У глибоких та темних куточках космосу бортова електроніка й паливо працюють під постійною загрозою перегріву. Під час планування довготривалих експедицій ключовим завданням для науковців стало розуміння поведінки ультрахолодинх, кріогенних рідин у момент кипіння. Вони слугують ракетним паливом та охолоджують системи, проте їхній фізичний стан в умовах мікрогравітації досі містив чимало пробілів. Нове дослідження, проведене командою науковців у серії спецпольотів та опубліковане в часописі npj Microgravity, підкинуло фізикам декілька несподіваних результатів.
Сюрпризи зниженої гравітації
На Землі процес кипіння передбачуваний: конвекція циркулює тепло, а бульбашки пара завдяки плавучості легко відриваються від нагрівача й піднімаються вгору. У космосі через брак гравітації конвекція майже відсутня, а бульбашки втрачають плавучість. Логічно було б припустити, що за таких умов відведення тепла суттєво погіршиться.
Проте експерименти показали зворотний ефект: на початкових стадіях знижена гравітація покращувала теплообмін.
«Ми виявили, що до певної межі кипіння насправді ставало ефективнішим, що суперечило нашим очікуванням, — пояснює старший автор дослідження Йонгсуп Сонг з Університету Флориди. — Але проблема в тому, що межа безпеки при цьому стрімко падає».
У якості безпечного замінника будь-яких кріогенних речовин дослідники використали рідкий азот. Випробування проводилися під час параболічних польотів літаків, що створюють короткочасну невагомість, після чого результати порівняли з лабораторними тестами на Землі.
Механіка космічної бульбашки
Чому ж теплообмін покращується? У мікрогравітації бульбашки затримуються безпосередньо біля гарячої стінки. Між ними та нагрівачем утворюється мікроскопічний рідкий прошарок, який напрочуд ефективно відводить теплову енергію.
Але ця перевага працює лише до певної межі. Як тільки тепловий поріг перевищується, кипіння стає нестабільним. Бульбашки починають зливатися між собою, утворюючи сухий шар, через що механізм охолодження миттєво виходить із ладу. Дослідники зафіксували, що гранична кількість тепла, яку здатен відвести рідкий азот у космосі, падає на 65 % відносно земних показників.
Ідеальна поверхня для далеких польотів
Для чистоти експерименту команда Сонга застосувала інноваційний підхід: нагрівачем слугувала кремнієва пластина з покриттям із діоксиду кремнію, відшліфована до практично ідеального стану. Минулі досліди на стандартних металевих деталях давали суперечливі дані саме через мікроскопічні дефекти металу, які спотворювали процес утворення бульбашок.
Це відкриття змінить підхід до проектування космічних апаратів. Щоб здійснювати тривалі місії у глибокий космос, кріогенне паливо має зберігатися без кипіння якомога довше. Налаштування хімічного складу та структури поверхонь резервуарів дозволить штучно пригнічувати утворення бульбашок і затримувати початок кипіння, роблячи майбутні польоти значно безпечнішими.
Раніше ми повідомляли про те, як бактерії можуть виробляти ракетне паливо.
За матеріалами sciencealert.com
