Tubi di Calore Spaziali Stampati in 3D: Rivoluzionare il Freddo nello Spazio, una Sfida Vinta!

Ciao a tutti, appassionati di spazio e tecnologia! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, nel cuore di una sfida ingegneristica che sta cambiando il modo in cui pensiamo ai satelliti. Immaginate questi gioielli tecnologici che sfrecciano sopra le nostre teste: sono sempre più potenti, sempre più compatti. Ma c’è un “piccolo” problema che cresce con loro: il calore. Gestire le temperature prodotte da tutta questa elettronica stipata in spazi ristretti è diventato un bel grattacapo, perché i “punti caldi” possono mandare in tilt l’affidabilità dei sistemi. Ecco perché la ricerca su come integrare i tubi di calore (o heat pipes, come li chiamano gli addetti ai lavori) nelle strutture dei satelliti è tornata prepotentemente alla ribalta.

La Magia dei Tubi di Calore Capillari

Ma cosa sono esattamente questi tubi di calore? Pensateli come dei veri e propri “autostrade” super efficienti per il calore. Sono componenti cruciali per la gestione termica, specialmente in ambienti critici come lo spazio. Un tubo di calore è essenzialmente un contenitore sigillato, con la superficie interna rivestita da una struttura porosa, chiamata stoppino (wick in inglese). Dentro c’è un fluido di lavoro, scelto in base all’applicazione. Quando una sorgente di calore scalda un’estremità del tubo (l’evaporatore), il fluido evapora. Il vapore viaggia velocissimo verso l’altra estremità più fredda (il condensatore), dove torna liquido. E qui entra in gioco lo stoppino: grazie alle forze capillari, guida il liquido condensato di nuovo verso l’evaporatore, e il ciclo ricomincia. Un sistema geniale, vero?

Tradizionalmente, gli stoppini sono fatti con polveri metalliche sinterizzate o con geometrie scanalate. Funzionano, certo, ma presentano limiti in termini di complessità di fabbricazione e prestazioni in diverse orientazioni. Ed è qui che entra in scena la mia passione: la manifattura additiva, o stampa 3D, in particolare la Fusione Laser Selettiva di Polveri Metalliche (PBF-LB/M). Questa tecnologia è una vera rivoluzione perché ci permette di creare geometrie interne incredibilmente complesse, su misura per specifiche esigenze termiche e capillari. Pensate alla possibilità di stampare interi moduli satellitari con i tubi di calore già integrati!

L’Avventura delle Strutture Reticolari

Negli ultimi anni, un sacco di studi hanno esplorato la stampa 3D di tubi di calore con stoppini fatti di varie strutture porose. Alcuni si sono concentrati su strutture simili a quelle sinterizzate, altri, come il nostro team, hanno puntato sulle strutture cellulari architettate, come le strutture reticolari (lattice structures). Queste sono come minuscole impalcature interne che possiamo progettare con precisione millimetrica. L’obiettivo? Ottimizzare il trasporto del fluido e, quindi, la dissipazione del calore.

Finora, la ricerca si era focalizzata molto sulle prestazioni termiche. Ma se parliamo di applicazioni spaziali, la resistenza meccanica è altrettanto cruciale. Immaginate le sollecitazioni durante un lancio! Per questo, nel nostro lavoro, che fa parte del programma ESA ARTES Advanced Technology, ci siamo posti un obiettivo ambizioso: progettare un tubo di calore AM con stoppino reticolare che fosse eccellente sia dal punto di vista termico che meccanico, e testarlo contro le vibrazioni di un lancio spaziale. La specifica era chiara: un singolo tubo di calore doveva dissipare almeno 20 W (l’equivalente di un modulo tradizionale a sola conduzione) e mantenere una differenza di temperatura lungo la sua lunghezza inferiore a 15°C. Dal punto di vista meccanico, doveva resistere ad almeno sette “lanci spaziali” simulati.

Alla Ricerca dello Stoppino Perfetto: Confronto tra Reticoli

La prima fase del nostro design è stata una vera e propria gara tra diverse strutture reticolari. Dovevamo trovare lo stoppino più efficace. Come? Valutando due parametri chiave: la permeabilità e la risalita capillare. Una maggiore permeabilità significa che più fluido può passare, migliorando la dissipazione del calore. La risalita capillare, invece, ci dice quanto bene il tubo funziona contro la gravità (importante per i test a Terra).

