Satellieten zijn een essentieel onderdeel van ons dagelijks leven geworden, waardoor we toegang hebben tot informatie, communicatie en positioning over de hele wereld. Het belangrijkste element om dit allemaal te bereiken is elektronica. Terug in 1969 zette NASA een man op de maan met elektronica die een totale vermogensvraag had die equivalent was aan een moderne handheld calculator. De vermogensvraag voor ruimte-toepassingen is tussen de jaren 1960 en 2022 met een enorme factor vermenigvuldigd, en een enkele satelliet kan in sommige gevallen de energie-equivalent van meerdere huishoudelijke waterkokers vereisen.
Met hoge vermogensvraag komt ook hoge warmtegeneratie. Naarmate de vermogensvraag toeneemt, neemt ook de warmte die wordt gegenereerd door de elektronische componenten toe. Zelfs een mobiele telefoon kan hoge temperaturen bereiken. Hetzelfde geldt voor toepassingen in de ruimte. Ongewenste temperatuurstijgingen riskeren de elektronica te beschadigen. Terwijl op aarde je de elektronica kunt vervangen als deze faalt, is dit in de ruimte een behoorlijke uitdaging. Om de levensduur van de elektronica en dus van de satelliet te verlengen, moeten de elektronica betrouwbaar gekoeld worden – ofwel, je moet de warmte die wordt gegenereerd kwijtraken.
Terug in 1969 was eenvoudige koperbekabeling voldoende om de warmte te verwijderen en weg te voeren van de elektronica die deze kon beschadigen. Echter, met het huidige niveau van warmtegeneratie is koperbekabeling geen haalbare oplossing meer. Maar waarom is koeling eigenlijk nodig voor een satelliet? In sciencefictionfilms wordt ons verteld dat de ruimte extreem koud is, met temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Konden we niet gewoon “een raam openmaken daarboven?”
Het probleem is dat er in de ruimte geen lucht is als drager om de warmte die wordt gegenereerd door de elektronica te verdrijven, dus satellieten hebben koelsystemen nodig om de elektronica op bedrijfstemperatuur te houden. De principes die beschikbaar zijn, zijn dezelfde als die gebruikt worden in een huishoudelijk verwarmingssysteem: conductie, straling en geforceerde convectie.
In het dagelijks leven zijn deze drie gemakkelijk te identificeren. Straling is warmte die wordt getransporteerd als elektromagnetische golven, en is bekend van verwarmers, bijvoorbeeld. Straling kan worden opgemerkt wanneer er grote temperatuurverschillen zijn: een vuur, gloeilampen enzovoort.
Conductie is warmtetransport door direct contact: letterlijk een molecuul dat energie overdraagt aan het volgende: als warmte energie is, betekent het verwarmen van een metalen staaf (bijvoorbeeld) dat de moleculen sneller beginnen te trillen, waardoor naburige moleculen ook gaan bewegen en tegen elkaar botsen als biljartballen. Hoeveel een molecuul kan bewegen is dus een regel van duim voor hoe goed een materiaal kan geleiden. Metalen zijn goede geleiders, terwijl plastics of hout dat niet zijn.
Een andere vorm van warmtetransport is convectie. Dit is nauw verwant aan conductie, omdat het beweging betreft. Terwijl bij conductie warmte kan worden getransporteerd door individuele moleculen, wordt bij convectie warmte getransporteerd door beweging van een medium: warme lucht die beweegt of kokend water dat naar het oppervlak stijgt. Deze beweging wordt veroorzaakt door een externe kracht; bijvoorbeeld variatie in dichtheid door zwaartekracht, bekend als ‘natuurlijke convectie’ (bijv. warm water is lichter dan koud water), maar het kan ook worden bereikt door ‘gedwongen convectie’ (bijv. met behulp van een ventilator of pomp). Dus daar is het probleem: in de ruimte is er geen lucht om te bewegen of zwaartekracht om het verschil in dichtheid te helpen, dus natuurlijke convectie kan niet plaatsvinden. Een raam openen zal dus niet helpen om warmte te transporteren.
