью эксперимента в качестве опорных объектов для калибровки. Они изготовлены из термически стабильного сплава никеля и железа. Во время каждого запуска сконденсированная жидкость непрерывно отводится губчатым материалом у основания ребра, перекачивается и повторно испаряется в замкнутом цикле.
Высокоточный интерферометр регистрирует изменения температуры и концентрации паров вокруг ребра и отслеживает толщину жидкой плёнки.
Подобные эксперименты по передаче тепла в течение последних двух десятилетий периодически проводились в условиях кратковременной микрогравитации во время полётов по параболической траектории. Знания, полученные в результате этих полётов, помогли научной группе разработать методику точного измерения распределения жидкой плёнки.
«Нам нужны постоянные условия микрогравитации на Международной космической станции; нигде больше мы не смогли бы достичь такого уровня стабильности, точности и высокого разрешения в наших измерениях», — говорит Глущук.
Научное сообщество работает с несколькими теоретическими моделями, чтобы предсказать, как будет меняться скорость конденсации в зависимости от распределения толщины жидкой плёнки. «Мы хотим получить формулу, которая применима ко всем, и впервые у нас есть масса данных для её обобщения», — добавляет Карло Саверио Иорио, руководитель CREST в Свободном университете Брюсселя.
Эксперимент «Конденсация на рёбрах» является частью более широкого ряда испытаний по передаче тепла в газах и жидкостях. Всё это происходит внутри нового модуля Heat Transfer Host 2, установленного 30 сентября 2025 года после его доставки в рамках 23-й миссии по снабжению грузом Northrop Grumman на Международную космическую станцию. Этот модуль высотой по пояс расположен в европейской стойке для выдвижных ящиков — 2 в качестве последнего обновления для европейского лабораторного модуля Columbus на космической станции.
Модуль работает безупречно, а его конструкция позволяет проводить эксперименты автономно. После этого первого исследования конденсации кампания будет продолжена экспериментом «Марангони в плёнках», посвящённым неустойчивостям в испаряющихся жидких плёнках.
Предоставлено
Европейским космическим агентством