Abbiamo considerato tre varianti di reticolo a diamante (chiamiamole L1, L2, L3), giocando sulla lunghezza della cella unitaria e sul diametro dei montanti (strut). Questo ci ha permesso di influenzare il raggio della sfera inscritta nel poro e la densità relativa del reticolo. In teoria, un raggio di sfera più piccolo dovrebbe portare a una maggiore risalita capillare. Per i test, abbiamo usato l’acetone, che ha proprietà termo-fluidodinamiche simili all’ammoniaca (il refrigerante desiderato per l’unità di potenza del satellite) ma senza la sua tossicità. Tutti i campioni sono stati stampati in AlSi10Mg, una lega di alluminio molto usata nell’aerospaziale.

I risultati?

• L1: Permeabilità molto bassa e la risalita capillare più scarsa. Probabilmente a causa di una scarsa interconnessione tra i pori. Bocciato.
• L2 e L3: Risultati simili per risalita e permeabilità. Però, quando inclinavamo leggermente i campioni L3, il fluido tendeva a cadere, dimostrando una scarsa capacità di ritenzione. Non ideale.

Sembrava che L2 avesse le carte migliori, ma dovevamo vederlo all’opera in un vero tubo di calore.

Prove di Fuoco: I Test Termici sui Tubi di Calore

Abbiamo quindi stampato i tubi di calore con i tre reticoli. Abbiamo anche realizzato una versione di L2 con una sezione trasversale ridotta (L2R), pensando agli spazi angusti di un’unità di potenza satellitare. Per valutare le prestazioni termiche, abbiamo costruito un banco di prova dedicato, con termocoppie lungo il tubo, resistori per fornire il calore e un sistema di dissipazione con ventola e alette. Abbiamo testato i tubi a diverse inclinazioni, simulando la microgravità (inclinazione tra -0.5° e -1.5°, che chiameremo 0°) e condizioni contro gravità.

I risultati termici hanno confermato le nostre prime impressioni:

• L1 HP: Non riusciva a ridurre la differenza di temperatura tra evaporatore e condensatore in condizioni anti-gravità, comportandosi quasi come un semplice conduttore. Insufficiente.
• L2 HP: È stato il campione! A 0°, ha mantenuto differenze di temperatura stabili fino a 30 W (meno di 3°C di differenza!). Contro gravità, ha funzionato correttamente fino a -20° con 20 W di potenza. Un leggero dryout (surriscaldamento locale) all’evaporatore è stato notato a -10° con 20 W.
• L2R HP: La versione a sezione ridotta ha mostrato un dryout più precoce e differenze di temperatura maggiori rispetto a L2. A 0°, il limite dei 15°C è stato raggiunto a 24 W. Contro gravità, ha funzionato bene fino a -15° con 18 W. Questo è dovuto sia alla ridotta sezione dello stoppino che alla minore massa complessiva, che riduce la conduttanza termica.
• L3 HP: Comportamento instabile nel tempo. Sembra che le forze capillari non riuscissero a vincere il peso del fluido in configurazione anti-gravità, facendolo “cadere” periodicamente. Non affidabile.

Quindi, L2 era il nostro cavallo di battaglia per le prestazioni termiche, anche se le sue dimensioni originali erano un po’ grandi per l’applicazione. L2R rappresentava un buon compromesso per spazi ristretti, pur con qualche limitazione.

Resisteranno al Lancio? L’Analisi Strutturale

Avere un tubo di calore che funziona bene termicamente è fantastico, ma se si rompe durante il lancio, è tutto inutile. Ecco perché la previsione della sua resistenza strutturale alle vibrazioni casuali è cruciale. Abbiamo sviluppato un modello di previsione della vita a fatica, ipotizzando che le cricche potessero originarsi in tre punti: sulla superficie esterna del materiale massiccio, su quella interna, o all’interno del reticolo stesso.

Per il materiale massiccio, abbiamo ottenuto i diagrammi S-N (Stress-Numero di cicli, che indicano la resistenza a fatica) integrando una legge di propagazione delle cricche con informazioni sulla dimensione dei difetti (ottenute da scansioni CT ad alta risoluzione), sulla rugosità superficiale e sugli stress residui post-stampa. Per il reticolo, non esistendo strumenti predittivi, abbiamo condotto una campagna sperimentale su campioni dedicati, con una sezione cubica di 7x7x7 celle unitarie e densità relativa del 55%, simile a quella del nostro L2.

Abbiamo eseguito test di trazione statica e test di fatica (trazione-compressione con rapporto R=-1 per simulare le vibrazioni a media nulla di un lancio) sui campioni di reticolo. Questi test ci hanno fornito i dati per costruire il diagramma S-N specifico per la nostra struttura reticolare L2.