Huidige systemen
Thuis wordt uw huis verwarmd door een ketel en vervolgens wordt het verwarmde water door leidingen gepompt naar de radiatoren, waar warmte wordt afgegeven en uw woonkamer en slaapkamer worden verwarmd. Het afgekoelde water wordt vervolgens teruggepompt naar de verwarming. Een dergelijk systeem wordt “eenfasig systeem” genoemd, omdat het water vloeibaar blijft. Het systeem is vrij eenvoudig vanuit technisch oogpunt en is ook een goed gevestigd systeem. Echter, het is verre van precies; dit motiveerde NLR om onderzoek te doen naar hoe dit systeem naar een hoger niveau kan worden getild. Om warmte efficiënter te kunnen afgeven, richt NLR zich op een meer ingewikkeld proces. Om terug te gaan naar het voorbeeld van water: het verwarmen van een liter water van 20°C tot 100°C kost een kleine hoeveelheid energie, terwijl het verdampen van dezelfde hoeveelheid water meer energie kost. Verdamping is een “tweefasig” proces, omdat water van staat verandert van vloeibaar naar gas. Het verdampen en condenseren van een bepaalde hoeveelheid water gaat gepaard met veel energie bij constante temperatuur (genoemd een isotherm proces): zolang het water bij zijn kookpunt is, zal de temperatuur niet boven 100°C stijgen (onder atmosferische omstandigheden), zolang de druk constant blijft.
Het verhogen van de temperatuur is niet de enige manier om een faseovergang te bereiken. Temperatuur en druk zijn gerelateerd. Een verandering in druk via een gepompte loop, in plaats van het verwarmen van vloeistof, kan worden gebruikt om vloeistof te verdampen en te condenseren om warmte te transporteren. NLR heeft deze methodologie geperfectioneerd en gebruikt deze op het Internationaal Ruimtestation (ISS) om testapparatuur op constante temperatuur te houden en tegelijkertijd de warmte die door de apparatuur gegenereerd wordt te verwijderen.
“Een meer stabiele en uniforme temperatuur zal de prestaties van het koelsysteem verbeteren; dit kan worden bereikt met het NLR-ontwerp van een tweefasensysteem”, zegt Ramon van den Berg, R&D-engineer bij NLR. In een tweefasig gepompt koelsysteem wordt thermische energie getransporteerd door een vloeistof te circuleren die verdampt en condenseert bij constante temperatuur. Het is een slimme maar geavanceerde oplossing voor het gebruik van de immense hoeveelheid energie die een vloeistof nodig heeft om over te gaan van vloeibare fase naar gas om elektronica te koelen. Het is een efficiëntere oplossing dan elektronica simpelweg te koelen met koud water. Het is een meer ingewikkeld systeem dat bestaat uit meer onderdelen dan de traditioneel gebruikte warmtepijpen. Aan de andere kant vereist het een kleinere hoeveelheid vloeistof en dus een kleinere bouwvolume van het systeem. Dit maakt het gemakkelijker om buizen te integreren en veel hogere warmteoverdracht mogelijk te maken.
Een voorbeeld van een tweefasig koelsysteem voor de lucht- en ruimtevaartindustrie wordt getoond in de figuur hierboven.
Deze technologie wordt momenteel gebruikt op het Internationaal Ruimtestation (ISS), maar daarbuiten is het significant duurder dan conventionele warmtepijpen. En met de trend van nanosatellieten is kosten een belangrijke factor. Om deze technologie aantrekkelijk te maken, werkt NLR aan verdere miniaturisering van componenten van het koelsysteem , zoals bijvoorbeeld de pomp . NLR heeft een pomp ontwikkeld die een paar milliliter per seconde kan pompen. Dit maakt deel uit van de ‘mini mechanisch-gepompte loop’ (MPL). Het is geïntegreerd in een CubeSat, wat een naam is voor kleinere typen satellieten. Hun afmetingen worden uitgedrukt in eenheden (of eenvoudigweg “U”) van 10 x 10 x 10 cm. Om een gevoel te krijgen voor deze grootte, wordt de mini MPL getoond in de figuur hieronder in een 2U CubeSat-model (overeenkomend met 10x10x20cm).
