Konzeption und Design einer Kühlung für den Betrieb von Elektromagneten an Bord der Internationalen Raumstation im Rahmen des BECCAL Experiments

Abstract

Bei BECCAL handelt es sich um eine Nutzlast an Bord der Internationalen Raumstation (ISS), die dazu dienen wird, Experimente der Fundamentalphysik durchzuführen. Für die Erzeugung des dafür notwendigen Bose-Einstein-Kondensats sollen Elektromagneten eingesetzt werden. Diese geben Wärme ab, sobald sie von Strom durchflossen werden. Die Methoden der Wärmeübertragung sind dabei begrenzt. Auf Grund der �g-Bedingungen an Bord der ISS ist die gravitationsgetriebene freie Konvektion vernachlässigbar klein, weshalb die Wärme primär mittels Leitung übertragen wird. In unmittelbarer Nähe der Elektromagneten befinden sich Vakuumkammern, deren Temperatur sich um nicht mehr als 5 Kelvin ändern sollte, um annähernd konstante Umgebungsbedingungen für die Experimente zu schaffen. Auch bei den Elektromagneten sollte die maximale Temperaturzunahme auf 25 Kelvin begrenzt werden. Um die Temperaturanforderungen einhalten zu können, soll eine Kühlung entworfen werden. Dabei gilt es, einige strikte Rahmenbedingungen zu berücksichtigen. Diese werden im Rahmen dieser Arbeit zusammengefasst. Dazu gehören beispielsweise Vorschriften hinsichtlich der zulässigen Materialien, der maximalen Geräuschbelastung oder auch der Sicherheit. Diese müssen eingehalten werden, um eine Nutzlast an Bord der ISS betreiben zu dürfen. Hinzu kommen die Einschränkungen, welche aus der Gestaltung von BECCAL resultieren. Dies betrifft vor allem die Anforderung hinsichtlich einer maximale Masse von 330 kg für die Nutzlast sowie die Beschränkung des verfügbaren Volumens. Außerdem ausschlaggebend für das Design der Kühlung sind die Kühlmöglichkeiten, die an Bord der ISS zur Verfügung stehen. Es kann für die Kühlung von BECCAL in festgeschriebenem Rahmen auf die Kabinenluft, einen Avionikluftkreislauf sowie einen Wasserkreislauf zurückgegriffen werden. Um eine geeignete Lösung zur Kühlung zu finden, wird eine Recherche hinsichtlich möglicher Kühltechniken betrieben. Zwei grundsätzliche Techniken sind dabei der Einsatz von Wasser bzw. Luft als Transportmittel, wobei es diverse Umsetzungsmöglichkeiten dieser Techniken gibt. Des Weiteren werden sowohl der Einsatz einer Wirbelrohrkühlung als auch die Nutzung von Peltier-Elementen in Betracht gezogen. Zuletzt werden noch Techniken für den Wärmetransport näher untersucht. Dabei handelt es sich um thermische Bänder sowie Wärmerohre, die eingesetzt werden auf Grund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit. Die Kühltechniken werden hinsichtlich einiger entscheidender Kriterien wie beispielsweise den benötigten Instandhaltungsarbeiten, der Kühlleistung und auch der Masse bewertet, um so zu einem Kühldesign zu gelangen. Als Ergebnis wird eine Kombination aus einer wassergekühlten Wärmesenke und mehreren thermischen Bändern entworfen und anschließend in der FEM-Software ANSYS simuliert. Hierfür werden anhand des zur Verfügung stehenden Lastenhefts zwei unterschiedliche Lastfälle formuliert. Die Simulationergebnisse werden genutzt, um die Kühlung der Temperaturverteilung in Folge der sich erwärmenden Elektromagneten anzupassen und so zu einem Ergebnis zu gelangen, das alle Temperaturanforderungen einhält.