Merancang teknologi penghilangan karbon dioksida generasi berikutnya untuk kehidupan yang lebih baik di luar angkasa

Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) dapat dihuni sebagian besar berkat sistem yang menangkap dan menghilangkan CO₂ dari udara. Pekerja keras dalam sistem itu adalah kompresor, yang memenuhi CO-nya₂-Pengambilan fitur, tetapi ada konsekuensinya: berisik dan memerlukan perawatan yang sering. Insinyur NASA menggunakan model dan simulasi dengan pengujian eksperimental untuk menganalisis desain kompresor generasi berikutnya yang menyelesaikan pekerjaan dengan lebih senyap, dengan lebih sedikit kebutuhan pemeliharaan, dan dengan biaya produksi lebih rendah.

Teknologi penghilangan kontaminan

Para astronot yang mendaftar untuk tinggal dan bekerja di ISS menaruh kepercayaan besar pada para insinyur di balik teknologi penghilangan polutan yang menghilangkan CO dari kabin.₂ (Gambar 1). “Saat ini terdapat sistem yang disebut Carbon Dioxide Removal Array (CDRA),” jelas Dr. Hannah Alpert, insinyur sistem kedirgantaraan di NASA Ames Research Center.

“CDRA menyerap CO₂ untuk mengeluarkannya dari kabin. Jadi CO itu₂ dikirim ke reaktor Sabatier [where] Ini dikombinasikan dengan hidrogen dari sistem pembangkit oksigen untuk menghasilkan air.” Air itu disuplai ke astronot untuk diminum. (Gambar 2) “Kami memiliki sistem loop tertutup untuk menjaga agar para astronot tetap hidup, namun juga agar CO₂ untuk bekerja dengan reaktor Sabatier, tekanannya harus lebih tinggi daripada yang diserap, jadi kami memiliki kompresor antara CDRA dan reaktor Sabatier,” kata Alpert. CDRA saat ini sedang ditingkatkan menjadi sistem uap molekuler empat-bed yang baru: sistem empat-bed, CO ₂ scrubber, atau 4BCO2.

Alpert menjelaskan, sistem baru ini dimaksudkan untuk meningkatkan keandalan dan kinerja CDRA, yang berarti mereka melakukan beberapa perubahan. Pertama-tama, sorben yang mereka gunakan untuk CO₂ Hasil tangkapannya perlu diganti. Selain itu, mereka telah mendesain ulang beberapa komponen. “Mereka mengubah alas persegi panjang menjadi silinder, mendesain ulang inti pemanas untuk mendistribusikan sorben dengan lebih baik dan menghilangkan rongga, serta menambahkan filter untuk menangkap debu dan katup baru agar lebih tahan lama,” katanya. Meskipun demikian, fungsi dasar bagaimana 4BCO2 berintegrasi dengan kompresor yang dikerjakan tim Alpert pada dasarnya sama dengan sistem saat ini.

Desain ulang kompresor

Sistem saat ini memiliki kompresor mekanis dengan massa dan tenaga yang besar, yang menghasilkan banyak kebisingan. Banyaknya komponen mekanis yang berputar memerlukan perawatan yang sering dan mahal untuk diproduksi dan dioperasikan. “Kami sedang mencari beberapa teknologi alternatif dan salah satu pilihan utama kami disebut kompresor adsorpsi ayunan suhu berpendingin udara (AC-TSAC),” kata Alpert. “AC-TSAC memiliki kebutuhan massa dan daya yang lebih rendah; tidak terlalu berisik; Tidak ada komponen yang berputar, sehingga hal ini diharapkan dapat mengurangi frekuensi penggantian komponen; dan kemudian memiliki biaya produksi yang lebih rendah dan lebih mudah untuk diproduksi.”

AC-TSAC adalah lapisan berisi mineral yang menangkap CO₂disebut butiran zeolit, dan menyerap CO₂ lebih efisien pada suhu kamar. Setelah memberi tekanan pada CO₂Itu dikirim ke reaktor Sabatier. Untuk memastikan bahwa CO₂ terus-menerus disuplai ke reaktor Sabatier, AC-TSAC dibagi menjadi dua unggun. Tim telah mengembangkan versi AC-TSAC dan sekarang menggunakan model termal untuk lebih menyempurnakan desain mereka.

Pemodelan termal menginformasikan pilihan desain

Alpert beralih ke COMSOL Multiphysics^® perangkat lunak untuk membangun model desain AC-TSAC saat ini. “Kami telah menemukan COMSOL^® sangat berguna dalam beberapa tahun terakhir. Salah satu proyek pertama yang saya kerjakan ketika saya bergabung dengan NASA adalah memodelkan pengukur aliran panas yang terbang di atas pelindung panas Mars 2020, dan akhir-akhir ini saya menggunakan Modul Optimasi untuk merekonstruksi aliran panas permukaan menjadi pelindung panas, katanya. pepatah.

Untuk proyek kompresor, dia membuat model versi 3D dan 2D dan setelah menyimpulkan bahwa keduanya memberikan hasil yang sama untuk tujuannya, dia melanjutkan dengan model 2D karena waktu pengoperasiannya lebih singkat. Di dalam AC-TSAC terdapat tiga rak di tengah dan pengemasan butiran zeolit ​​​​di ruang terbuka (Gambar 3). Di antara masing-masing rak terdapat pelat pemanas resistif untuk memanaskan tempat tidur. Saluran pendingin memungkinkan udara mengalir selama tahap pendinginan.

