Los astronautas necesitan un refrigerador; los ingenieros construyen uno que funciona ingrávido

Para que los astronautas realicen misiones largas a la Luna o Marte, necesitan un refrigerador. Pero los refrigeradores de hoy no están diseñados para funcionar en un estado ingrávido, o al revés si se colocan de esa manera cuando una nave espacial aterriza en otro planeta.

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Purdue, Air Squared Inc. y Whirlpool Corporation está trabajando para construir un refrigerador para sin gravedad que funciona en diferentes orientaciones y tan bien como el de tu cocina, dando a los astronautas acceso a alimentos más duraderos y nutritivos.

En mayo, el equipo probará el diseño de su refrigerador en el exclusivo laboratorio de investigación de Zero Gravity Corporation (ZERO-G). Como el único sitio de prueba de su tipo en los Estados Unidos, el avión especialmente diseñado volará bajo microgravedad decenas de veces, a intervalos de 20 segundos, en cada uno de los cuatro vuelos. Los datos de estos vuelos, que son operados por el programa Flight Opportunities de la NASA, ayudarán al equipo a determinar si el proyecto está listo para usarse en el espacio.

Los alimentos enlatados y secos que los astronautas consumen actualmente en las misiones solo tienen una vida útil de unos tres años. El proyecto del equipo, financiado por el programa Small Business Innovation Research (SBIR) de la NASA, tiene como objetivo proporcionar a los astronautas suministros de alimentos que pueden durar de cinco a seis años.

“Los astronautas necesitan alimentos de mejor calidad que puedan llevar consigo. Aquí es donde entra en juego el frigorífico. Pero sigue siendo una tecnología espacial relativamente de vanguardia ”, dijo Eckhard Groll, profesor y director de la Escuela de Ingeniería Mecánica de Purdue.

Los ingenieros no son los primeros en intentar construir un refrigerador como los que se usan en la Tierra para misiones espaciales, pero se encuentran entre los pocos que lo han intentado desde que los astronautas caminaron sobre la Luna en 1969. A pesar de que los experimentos con el refrigerador se habían realizado antes en el espacio, no funcionaron lo suficientemente bien o finalmente se estropearon.

Los sistemas de refrigeración que se encuentran actualmente en la Estación Espacial Internacional se utilizan para experimentos y almacenamiento de muestras biológicas, no para el almacenamiento de alimentos, y consumen mucha más energía que los refrigeradores de la Tierra. El equipo tiene como objetivo diseñar un refrigerador que pueda enviarse al espacio antes de la misión y operar a temperaturas bajo cero para satisfacer las necesidades de los astronautas.

Los vuelos de ingenieros en mayo probarán posibles soluciones que harán que el tipo de proceso de enfriamiento utilizado por un refrigerador típico (enfriamiento por compresión) sea lo suficientemente confiable para misiones espaciales.

“Cuando comencé a trabajar en este proyecto, no estaba del todo claro cuáles serían los problemas porque no había habido muchos experimentos de refrigeración con compresión de vapor de microgravedad en el pasado”, dijo el Dr. Leon Brendel, Dr. Purdue. estudiante de ingeniería mecánica. “En un refrigerador típico, la gravedad ayuda a mantener el líquido y el vapor donde deberían estar. Asimismo, el sistema de lubricación por aceite dentro del compresor del frigorífico funciona por gravedad. Al introducir nueva tecnología en el espacio, todo el sistema es confiable a temperatura cero. La gravedad es la clave. “

Brendel y Paige Beck, una graduada de Purdue en ingeniería mecánica, y otros tres miembros del equipo de Air Squared volarán, experimentarán y probarán diferentes aspectos del diseño del refrigerador. Durante cada vuelo, el avión hará 30 parábolas, incluyendo marciana, lunar y microgravedad. Durante y después de la cima de la parábola, los ingenieros experimentarán un entorno de microgravedad, lo que les permitirá flotar cerca para observar sus experimentos y recopilar datos.

