Tesis:
Development of the International Space Station (ISS) experiment Marangoni in Phase Change Materials, MarPCM
- Autor: MARTÍNEZ ÁLVAREZ, Úrsula Andrea
- Título: Development of the International Space Station (ISS) experiment Marangoni in Phase Change Materials, MarPCM
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80538/
- Director/a 1º: EZQUERRO NAVARRO, Jose Miguel
- Director/a 2º: FERNÁNDEZ FRAILE, Jose Javier
- Resumen: Current and future challenges in space exploration point to the need for improved thermal control systems. In this thesis, an extensive investigation on enhanced thermal management devices based on phase change materials (PCMs) is conducted, focusing on their potential application in microgravity. In this context, the Effect of Marangoni Convection on Heat Transfer in Phase Change Materials (MarPCM) experiment, which has been already approved by ESA (European Space Agency) for execution on board the International Space Station (ISS), is presented. MarPCM aims to contribute directly to current knowledge and basic understanding of heat and mass transport in PCMs that incorporate a free surface in reduced gravity. The experiment proposes to subject different PCM samples to a series of controlled melting and solidification cycles. By studying the temporal evolution of these processes, the increased heat transfer rate associated to Marangoni (thermocapillary) flows is evaluated, which is anticipated to reduce melting times by a significant factor, in the order of two or more.
Numerical simulations are carried out to predict and better understand the dynamics of the phase-changing PCM, which includes the analysis and evaluation of different PCM geometries and evaluating the expected results in order to also obtain valuable information for an optimized design of the hardware. The scientific cells, as well as their thermal control and optical diagnosis systems, are designed and tested out as part of this investigation. Two different cell geometries will be studied in the MarPCM experiment: cuboidal and cylindrical (liquid bridge when partially or completely melted). Furthermore, the complete hardware that supports these scientific cells and acts as interface between the investigation and the ISS is designed, partially manufactured and tested. The experiment has to comply with very strict safety and technical requirements; multiple analysis regarding devices' connections, physical assemblies, employed materials, general thermal behavior, and other concerns are necessary for said matter. As part of the development, additional ground support equipment is needed for both the manufacturing and testing phases. A series of scientific runs executed on ground demonstrates that the hardware is compliant with the aforementioned requirements. With respect to experimental results, they are consistent with theoretical foundations and numerical predictions.
The major contribution of this thesis is the development, from an initial conceptual stage to a fully operational ground model, of a functional experiment specifically focused in demonstrating the potential of the Marangoni effect to enhance heat transport in passive PCMs devices. Ground experiments are also supported by numerical results that, apart from providing a better understanding of the phenomena, strongly suggest that this type of thermocapillary-enhanced PCM systems can be a suitable alternative for passive thermal control in space missions. At the same time, numerical results can be partly validated with ground experiments. The developed scientific hardware can be easily adapted to particular space applications as thermal management in space stations, habitats or planetary rovers.
RESUMEN
Los retos a los que se enfrenta la exploración espacial, tanto presentes como futuros, evidencian la necesidad de mejoras en los sistemas de control térmico. En esta tesis, se lleva a cabo una amplia investigación sobre estrategias de mejora aplicables a dispositivos de control térmico basados en materiales con cambio de fase (PCMs), centrándose en su posible aplicación en microgravedad. En este contexto, se presenta el experimento El Efecto de la Convección de Marangoni en la Transferencia de Calor en Materiales con Cambio de Fase (MarPCM), cuya ejecución a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) ya ha sido aprobada por la ESA (Agencia Espacial Europea). El objetivo de MarPCM es contribuir de manera directa al conocimiento actual acerca del transporte de masa y calor en PCMs que cuentan con una superficie libre en ambientes de gravedad reducida. El experimento propone someter diferentes muestras de PCM a una serie de ciclos de fusión y solidificación controlados. Estudiando la evolución temporal de estos procesos, se evalúa el incremento en la transferencia de calor asociado con los flujos de Marangoni (termocapilares), los cuales se anticipa que reducirán los tiempos de fusión de manera significativa, en el orden de dos o más.
Se realizan simulaciones numéricas para predecir y comprender en mayor profundidad las dinámicas de los PCMs durante su cambio de fase, lo cual incluye el estudio de PCMs con diferentes geometrías y la evaluación de los resultados esperados con el fin de obtener información útil para la optimización del diseño del hardware. Como parte de esta investigación, también se diseñan y ensayan las celdas científicas así como sus sistemas de control térmico y diagnóstico óptico. En el experimento MarPCM se estudiarán celdas de dos geometrías: cúbica y cilíndrica (puente líquido cuando se encuentra fundido parcial o completamente). Además, se realiza el diseño completo, la fabricación parcial y el ensayo del hardware que da soporte a estas celdas científicas y actúa como interfaz entre el experimento y la ISS. El experimento debe cumplir con unos requisitos técnicos y de seguridad muy estrictos para lo cual son necesarios múltiples análisis sobre las conexiones de los dispositivos, disposiciones de montaje, materiales empleados o comportamiento térmico general, entre otros. Asimismo, como parte del desarrollo, es necesario un equipamiento de soporte en tierra que permita completar las fases de manufactura y verificación.
Se demuestra, por medio de una serie de experimentos ejecutados en tierra, que el hardware cumple con los requisitos anteriormente citados. Con respecto a los resultados experimentales, muestran consistencia con los fundamentos teóricos y las predicciones numéricas.
La principal contribución de esta tesis es el desarrollo, desde una primera etapa conceptual hasta un modelo de Tierra completamente operacional, de un experimento funcional cuyo diseño se centra en demostrar el potencial del efecto Marangoni para mejorar el transporte de calor en dispositivos pasivos con PCMs. Los experimentos en tierra se apoyan en resultados numéricos que, aparte de proporcionar un entendimiento más profundo de los fenómenos, sugieren que este tipo de sistemas PCM mejorados por medio del efecto termocapilar pueden ser una alternativa válida para el control térmico pasivo en misiones espaciales. Asimismo, los resultados numéricos pueden ser validados en parte por medio de los experimentos en tierra. El hardware científico desarrollado puede adaptarse fácilmente a aplicaciones espaciales concretas como es el caso de sistemas de control de temperatura en estaciones espaciales, habitats o vehículos planetarios.