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O novo dispositivo de comutação térmica da Universidade de Nagoya permite que os rovers lunares gerenciem com eficiência as condições térmicas extremas na Lua, aumentando sua vida útil operacional e reduzindo o uso de energia. Crédito: Shinichiro Kinoshita, Masahito Nishikawara
Uma equipe de Universidade de Nagoia inventou um dispositivo de troca térmica para rovers lunares para suportar as temperaturas extremas da Lua. A tecnologia otimiza o controle térmico, alternando entre resfriamento e isolamento, facilitando missões mais longas com menos energia.
Os astronautas que navegam no terreno da Lua num veículo enfrentam não só os perigos da gravidade zero e potenciais quedas de crateras, mas também mudanças drásticas de temperatura. O clima da lua varia de máximas escaldantes de 127°C (260°F) a mínimas arrepiantes de -173°C (-280°F).
Uma equipe da Universidade de Nagoya, no Japão, desenvolveu um dispositivo de troca térmica projetado para aumentar a durabilidade dos veículos lunares. Sua pesquisa colaborativa com a Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) foi destaque na revista Engenharia Térmica Aplicada.
As futuras missões lunares precisarão de máquinas confiáveis que possam funcionar sob estas condições adversas. Reconhecendo a necessidade de maquinaria robusta para a futura exploração da Lua, uma equipa da Universidade de Nagoya, no Japão, inventou um dispositivo de interruptor térmico que promete prolongar a vida útil operacional dos veículos lunares. O estudo, realizado em colaboração com a Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial, foi publicado na revista Engenharia Térmica Aplicada.
Tecnologia Heat-Switch: uma solução para as condições lunares
“A tecnologia de interruptor de calor que pode alternar entre a dissipação de calor diurna e o isolamento noturno é essencial para a exploração lunar de longo prazo”, disse o pesquisador principal Masahito Nishikawara. “Durante o dia, o rover lunar fica ativo e os equipamentos eletrônicos geram calor. Como não há ar no espaço, o calor gerado pela eletrônica deve ser resfriado e dissipado ativamente. Por outro lado, durante noites extremamente frias, os eletrônicos devem ser isolados do ambiente externo para que não fiquem muito frios.”
Os dispositivos atuais tendem a depender de aquecedores ou válvulas passivas conectadas a tubos de calor para isolamento noturno. No entanto, os aquecedores são caros e as válvulas passivas podem aumentar a velocidade do fluxo do fluido, levando a uma queda na pressão que pode afetar a eficiência da transferência de calor. A tecnologia desenvolvida pela equipe de Nishikawara oferece um meio-termo. Com menor queda de pressão do que as válvulas passivas e menor consumo de energia do que os aquecedores, retém o calor durante a noite sem comprometer o desempenho de refrigeração durante o dia.
Mecânica Operacional e Eficiência Energética
O dispositivo de controle térmico desenvolvido pela equipe combina um loop heat pipe (LHP) com uma bomba eletrohidrodinâmica (EHD). Durante o dia, a bomba EHD fica inativa, permitindo que o LHP funcione normalmente. Nos rovers lunares, o LHP usa um refrigerante que alterna entre os estados vapor e líquido. Quando o dispositivo aquece, o refrigerante líquido no evaporador vaporiza, liberando calor através do radiador do rover. O vapor então se condensa novamente em líquido, que retorna ao evaporador para absorver o calor novamente. Este ciclo é impulsionado por forças capilares no evaporador, tornando-o energeticamente eficiente.
À noite, a bomba EHD aplica pressão oposta ao fluxo LHP, interrompendo o movimento do refrigerante. Os eletrônicos são completamente isolados do ambiente noturno frio com uso mínimo de eletricidade. A pesquisa da equipe incluiu a seleção do formato do eletrodo da bomba EHD, o design do dispositivo, a avaliação de desempenho e um teste de demonstração para interromper a operação do LHP com a bomba EHD. Os resultados mostraram que o consumo de energia à noite era quase zero.
Impacto e aplicações futuras da tecnologia
“Esta abordagem inovadora não só garante a sobrevivência do rover em temperaturas extremas, mas também minimiza o gasto de energia, uma consideração crítica no ambiente lunar com recursos limitados”, disse Nishikawara. “Ele estabelece as bases para a integração potencial em futuras missões lunares, contribuindo para a realização de esforços sustentados de exploração lunar.”
As implicações desta tecnologia vão além dos rovers lunares para aplicações mais amplas no gerenciamento térmico de espaçonaves. A integração da tecnologia EHD em sistemas de controle de fluido térmico poderia melhorar a eficiência da transferência de calor e mitigar os desafios operacionais. No futuro, isso poderá desempenhar um papel importante na exploração espacial.
O desenvolvimento deste dispositivo interruptor térmico marca um marco importante no desenvolvimento de tecnologia para missões lunares de longo prazo e outros empreendimentos de exploração espacial. Tudo isto significa que, no futuro, os rovers lunares e outras naves espaciais deverão estar melhor equipados para operar nos ambientes extremos do espaço.
Referência: “Demonstração da função do interruptor de calor do tubo de calor de circuito controlado pela bomba de condução eletrohidrodinâmica” por Masahito Nishikawara, Takeshi Miyakita, Genki Seshimo, Hiroshi Yokoyama e Hideki Yanada, 15 de maio de 2024, Engenharia Térmica Aplicada.
DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.123428