Infused Thermal Solutions (ITS) Forschungsvorhaben

Latentwärmespeicher eingebettet in additiv gefertigte Integralstrukturen zur passiven Thermalkontrolle

Laufzeit des Vorhabens: 01.04.2019 – 31.03.2022

Speziell bei Raumfahrtanwendungen sind Satelliten über die gesamte Missionsdauer stark schwankenden externen Wärmeströmen ausgesetzt. Hinzu kommt, dass Satelliten während ihrer Missionszeit in unterschiedlichen Operations-Modi arbeiten, was ebenfalls zu schwankenden internen Wärmeströmen führt. Insbesondere schwankende Wärmeströme verursachen Temperaturschwankungen und Temperatur-Gradienten in Komponenten.
In Teleskopen führen kleinste Temperaturschwankungen zu thermo-elastischen Deformationen, welche die optische Performance degradieren. Temperaturschwankungen in Batterien haben eine signifikant reduzierte Lebenszeit zur Folge. Die Optiken von Satelliten sind meistens durch ein Baffle-System gegen den Einfall von Streulicht und gegen die direkte Sonneneinstrahlung geschützt. Diese Baffle-Systeme sind somit der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt. In Abhängigkeit vom Orbit des Satelliten existieren Sonnen- und Eklipsenphasen, welche periodische Temperaturschwankungen bewirken.

Infused Thermal Solutions beinhaltet eine Methode zur passiven Thermalkontrolle, um strukturelle Komponenten ohne den Einsatz von aktiven Heiz- und Kühlsystemen thermisch zu stabilisieren. Das ITS-Konzept kombiniert die Eigenschaften von Latentwärmespeichern (Phase Change Material – PCM) mit additiven Fertigungsverfahren.
Das Prinzip der Anwendung von Latentwärmespeichern zur Temperatur-Stabilisierung ist nicht neu und wurde bereits in der Vergangenheit in Raumfahrtmissionen verwendet. Der Unterschied zu den bisherigen, klassischen PCM-Anwendungen ist, dass der Latentwärmespeicher im ITS-Konzept in der additiv gefertigten Struktur eingebettet ist.

Dadurch entsteht eine Integralstruktur. Es werden keine zusätzlichen Komponenten oder Interfaces benötigt. Dies kann die Systemmasse verringern oder durch geringe relative Zusatzmasse das System thermisch signifikant stabilisieren. Durch die Verringerung der Interfaces ist das System darüber hinaus weniger komplex, was zugleich die Zuverlässigkeit verbessert. Dieses Konzept ist in seiner Ausführung vollständig passiv, es werden also – außer dem PCM – keine zusätzlichen Komponenten oder Energie zur Thermalkontrolle benötigt.

Der Latentwärmespeicher stabilisiert die Temperatur des Integralbauteils durch den nutzbaren Effekt des Phasen-Zustandswechsels. Bei der Erwärmung des PCMs wird Wärmeenergie als latente Wärme im PCM gespeichert. Während der Erstarrung des flüssigen PCMs wird die gespeicherte Wärme zurück in das System gespeist. Während des Phasenübergangs bleibt die PCM-Temperatur annähernd konstant. Das Temperaturniveau entspricht dabei der charakteristischen Schmelztemperatur des eingesetzten Latentwärmespeichers. Dieser nutzbare Effekt stabilisiert das Temperaturverhalten, dämpft schnelle bzw. extreme Temperaturänderungen und flacht Wärmespitzen ab. Dadurch werden empfindliche bzw. temperatursensitive Komponenten geschützt.

Die mechanischen, strukturellen und thermischen Auslegungen, Konstruktionen, Simulationen, Analysen, Assembly-Integration-Tests und Thermal-Vakuum-Kammer-Tests werden vom Raumfahrtlabor durchgeführt. Das GoetheLab ist das Kompetenzzentrum der FH Aachen im Bereich der additiven Fertigung. Alle Komponenten werden dort durch das additive Fertigungsverfahren Selective-Laser-Melting (SLM) hergestellt.

Im Rahmen der International Conference on Environmental Systems (ICES) 2019 in Boston wurde zu den aktuellen Ergebnissen des ITS-Forschungsvorhabens das Paper „Thermal stabilization of a GEO-stationary telescope baffling system by integral application of phase change material – a simulative approach“ vorgestellt.

Institutionen/ Verbundpartner

Fachhochschule Aachen – University of Applied Sciences
Fachbereich 6 – Luft- und Raumfahrttechnik
Hohenstaufenallee 6
52064 Aachen
www.fh-aachen.de

Ansprechpartner:

Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. Markus Czupalla
Lehrgebiet: Raumfahrtsystemtechnik
czupalla@fh-aachen.de
+49 241 6009 52362

Stellvertretender Projektleiter:
M. Sc. Dominik Wild
wild@fh-aachen.de

Mitarbeiter:
M. Sc. Johannes Schrezenmeier
schrezenmeier@fh-aachen.de