Super ruimte-uitdagingen met het ISS
Een van de trotste momenten voor NLR en voor Johannes van Es persoonlijk was de bijdrage aan de Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), het grootste experiment ooit uitgevoerd op het Internationaal Ruimtestation (ISS), in 2011. De AMS-02-detector is eigenlijk een ruimtegebonden versie van de deeltjesdetectoren die bij CERN worden gebruikt, en meet hetzelfde type deeltjes die in het universum rondvliegen. Door de snelheid en kenmerken van deeltjes die door de detector gaan te bepalen, kunnen wetenschappers antimaterie, donkere materie en de leeftijd van kosmische straling bestuderen. De bijdrage van NLR aan het AMS-02-experiment was het TTCS, of Tracker Thermal Control System, ontwikkeld door Van Es als leider van een internationaal team. Het TTCS hield de elektronica die de detector vormt binnen een bandbreedte van 0,2°C, in een fluctuerende thermische omgeving, zonder de magnetische veld van de detector te verstoren. Dit werd bereikt door een innovatief tweefasen-pompsysteem te implementeren, met CO2-verdamping in buizen met een diameter van 3 mm. Het systeem werkt zo goed dat CERN het nu ook gebruikt in drie andere detectors.
Een kleine hobbel in het experiment was dat de lagers van de pompen niet volledig waren aangepast aan CO2 als koelmiddel en sneller sleten. Ondanks dat hij als projectmanager verantwoordelijk was, kon Van Es hier geen verantwoording voor afleggen vanwege Amerikaanse geheimhoudingsregels met betrekking tot de geselecteerde Amerikaanse ruimtepomp. Hij herinnert zich een telefoontje in de nacht van de hoofdwetenschapper en Nobelprijswinnaar Samuel Ting. Er moest een oplossing worden gevonden voor een pomp die vast was komen te zitten. Van Es, die een kalm en ervaren expert is, startte het TTCS-back-up systeem binnen een half uur om de voortzetting van de AMS-wetenschappelijke push mogelijk te maken. Het ontwerpfoutje veroorzaakt door de verkeerde lagers is echter nog steeds aanwezig, dus wordt een ruimtewandeling voor 2020 voorbereid om de pompen te vervangen. Van Es neemt het met een korreltje zout. “Ik voel me slecht voor de astronauten. Hier kunnen we werken met kleine schroevendraaiers en hebben we alle tijd om dingen perfect in elkaar te zetten. Maar zij moeten naar buiten gaan en werken met die grote handschoenen in een omgeving waar je niet eens kunt lassen!”
Praktische toepassingen: kleine satellieten
Het AMS-02-experiment onderstreept het belang van fundamentele kennis van thermische regeling in gespecialiseerde omgevingen zoals satellieten en vliegtuigen, en Van Es’ ervaring geeft hem een voorsprong bij het ontwikkelen van oplossingen voor klanten, vooral bij de ontwikkeling van satellieten, die steeds meer voorkomen. “Kleine satellieten, in de femto- en picoklasse, evenals kleinere nano-schalen satellieten, hebben geen thermische uitdagingen vanwege hun beperkte hoeveelheid elektronica aan boord. Wanneer we naar de bovenste regionen van de nanosatellieten gaan, beginnend bij ongeveer 5 kg, zien we de behoefte aan thermische regeling. Maar hun delicate natuur maakt normale warmtepijpen suboptimaal, omdat de pijpen altijd ‘aan’ staan. Dit betekent problemen voor kleine satellieten, omdat er een risico is om te snel af te koelen wanneer ze in de schaduw staan. Je wilt niet het warmteverlies dat je nodig hebt voor een soepele werking van je elektronica.” Daarom ontwikkelen Van Es en zijn team warmtepijpen die op commando uitgeschakeld kunnen worden, waardoor een goede werktemperatuur voor de elektronica wordt gehandhaafd.
Deze casestudy getuigt van Van Es’ ondernemersvisie. “De toekomst van satellieten zal een verschuiving zien van eenmalige, extreem goed ontworpen eenheden die in opdracht van organisaties als NASA en ESA zijn gemaakt, naar constellaties van veel kleinere satellieten die worden aangedreven door de vraag van commerciële partijen”, zegt Van Es. “Commerciële partijen denken meer in termen van lage kosten en ‘goed is goed genoeg'”, voegt hij eraan toe. “Dus je moet op een andere manier gaan denken over thermische regeling, zowel in de manier waarop je het ontwerpt als hoe je grotere aantallen produceert.”
Met kleine satellieten die steeds meer voorkomen, test Van Es een kleine en robuuste pomp op basis van een apparaat gemaakt voor medische toepassingen. Het heeft twintig kleine piëzo-membraanpompen, zodat als er een faalt, je nog steeds 19 van de 20 hebt om de stroom te behouden. Van Es: “Het is een geweldige oplossing die past in veel satellieten en het is gemakkelijk om economisch in grote aantallen te produceren.”
Thermische regeling vereenvoudigd door 3D-metaalprinten
Een nieuwe doorbraak in de mogelijkheden voor thermische regeling is de opkomst van 3D-metaalprinten. “In een discipline als thermische regeling, die zwaar leunt op buizen en leidingen, is het mogelijk om metaal te printen een zegen”, zegt Van Es. “NLR is gespecialiseerd in 3D-metaalprinten, met ons NLR MAMTeC-faciliteit (Metal Additive Manufacturing Tech Centre), en wij beschikken over alle benodigde kennis en vaardigheden. Bovendien ligt het recht naast mijn kantoor.
Thermische regelingsontwerpen waren vroeger beperkt door conventionele productietechnieken zoals boren, frezen en buigen van buizen, maar nu kunnen we het gewoon printen, waardoor het mogelijk is om op een kleinere schaal te werken en alles te optimaliseren.” De thermische regelsystemen voor kleine satellieten zijn slechts één project dat van deze benadering heeft geprofiteerd. “De warmtewisselaars kunnen veel kleiner zijn omdat de kanalen in de optimale grootte en oriëntatie kunnen worden geprint, en de gehele structuur is lichter omdat het gebruikmaakt van geprinte honingraatstructuren.
Een compleet nieuwe thermische regelkamer en faciliteiten voor NLR
Van Es is trots om zijn ’twee-fase demonstratiecircuit’ te laten zien, een testlocatie voor allerlei twee-fase-toepassingen en elementen. “Nu we deze opstelling klaar hebben, kunnen we binnen enkele dagen beginnen met het testen van een verdamper of accumulator. Onze klanten waarderen het echt dat we prototypes zo snel kunnen testen.”
