Materiały kosmiczne o doskonałych osiągach termicznych dla satelitów następnej generacji
Przestrzeń kosmiczna to kolejny obszar rozwoju, na którym skupiają się działania w wielu sektorach. Ze względu na fakt, że najbliższa przyszłość przyniesie większą zależność od technologii kosmicznych, takich jak satelity, komponenty technologiczne używane do ich budowy będą musiały być stale ulepszane. Dotyczy to również technologii półprzewodników o szerokim paśmie wzbronionym (ang. wide-bandgap, WBG). Półprzewodniki te cieszą się dużą popularnością w modułach wykorzystywanych do budowy satelitów, w tym w modułach przetwornic mocy i wzmacniaczy sygnałów wyjściowych przekazywanych przez urządzenia pokładowe. Zwiększenie mocy komponentów elektronicznych przy jednoczesnym zmniejszeniu ich wymiarów może pozwolić na poprawę osiągów satelitów, jednak zwiększanie liczby funkcji przy jednoczesnej miniaturyzacji oznacza większą gęstość mocy i ilość ciepła, które musi zostać odprowadzone. W ramach finansowanego przez UE projektu HEATPACK naukowcy opracowali nowe rozwiązania pozwalające na utrzymywanie tych podzespołów w niskiej temperaturze w przestrzeni kosmicznej. „Wykorzystywanie materiałów charakteryzujących się niskim oporem cieplnym jest ważne z kilku powodów”, wyjaśnia David Névo, inżynier ds. pakietów mikrofalowych grupy Thales Alenia Space i koordynator projektu HEATPACK. „Skuteczne odprowadzanie ciepła z komponentów i utrzymywanie ich w możliwie niskiej temperaturze będzie miało ogromny wpływ na ich niezawodność i żywotność, co ma kluczowe znaczenie ze względu na czas trwania misji kosmicznych – niektóre urządzenia muszą pracować nawet 15 lat bez możliwości naprawy”.
Innowacyjne materiały termiczne
Zespół projektu HEATPACK opracował szereg materiałów i rozwiązań o doskonałych osiągach termicznych z myślą o sekcjach zasilania satelitów wykorzystywanych w zastosowaniach telekomunikacyjnych i nawigacyjnych, a także modułach zasilających ich podzespoły. Nowe rozwiązania obejmują materiały kompozytowe oparte na cząsteczkach diamentu, które charakteryzują się niezwykle wysoką przewodnością cieplną, blisko pięciokrotnie wyższą niż czysta miedź. Nadawanie kształtów tym materiałom stanowi wyzwanie, podobnie jak osiągnięcie wymaganego wykończenia powierzchni. Z tego powodu zespół zbadał nowe formuły i techniki cięcia w celu precyzyjnej obróbki materiałów opartych na diamentach. Badacze opracowali również dwa materiały termoprzewodzące – jeden oparty na srebrnej paście spiekanej, drugi na elektrycznie i termicznie przewodzącej folii samoprzylepnej, stosowane odpowiednio podczas składania komponentów i ich pakietowania. Zespół projektu HEATPACK opracował również nowe rozwiązania aktywnego chłodzenia, będące lepszą i tańszą alternatywą dla chłodzenia pasywnego. Opracowany przez badaczy dwufazowy system pompuje ciecz w ruchu oscylacyjnym wokół rur uformowanych w spiralę, która wielokrotnie przecina gorące i zimne obszary w celu usunięcia ciepła utajonego, zapewniając bardzo skuteczne chłodzenie. Wykorzystując te elementy, zespół zaprojektował i wyprodukował trzy różne pakiety, a następnie zbadał je pod kątem odporności na warunki panujące w przestrzeni kosmicznej.
Rozwiązania na miarę oczekiwań
„Podsumowując projekt jednym słowem, udało nam się osiągnąć znaczący postęp w rozwoju tych kluczowych technologicznych elementów budulcowych, które pozwolą na rozwiązanie problemu odprowadzania nadmiaru ciepła”, mówi Névo. Niektóre z technologii opracowanych w ramach projektu HEATPACK, w tym diamentowe materiały kompozytowe, osiągnęły szósty poziom gotowości technologicznej. Badacze wciąż testują swoje innowacyjne rozwiązania w nadziei na osiągnięcie tego samego poziomu. „Jednym z głównych osiągnięć projektu jest to, że osiągi prototypów łączących szereg technologii opracowanych przez partnerów projektu spełniają oczekiwania określone bezpośrednio przed rozpoczęciem prac”, podkreśla Névo.
Technologie gotowe do wprowadzenia na rynek
Niektóre z technologii opracowanych w ramach projektu są gotowe do wprowadzenia na rynek, w tym kompozyty metalowo-diamentowe, a także innowacyjna technika pomiaru temperatury wypracowana przez badaczy. „Głównym celem było zastosowanie w przemyśle kosmicznym, ale technologie te mogą sprawdzić się także w innych sektorach. Tak naprawdę będą odpowiednie do każdego zastosowania, w którym kwestie odprowadzania ciepła odgrywają istotną rolę”, wyjaśnia Névo.
Słowa kluczowe
HEATPACK, przestrzeń kosmiczna, komponenty, elektroniczne, termiczne, ciepło, technologie, chłodniejszy, żywotność
