Je leest:

Twentse vinding koelt zonder bibbers tot ijzige kou

Twentse vinding koelt zonder bibbers tot ijzige kou

Auteur: | 27 april 2006

Een nieuw trillingsvrij koelsysteem gebaseerd op thermische sorptiecompressie maakt kans op toepassing bij de toekomstige Darwin-missie van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Het werd ontwikkeld door de Universiteit Twente.

Een nieuw trillingsvrij koelsysteem ontwikkeld door de Universiteit Twente maakt kans op toepassing bij de toekomstige Darwin-missie van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Dankzij het principe van thermische sorptiecompressie is de koeler zeer geschikt voor de gevoelige satellieten van deze missie, die de dampkring van verre planeten gaan onderzoeken. Vorige week is de koeler aan de ESA gepresenteerd. In een vervolgstudie wordt bekeken hoe het systeem aan een serie tests in het internationale ruimtestation ISS onderworpen kan worden.

Het is niet meer zoals vroeger, toen de melkflessen stonden te rammelen als de koelkast aansloeg, maar ook vandaag de dag zijn zelfs de meest geavanceerde koelsystemen niet echt trillingsvrij. In sommige gevallen kan dat heel lastig zijn. Tijdens de Darwin-missie satellieten van ESA bijvoorbeeld. Het plan is om over een jaar of tien satellieten te lanceren die de atmosfeer van verafgelegen planeten gaan onderzoeken. De systemen die ze daarvoor aan boord hebben, zoals een infrarood spectroscoop, vereisen niet alleen een werktemperatuur van slechts 5 graden boven het absolute nulpunt, maar ze zijn bovendien uiterst gevoelig voor trillingen. Zie daar het eisenpakket voor de koeling: lage temperaturen realiseren, maar absoluut niet trillen. Een bibber met een uitslag van een miljoenste millimeter is al off limits.

De Twentse koeler werkt met helium en kan koelen van een temperatuur van 50 Kelvin (de omgevingstemperatuur in de ruimte) naar 4.5 Kelvin. Het koelvermogen is ongeveer 5 mW. Beeld: Johannes Burger, UT

Geen zuiger

Dat conventionele koelsystemen trillen komt omdat ze – net als gewone koelkasten – mechanische compressoren met bewegende zuigers bevatten. De Twentse koeler maakt gebruik van een ander compressieconcept: thermische sorptie. Door het ontbreken van bewegende delen is dat zo goed als trillingsvrij: de verstorende invloed ligt een factor 1000 lager dan bij de conventionele koelers. Het heeft nog twee belangrijke voordelen voor toepassing in ruimteonderzoek: het kent nauwelijks slijtage en kan daarom zeer lang meegaan; en het is schaalbaar naar kleine afmetingen.

Het nieuwe koelsysteem is de afgelopen drie jaar ontwikkeld in de groep van prof.dr. Marcel ter Brake bij de leerstoel Lage Temperaturen van de Universiteit Twente (UT). Ook Dutch Space (voorheen Fokker Space) en de Universiteit van Alicante namen aan het project deel. Er is ruim een miljoen euro aan gespendeerd, waarvan ESA zes ton voor haar rekening nam. Vorige week is de koeler gepresenteerd tijdens een internationale projectbijeenkomst bij ESA/ESTEC in Noordwijk. Volgens de UT-projectleider dr. Johannes Burger waren de betrokken zeer te spreken over de behaalde prestaties, die geheel volgens specificaties waren.

Zijaanzicht van het koelsysteem. Het heeft nu een doorsnede van ongeveer een halve meter; voor eventuele tests in het ruimtestation ISS zou het systeem in een container ter grootte van een schoenendoos ondergebracht moeten worden. Bij uiteindelijke toepassing in de Darwin satellieten zullen de verschillende functionele delen op verschillende plaatsen in de satelliet te vinden zijn. Beeld: Johannes Burger, UT

Thermische sorptie

De nieuwe Twentse koeler maakt eigenlijk nog steeds gebruik van hetzelfde principe als de alledaagse keukenkoelkast: expansie van een koelmiddel. Voor dat expanderen is energie nodig, die het koelmiddel opneemt uit de te koelen omgeving. Om het gas te laten expanderen moet je het eerst samenpersen en op dat punt onderscheidt de trillingsvrije koeler zich. In plaats van een bewegende zuiger is de koeler uitgerust met een niet-mechanische trillingsvrije compressor gebaseerd op het principe van thermische sorptie. Gasgestookte koelkasten die in campers en caravans te vinden zijn, werken ook volgens het adsorptieprincipe.