Memvalidasi model

Untuk memvalidasi model, tim menggunakan pembacaan suhu dan daya dari dua uji coba yang dilakukan di AC-TSAC. “Yang pertama adalah uji fungsionalitas pada dua tempat tidur di NASA Marshall. “Kami kemudian melakukan kampanye pengujian yang lebih bertarget di NASA Ames, di mana kami menggunakan tempat tidur untuk lebih mengisolasi sifat-sifat yang sebenarnya,” kata Alpert.

Selama uji Marshall NASA, mereka menempatkan detektor suhu resistansi pada permukaan pemanas untuk mengukur suhu. Dari sana, mereka menggunakan suhu terukur sebagai salah satu kondisi batas model dan menjalankan model untuk memverifikasi bahwa suhu yang dimodelkan cocok dengan data eksperimen (Gambar 4).

Selanjutnya, tim melakukan uji terfokus di NASA Ames, yang menguji satu tempat tidur dan mengumpulkan data eksperimen dari permukaan pemanas dan simpul penyerap. Dalam hal ini, mereka menggunakan daya yang diukur sebagai masukan ke model mereka dan kemudian mengukur suhu pada titik pemanas dan titik penyerap dalam model. Saat mereka membandingkan model dengan hasil pengujian, mereka melihat adanya tumpang tindih yang baik antara datanya.

Dengan model yang telah divalidasi, Alpert dan timnya siap menganalisis bagaimana perubahan desain yang berbeda akan memengaruhi laju pemanasan dan pemanasan kompresor.

Studi Perdagangan Desain

Sebagai bagian dari pencarian mereka untuk desain baru yang terbaik, tim menganalisis studi desain komersial tertentu, termasuk namun tidak terbatas pada: pemanas internal versus eksternal dan lapisan aluminium versus ruang uap. Tujuannya adalah untuk mencapai suhu tinggi dengan cepat dan agar suhu seragam di seluruh tempat tidur selama kenaikan.

“Sektor desain pertama yang kami analisis adalah perubahan pemanas internal. Saat ini, ada pemanas internal yang berada di tengah tempat tidur dan berpotensi mengalami kegagalan. Ada banyak kabel di dalam tempat tidur dan itu hanyalah rangkaian kabel dan pemanas yang rumit dan berantakan,” kata Alpert. Hal ini membuat tim bertanya-tanya apakah pemanas tersebut dapat dipindahkan dan apakah pemanas tersebut masih dapat memanaskan sorben dengan cepat dan merata.

Dengan menggunakan model Alpert, mereka menerapkan daya pada pemanas internal dan eksternal untuk membandingkan laju pemanasan dan keseragaman (Gambar 5). “Peralihan dari pemanas internal ke eksternal tidak mempunyai dampak yang sangat besar, artinya penggunaan pemanas eksternal dibandingkan pemanas internal mempunyai potensi untuk meningkatkan atau setidaknya memiliki keseragaman suhu sorben yang sama sekaligus mengurangi kompleksitas sistem. dia menambahkan.

Dalam penelitian lain, tim mengamati efek peralihan dari lapisan aluminium ke ruang uap (Gambar 6). NASA bekerja dengan mitra eksternal yang memproduksi dan menguji ruang uap dan membuat model dengan ketelitian tinggi. Tim memodelkan ruang uap menggunakan sifat material aluminium, tetapi dengan konduktivitas termal yang jauh lebih tinggi, untuk mendapatkan gambaran tentang dampak yang akan terjadi. Alpert mencatat bahwa kesimpulan utamanya adalah “bahwa ketika kita beralih ke lapisan ruang uap dan bukan lapisan aluminium, sementara suhu rata-rata sorben tetap hampir sama, penggunaan ruang uap mempunyai potensi untuk meningkatkan keseragaman suhu bahan penyerap. penyerap.

Analisis Sensitivitas Kinerja

Tim NASA juga berupaya meningkatkan konduktivitas termal dari sorben itu sendiri. Dalam model termal desain AC-TSAC asli, tim melihat bahwa peningkatan konduktivitas termal sorben tidak banyak berpengaruh pada suhu rata-rata sorben, namun sangat meningkatkan keseragaman suhu. “Itu memberi tahu kita bahwa kita pasti menuju ke arah yang benar dan [as a result are] memfokuskan banyak upaya pengembangan kami pada hal itu,” kata Alpert.

Demikian pula, ketika tim meningkatkan konduktivitas termal pada model lapisan silinder ruang uap, hasil simulasi menunjukkan peningkatan besar dalam keseragaman suhu sorben di seluruh lapisan.

Menggabungkan simulasi dengan tes eksperimental

Alpert dan timnya berhasil membuat model termal AC-TSAC yang ada dan memvalidasinya dengan data pengujian. Dengan menggunakan model yang divalidasi, mereka dapat menentukan parameter desain mana yang harus diubah untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Melalui simulasi, tim mengetahui bahwa pemanas eksternal mengurangi kompleksitas sistem dan potensi kegagalan, ruang uap memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi sehingga meningkatkan keseragaman suhu sorben, dan harus terus fokus pada peningkatan konduktivitas termal sorben. Tim akan terus memvalidasi model termal dengan data eksperimen dan akan mempertimbangkan mekanisme seperti kehilangan panas.

COMSOL dan COMSOL Multiphysics adalah merek dagang terdaftar dari COMSOL AB.