Koeling terug op aarde
Koeling van satellieten is slechts het topje van de ijsberg van wat er kan worden gedaan met de technologie die NLR ontwikkelt. Ruimteonderzoek helpt ook bij het aanpakken van uitdagingen die letterlijker zijn gerelateerd aan klimaatverandering, zoals het gebruik van satellieten om het klimaat en atmosferische fenomenen, zee niveaus en concentraties van broeikasgassen in de atmosfeer van de Aarde te monitoren.
Maar technologieën die zijn ontwikkeld voor ruimte-toepassingen en satellieten vinden vaak hun weg naar toepassingen terug op Aarde. Een voorbeeld is het toepassen van koelingstechnologieën uit satellieten op een van de belangrijkste bronnen van energievraag: datacentra.
Volgens het Internationaal Energie Agentschap (IEA) verbruikten datacentra wereldwijd ongeveer 200-250 TWh in 2020 . Het IEA stelt dat datacentra en datatransmissienetwerken elk verantwoordelijk waren voor ongeveer 1% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik in 2020 .
Dat is veel energie en duurzame oplossingen voor de huidige trend van het bouwen van datacentra in koude omgevingen (zoals Nederland) of diep in de oceanen zijn niet genoeg. Verschillende duurzame oplossingen – met minder energieverbruik – zijn al beschikbaar in Nederland.
Een energiecentrale
Waarom is NLR’s idee beter? “Zolang de vloeistof in twee fasen is (zowel gas als vloeistof), is de temperatuur stabiel en afhankelijk van de druk, dus kan het worden afgestemd op elke gewenste temperatuur. De temperatuur blijft ook stabiel over een lange afstand, dus de warmte kan worden verplaatst van het datacentrum en gebruikt worden voor andere toepassingen, zoals voor huisverwarming, bijvoorbeeld. Wat wordt genoemd als de kwaliteit van de afvalwarmte is veel hoger, wat betekent dat de hergebruik van energie hoger is”, legt Van den Berg uit. Dus, terwijl ingewikkelde airconditioning-systemen momenteel worden gebruikt om alle servers in een datacentrum te koelen, betekent een tweefasensysteem dat het gebruik van airconditioning kan worden vermeden en dat het mogelijk is om een groot deel van de energie die wordt gegenereerd door het uitvoeren van de servers te hergebruiken als warmte voor andere toepassingen. In het kort: een datacentrum wordt een energiecentrale. Dit klinkt eenvoudiger dan het is, omdat koeling op de chips veel gereedschap en engineering vereist, maar de technologie is er.
Natuurlijk gaat datacentrumkoeling verder dan het gebruikelijke domein van NLR’s commerciële projecten en Europese onderzoeksprojecten binnen welke NLR de technologie heeft ontwikkeld. Dit betekent echter niet dat NLR’s oplossingen niet kunnen worden getest op andere bronnen van warmte dan satellieten.
Daarom experimenteert NLR momenteel met dit concept op kleine schaal, met behulp van gamcomputers. Temperatuurstabiliteit dicht bij de limieten van de elektronica is interessant voor gamers, die graag de prestaties van hun computers willen pushen. Bovendien zoekt NLR naar samenwerking buiten zijn traditionele aerospace-domein, om te onderzoeken hoe deze technologie een rol kan spelen in een duurzame energietransitie.
Als u meer wilt weten, neem dan contact op met Ramon van den Berg: Ramon.van.den.Berg@nlr.nl.