De Twentse thermische sorptiecompressor werkt met actieve kool, een materiaal dat in de industrie veelvuldig in filters gebruikt wordt. Het is een soort super-Norit met gigantische adsorberende eigenschappen. Het heeft een zeer poreuze structuur en een zeer groot inwendig oppervlak waaraan het grote hoeveelheden gas kan binden (adsorptie). Dat gas kan weer worden vrijgemaakt door de kool te verwarmen (desorptie). Op die manier is een zeer hoge druk op te bouwen. Door het samengeperste gas vervolgens gecontroleerd te laten expanderen realiseren de Twentse onderzoekers de koeling.

Voorkeur van ESA

Om dit op zich eenvoudige principe te realiseren in een apparaat dat ook nog eens aan de eisen van de ruimtevaartindustrie moet voldoen is veel kennis nodig van koelsystemen en het gedrag van materialen en elektronica bij zeer lage temperaturen. De Twentse onderzoeksgroep heeft de afgelopen decennia op dat gebied een uitstekende staat van dienst opgebouwd. In eerste instantie ging de aandacht vooral uit naar de eigen installaties voor onderzoek aan supergeleiding bij zeer lage temperaturen. De laatste jaren wordt de kennis van koelsystemen onder leiding van hoogleraar dr.ir. Marcel ter Brake op een breder terrein ingezet.

Inmiddels werkt projectleider Burger in opdracht van ESA een voorstel uit om het nieuwe koelsysteem in het ruimtestation ISS te kunnen testen. De kans dat de Twentse vinding daadwerkelijk in de Darwin satellieten wordt toegepast lijkt aanzienlijk. ESA sprak er zijn voorkeur al voor uit en van de twee consortia die in de race zijn voor daadwerkelijke productie van de satellieten heeft Alcatel Space al laten weten enthousiast te zijn. Ook de andere gegadigde, de European Aeronautic Defence and Space Company (EADS; een consortium met onder andere Airbus en Dutch Space) heeft belangstelling getoond.

Werking van de trillingsvrije sorptiekoeler

Het rondpompen van het koelmedium vindt plaats door het cyclisch verwarmen en afkoelen van actieve kool in de compressor. De actieve kool (1) bevindt zich in het hart van de compressorcontainer, die via een thermische radiator (2) wordt voorgekoeld tot de buitentemperatuur (in de ruimte zo’n 50 Kelvin). Bij die temperatuur adsorbeert de kool het gasvormige koelmiddel (helium of waterstof). De druk in de compressorcontainer wordt lager en lager, zodat op een gegeven moment de lage druk klep (3) opent. Dan kan de actieve kool gas uit de lage druk buffer (4) van het koelcircuit opnemen. Als de kool verzadigd is met gas wordt de inwendige heater (5) ingeschakeld. De actieve kool warmt op, het gas wordt gedesorbeerd en druk in de compressorcontainer loop op tot de hoge druk klep (6) open gaat. Het gas stroomt dan naar de hogedruk buffer (7). Van daar loopt het gas door een restrictie (8) waar het expandeert en aldus afkoelt. Het werkgas wordt vloeibaar en verzamelt zich in de verdamper (9). Hier is het koelvermogen van de koeler beschikbaar. Bij het koelen wordt warmte uit de omgeving van de verdamper opgenomen; de vloeistof verdampt en stroomt terug naar de lagedruk buffer. Daarmee is de cyclus rond. In het ontwerp van de koeler hebben de Twentse ingenieurs een aantal slimmigheden ingebouwd. Zo is de compressiecontainer in een soort thermosfles geplaatst. De isolerende ruimte (a) kan op strategische momenten gevuld worden met een warmtegeleidend gas zodat de warmtegeleiding naar de koelradiatoren (4) in te stellen is: maximaal als de actieve kool koud moet zijn (koelmedium adsorberen); minimaal als de actieve kool wordt opgewarmd (koelmedium desorberen). Een andere koeltechnische slimmigheid is de toepassing van een tegenstrooms warmtewisselaar (b) die ervoor zorgt dat het terugstromende lagedruk gas warmte opneemt van het instromende hogedruk gas, dat zo al wordt afgekoeld op weg naar de restrictie.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 april 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.