Evrenin derinliklerinde elektronik bileşenler ve yakıtlar zaman zaman aşırı derecede ısınabiliyor.
Uzay görevlerinin sürelerinin uzatılması ve daha gelişmiş teknolojik sistemlerin geliştirilmesi planlanırken, bilim insanlarının daha iyi anlamak istediği kilit alanlardan biri, kriyojenik (çok soğuk) sıvıların kaynama anındaki davranışları.
Bu sıvılar, roket yakıtı olarak ve elektronik aksamı soğutmak için kullanılıyor. Ancak mevcut durumda, bu sıvıların mikro yerçekiminde kaynama davranışları hakkında yeterli bilgiye sahip değiliz.
Yapılan yeni bir dizi hava bazlı deneyle bu konuyu araştıran bir çalışma, oldukça şaşırtıcı sonuçlar ortaya koydu. Bulgular, npj Microgravity adlı bilimsel yayında yayımlandı.
Kaynayan sıvıların uzayda garip davrandığını daha önce de biliyorduk.
Daha az yerçekimi olduğunda, konveksiyon yoluyla ısı transferi sıvılar içinde o kadar hızlı gerçekleşmiyor. Ayrıca, baloncuklar yüzeylerden o kadar kolay ayrılamıyor; daha az buşantısal oldukları için Dünya'da olduğu gibi yukarı doğru yüzmüyorlar.
Bu nedenle, düşük yerçekiminin de uzaydaki baloncukların soğutma kapasitesini azaltacağı makul bir şekilde varsayılabilirdi; çünkü ısıyı o kadar hızlı taşıyamazlar.
Ancak araştırmacılar tam tersini buldular: Belirli koşullar altında düşük yerçekimi, ısı uzaklaştırmayı iyileştirdi.
Ta ki bir ısı eşiği aşılana ve kaynama kararsız hale gelene kadar.
Çalışmanın kıdemli yazarlarından, mekanik mühendisi Youngsup Song, bulgularını şöyle özetliyor: "Bulduğumuz şey, bir noktaya kadar kaynamanın aslında daha etkili hale geldiğiydi ki bu, beklediğimizin tam tersiydi."
Song, "Ancak işin kötü yanı, güvenlik sınırının keskin bir şekilde düşmesi. Gerçek donanımlar tasarlarken her iki yönü de dikkate almak gerekiyor." diye ekliyor.
Bu deneylerde, tüm kriyojenik sıvılar için güvenli ve güvenilir bir alternatif olarak sıvı nitrojen kullanıldı. Deneyler, ağırlıksızlığı simüle eden parabolik uçuşlar sırasında gerçekleştirildi.
Araştırmacılar, bu deneylerden elde edilen verileri, normal yerçekimi altında laboratuvarda yapılan eşdeğer testlerle karşılaştırdı.
Song, "Düşük yerçekiminde kaldırma kuvvetini kaybettiğimiz için, kaynamanın genel olarak daha az etkili olmasını bekliyorduk," diyor.
Ancak buldukları şey bu değildi. Mikro yerçekimi koşullarında baloncuklar daha erken oluşmaya başladı ve ısı transferi iyileşti.
Araştırmacılar, bunun nedeninin mikro yerçekiminde baloncukların ısıtılmış yüzeye daha yakın yapışması ve böylece ısı uzaklaştırma verimliliğini artırması olduğunu düşünüyor.
Song, "Hipotezimiz, baloncukların yüzeyden uzaklaşmayı bırakıp yüzeyde kalmasıdır," diyor.
"Baloncuklar yüzeyde kaldığında, baloncuk ile ısıtıcı arasında küçük bir sıvı boşluğu oluşur ve bu sıvı tabakası o kadar incedir ki ısı transferini iyileştirebilir."
Bu kulağa faydalı gelse de, simüle edilmiş uzay koşullarında soğutma sistemleri limitlerine daha hızlı ulaştı.
Sıvı nitrojen soğutucusunun taşıyabileceği maksimum ısı miktarı, laboratuvar testlerine kıyasla mikro yerçekiminde yüzde 65 düştü.
Temel olarak, yüzeyde kalan baloncuklar birleşmeye başlıyor, yüzeyi daha hızlı kurutuyor ve soğutma mekanizmasının çökmesine neden oluyor. Düşük yerçekimi, avantajlı olduğu noktaya kadar ısı transferi için bir avantaj sağlıyor.
Burada dikkate alınması gereken sınırlılıklar var: Yalnızca nitrojen test edildi ve deneyler kısa parabolik uçuşlarda yapıldı.
Bununla birlikte, elde edilen veriler, araştırmacılar daha verimli ve daha güvenli uzay yolculukları için ekipmanlar tasarlarken gelecekteki modellemeler için faydalı olacaktır.
Önemli bir nokta, Song ve meslektaşlarının deneylerinde, mikroskobik kusurlardan ve boşluklardan neredeyse tamamen arındırılmış, silikon dioksit ile kaplanmış bir silikon gofret kullandılar.
Geçmişteki deneyler, baloncuk oluşumunu etkileyen ve yerçekiminin etkilerini izole edemeyen çelişkili sonuçlara yol açan küçük kusurlara sahip standart metal yüzeylere dayanıyordu.
Dolayısıyla, bu çalışma, yakıtı ve elektronik aksamı soğuk tutmak için sistemler geliştirirken malzeme yüzey tasarımının önemini vurguluyor.
Örneğin, yakıtla ilgili olarak, Dünya'nın ötesinde ne kadar uzağa seyahat etmek istersek, itici gazın kaynama noktasının altında ne kadar uzun süre kalması gerekeceği de önemli hale geliyor; bu da yüzey tasarımının yardımcı olabileceği bir alan.
Song, "Depolama tankında kaynamayı geciktirebilir miyiz diye yüzeyleri mühendislikle tasarlamak istiyoruz," diyor.
Bunun anlamı, "yapılar ve kimya gibi yüzey özelliklerini ayarlayarak kaynamayı bastırmak."
Bu araştırma, npj Microgravity dergisinde yayımlandı.