Successivamente, abbiamo testato dei campioni “simili al componente” (component-like specimen), che replicavano la geometria del tubo di calore L2R. Questi campioni erano composti sia da materiale massiccio che da reticolo. Un’analisi agli elementi finiti ci ha aiutato a capire come il carico si distribuisse tra le due parti: circa 14.47 MPa/kN nel massiccio e 4.54 MPa/kN nel reticolo. Confrontando i diagrammi S-N del materiale massiccio (esterno e interno) e del reticolo, il nostro modello ha predetto che la superficie esterna del materiale massiccio sarebbe stata la zona più critica, quella da cui la rottura sarebbe partita più facilmente.

Il Momento della Verità: Test sui Campioni “Component-Like”

Abbiamo sottoposto i nostri campioni component-like a test di fatica a ampiezza costante e variabile. Per i test ad ampiezza variabile, abbiamo usato una storia di stress derivata da una tipica Densità Spettrale di Potenza (PSD) di accelerazione di un lancio spaziale. Il segnale di stress risultante aveva un valore RMS (Root Mean Square) di 18 MPa nel materiale massiccio, con un picco di 90 MPa.

Utilizzando la legge di accumulo del danno lineare di Miner e il diagramma S-N della superficie esterna del materiale massiccio, abbiamo previsto un danno accumulato per un singolo lancio spaziale pari a 0.108. Questo si traduceva in un fattore di sicurezza di circa 9 (considerando il fallimento a un danno D=1). Per il reticolo, il danno previsto era ancora minore, 0.0187 per lancio.

I test di fatica sui campioni component-like hanno mostrato una buona concordanza con le previsioni. La rottura è effettivamente avvenuta a partire dalla superficie esterna del materiale massiccio in tutti i campioni. L’analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) delle superfici di frattura ha rivelato che i “difetti killer” (quelli che innescavano la fatica) erano mancanze di fusione dovute alla strategia di scansione del contorno durante la stampa. La dimensione di questi difetti era in linea con quella stimata dalle nostre analisi CT.

I test ad ampiezza variabile hanno confermato che i tubi di calore potevano sostenere nove ripetizioni del carico di lancio spaziale prima della rottura completa, validando il nostro modello. Tuttavia, per prevenire perdite di fluido (fallimento operativo), abbiamo visto che era più cauto considerare un limite di danno accumulato di 0.76, corrispondente a circa sette ripetizioni di lancio. Questo perché, dopo sette cicli, una cricca aveva raggiunto una profondità di 0.75 mm, vicina allo spessore del materiale massiccio ma non ancora passante. È interessante notare che la cricca è andata oltre il punto in cui il nostro modello, basato sugli stress residui compressivi, prevedeva si sarebbe arrestata. Questo suggerisce che la presenza stessa della cricca potrebbe alterare la distribuzione locale degli stress residui.

Il Verdetto Finale e Uno Sguardo al Futuro

Quindi, qual è il succo del discorso? Abbiamo progettato e valutato un tubo di calore stampato in 3D con uno stoppino a struttura reticolare che è una vera bomba! È capace di dissipare 24 W a 0° di inclinazione e funziona correttamente fino a -15° contro gravità con 18 W di potenza. E non è tutto: ha dimostrato di poter resistere alle dure condizioni di un lancio spaziale, con un fattore di sicurezza di 9 rispetto alla rottura strutturale e di 7 rispetto a un guasto operativo (perdita di fluido).

Il nostro modello predittivo si è rivelato accurato, indicando correttamente la vita del componente e la sua regione più critica. Questo ci dà una solida base per ulteriori miglioramenti e per progettare altre configurazioni di tubi di calore AM, e perché no, anche altri componenti spaziali.

Cosa ci riserva il futuro? Il prossimo passo sarà integrare questi tubi di calore in un modulo di unità di potenza satellitare completamente operativo. Vogliamo vedere se le prestazioni che abbiamo misurato a livello di singolo componente si trasferiscono anche a un sistema completo. E, naturalmente, la ricerca non si ferma: esploreremo topologie di reticolo alternative, stoppini di tipo sinterizzato o design ibridi per migliorare ulteriormente le prestazioni termiche. Allo stesso tempo, per aumentare la vita a fatica, studieremo l’ottimizzazione dei parametri di stampa, le procedure di scansione, i trattamenti termici e quelli superficiali. L’avventura è appena iniziata!

Spero che questo tuffo nel mondo dei tubi di calore additivi per lo spazio vi sia piaciuto tanto quanto a me è piaciuto lavorarci. È la dimostrazione che, unendo ingegno e tecnologie all’avanguardia, possiamo superare sfide davvero complesse e spingere sempre più in là i confini dell’esplorazione e dell’innovazione!

Fonte: Springer