“Esta es una oportunidad única en la vida para mí. Espero abordar el avión ”, dijo Brendel.

El prototipo del refrigerador del equipo es aproximadamente del tamaño de un horno de microondas, perfecto para su posible instalación en la Estación Espacial Internacional y enchufarlo a una toma de corriente, como en la Tierra. El prototipo, construido por Air Squared, volará como uno de los tres experimentos del equipo.

Los investigadores de Purdue crearon otros dos experimentos de vuelo para ayudarlos a comprender en detalle qué tan bien funciona el prototipo. Uno de estos experimentos es una versión más grande del prototipo con sensores y otros instrumentos para medir los efectos de la gravedad en los ciclos de compresión de vapor, mientras que el segundo experimento prueba la susceptibilidad del prototipo a derrames de líquidos que podrían dañar el refrigerador. Los experimentos fueron construidos en los Laboratorios Ray W. Herrick de Purdue, una instalación de investigación de calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración.

El equipo de Purdue está probando la capacidad de un diseño de refrigerador para operar en diferentes orientaciones, como al revés y de lado, girando una versión más grande del prototipo en el laboratorio. La rotación de este experimento le da al equipo una idea de cómo la gravedad está afectando el diseño antes de su vuelo de mayo.

“No hay microgravedad en ningún lugar de la tierra para ejecutar el experimento, pero podemos cambiar la dirección relativa de la gravedad en nuestro refrigerador girándolo”, dijo Brendel.

Si los científicos prueban en su laboratorio que la gravedad tiene un efecto insignificante en el ciclo de compresión del vapor, el diseño también podría funcionar en condiciones de ingravidez. Y, si el refrigerador puede funcionar en cualquier orientación, los equipos espaciales no tendrán que preocuparse por si el refrigerador está boca arriba en el rellano.

Para evitar el problema de un entorno de gravedad cero que afecta el flujo de aceite en un refrigerador, Air Squared desarrolló un compresor sin aceite. El compresor se probará tanto en un prototipo como en su homólogo más grande y más instrumentado construido por científicos de Purdue.

“No gravedad significa que el aceite no fluye donde debería. Nuestro diseño garantiza una mayor confiabilidad ya que no requiere aceite en el compresor, por lo que el refrigerador puede funcionar durante mucho tiempo y no puede verse amenazado por el entorno de microgravedad, donde el aceite puede salir del compresor, quedar atrapado en el sistema y hacer que el compresor inoperante “, dijo Stephen Caskey, ingeniero de diseño de Air Squared, investigador principal del equipo del premio SBIR de la NASA y graduado de la Escuela de Ingeniería Mecánica de Purdue.

Whirlpool Corporation proporcionó otros componentes para los experimentos del refrigerador, así como experiencia sobre cómo integrar estos componentes, realizar experimentos y empaquetar el prototipo para cumplir con los requisitos de uso en la Estación Espacial Internacional.

“Si tiene un problema con su refrigerador en el espacio, no puede simplemente llamar a un equipo de servicio para reparar su refrigerador como lo hace en la Tierra”, dijo Alberto Gomes, ingeniero jefe senior de Whirlpool Corporation. “La confiabilidad es muy importante al desarrollar refrigeradores domésticos. Necesita un frigorífico durante varios años. Aportamos algo de conocimiento a este proyecto sobre cómo hacer que estos sistemas sean más confiables en el espacio “.

Si estos experimentos tienen éxito, no debería pasar mucho tiempo antes de que los astronautas tengan uno creíble nevera en espaciodijeron los científicos.

“En los últimos dos años de este proyecto, hemos logrado grandes avances en el desarrollo de tecnología”, dijo Groll. “Si estos vuelos parabólicos funcionan como imaginamos y demostramos que nuestro sistema funciona en condiciones de microgravedad, entonces estamos a solo unos años de tener un refrigerador espacial. Nos complace poder proporcionarle un refrigerador para este vuelo. tenga todas las herramientas que necesita para hacerlo.