Uzayda Uydu Bileşenlerinin Verimli Soğutulması
Uzay boşluğu, soğutmayı son derece zorlu hale getiriyor. Fraunhofer Telekomünikasyon Enstitüsü, Heinrich-Hertz Enstitüsü (HHI), havacılık ve uzay uygulamalarında termal yönetim teknolojileri geliştiriyor. Araştırma ekibi, uydu bileşenlerinin ve roket nozullarının dış yüzeylerini ısı dağılımını iyileştirmek için femtosaniye ve nanosaniye lazerlerle işliyor. Araştırmacılar, yüksek emisyonlu yapıya sahip metal yüzeylerin önemli ölçüde daha verimli soğutma sağladığını göstermek üzere ILA 2026'daki Fraunhofer ortak standında yer alacaklar.
Uzay bir vakumdur. Bu nedenle ısı, termal iletim yoluyla çevreye aktarılamaz. Bu durum, bu koşullar altında hızla aşırı ısınabilen her türlü uzayda kullanılabilen elektronik cihaz için bir sorun teşkil eder. Uzayda ısıyı dağıtmanın tek yolu, uzaya radyasyon yoluyladır. Bir radyatör, ısıyı termal radyasyona dönüştürür. İşlemin verimli bir şekilde çalışması için kullanılan malzemenin mümkün olduğunca fazla termal radyasyon yayması gerekir. Bu nedenle Fraunhofer HHI'deki araştırmacılar, metal yüzeyleri vakumda son derece verimli bir şekilde ısı yayabilecek şekilde işlevselleştiriyorlar. Araştırma bilim insanları, Fraunhofer Mükemmeliyet Kümesi Gelişmiş Foton Kaynakları CAPS ile işbirliği de dahil olmak üzere çeşitli projelerde bu yüzey işlemlerini geliştirdiler.
Fraunhofer HHI'da araştırma grubu yöneticisi ve araştırma bilimcisi olan Eike Hübner, "Uyduların alüminyum dış duvarları, roket nozullarının dış yüzeyleri veya güç elektroniği kasaları gibi pürüzsüz metal yüzeyler ısıyı dağıtmada çok yetersiz olduğundan, bunları pürüzlendirmek için lazer kullanıyoruz. Pürüzlü dokulu yüzey esasen bir radyatör gibi davranır ve ısıyı çok etkili bir şekilde yayar," diyor. "Eğri yüzeyler gibi karmaşık şekiller de dahil olmak üzere tüm geometrileri işlevsel hale getirebiliyoruz."
Lazerle yapılandırılmış yüzeylere dayalı pasif soğutma
Metaller femtosaniye lazerle ışınlanarak yüzeyin bir kısmının buharlaşması sağlanır. Lazer darbeleri son derece kısa olduğundan, malzemenin ana kütlesi hasar görmez. Daha önce pürüzsüz olan yüzeye, yaklaşık bir mikrometre boyutunda koniler lazerle işlenir. Bu işlemin avantajı, malzemenin kimyasal olarak değiştirilmesi olmadan yüzeyin fiziksel olarak optimize edilmesidir. Dokulu yüzeyler ayrıca, daha önce kullanılan boya kaplamalarının ortadan kaldırılmasıyla taşıyıcı roketlerin fırlatma ağırlığının azaltılması sayesinde fırlatma maliyetlerinin düşürülmesine de yardımcı olur. Fraunhofer HHI'deki araştırmacılar, lazer yapılandırma yöntemiyle alüminyum, paslanmaz çelik, titanyum veya bakırdan yapılmış pürüzlü yüzeylerin termal emisyonunu %95 ile %99 arasına çıkarmayı başardılar. Karşılaştırma için, işlenmemiş çıplak metallerin emisyonu yaklaşık %10'dur. Yapılandırılmış alüminyum yüzeyler, 650 santigrat dereceye kadar test sıcaklıklarına dayanmıştır. Kullanılan metalin erime noktasına kadar kararlı kaldıkları için, uygun malzemeler üzerinde kullanıldıklarında, sıcaklıklar 650 derecenin üzerine çıksa bile yüzeyler hasar görmez. Boyalı yüzeylerin zamanla çözücü salmasının aksine, gaz salınımı (gaz çıkışı) riski de yoktur.
Lazerle işlenmiş frezelenmiş yüzey şu anda siyah. Hübner ve ekibi, işlevselleştirilmiş alanların beyaz görünmesini nasıl sağlayacaklarını araştırıyor. Araştırmacı, “Uydular, Dünya'nın hangi tarafında olduklarına bağlı olarak güneş radyasyonuna maruz kalabilirler. Siyah yüzeyler güneş ışığını emer ve böylece radyatörü ısıtır. Güneş ışığını yansıtan beyaz yüzeyler kullanarak bu sorunu önlemek istiyoruz” diye açıklıyor.
Ekip ayrıca Azimut Space GmbH ile işbirliği içinde lazer işlemini daha da geliştirdi. Maliyetli ve hassas femtosaniye lazer işlemleri, reaktif bir gaz atmosferi altında, yani saf oksijende, metal yüzeylerde karşılaştırılabilir işlenmiş yapılar üretebilen daha uygun fiyatlı ve sağlam nanosaniye lazer işlemleriyle değiştirilecek. Hübner, "Bu, süreci yavaşlatacak ve yaklaşık yüzde 85'lik bir termal emisyon elde edeceğiz, ancak yatırım maliyetlerini önemli ölçüde azaltacaktır" diyor.
Malzeme örnekleri Uluslararası Uzay İstasyonu'ndan Dünya'ya geri gönderiliyor.
Fraunhofer HHI'den lazerle şekillendirilmiş çeşitli alüminyum ve titanyum numuneler, Aralık 2024'ten beri test amacıyla uzayda bulunuyor. Avrupa Uzay Ajansı (ESA) ile Azimut Space GmbH'nin katılımıyla yürütülen bir projede, yüksek termal emisyonlu yüzeyler, gerçek dünya koşullarında değerlendirilmek üzere, Uluslararası Uzay İstasyonu'nun (ISS) dış gövdesine uçuş yönünde radyatif ısı emici olarak monte edildi. Hübner, "Metal numuneler şimdi Dünya'ya geri dönüyor. Bu nedenle, malzeme yaşlanması, olası hasar ve termal radyasyondaki değişikliklere ilişkin analiz ve incelemeler henüz tamamlanmadı" diyor.
Araştırmacı ve meslektaşları Hanan Al-Haddar ve Ahmad Abdalwareth (Fraunhofer HHI), araştırma bulgularını Dythalis adlı bir girişim şirketi aracılığıyla ticarileştirmeyi planlıyorlar. Fraunhofer'ın bu yan kuruluşu, öncelikle uydu ve itici motor üreticilerini hedefleyerek bu yılın Mayıs ayında faaliyete geçecek. Bir ay sonra, 10-14 Haziran tarihleri arasında, araştırmacılar Berlin'deki ILA 2026 fuarında B Salonu 240'taki Fraunhofer Space standında femtosaniye lazerler kullanılarak yapılandırılmış elektronik kutular ve nozullar sunacaklar.
Yazar:Monika Landgraf
Head of Science Communications
and Spokesperson for the President
Elzem Kaya
Fraunhofer Institute for Telecommunications
Heinrich-Hertz-Institut, HHI