Mit Turbo Kompressoren zu leichteren Satelliten

02. Mai 2014

Zukünftig könnten zur Temperaturregulierung der Elektronik in Satelliten Wärmepumpen zum Einsatz kommen. Dank unseren Turbo Kompressoren können diese effizienter, leichter und platzsparender gebaut werden. Dies wurde in einer Versuchsreihe mit bahnbrechenden Ergebnissen bewiesen.

In Satelliten generieren Sensorik und Elektronik viel Abwärme. Um ein Überhitzen zu verhindern, muss diese mit einem Radiator in den Weltraum abgestrahlt werden. Bis anhin muss die Radiator-Temperatur stets unter derjenigen der zu kühlenden Systeme gehalten werden um überhaupt einen Wärmefluss zu ermöglichen. Diese Radiator-Temperaturen von rund 50 °C führen zu grossen und schweren Radiatoren.

Eine Erhöhung der Radiator-Temperatur schlägt sich in vierfacher Potenz auf die abgestrahlte Energie pro Fläche nieder. Um die zukünftigen Satelliten leichter und kompakter bauen zu können, sollen deshalb Wärmepumpen zur Kühlung der Elektronik zum Einsatz kommen. Dadurch kann die Radiator-Temperatur weit höher angesetzt werden, was Platz und Gewicht einsparen lässt.

Hier kommt Celeroton ins Spiel: Mit ultrahochdrehenden Turbo Kompressoren können solche Wärmepumpen massiv leichter, kompakter und energiesparender gebaut werden als mit konventionellen Antriebslösungen.
Im Jahr 2012 nahm NLR, das niederländische Luft- und Raumfahrtlabor, Kontakt mit Celeroton auf, um dieses Potenzial zu nutzen. So wurde im Rahmen einer Konzeptstudie eine Reihe von Machbarkeitstests durchgeführt.

Der Einsatz in Satelliten bringt für den von Celeroton zu realisierenden Kompressor folgende Anforderungen mit sich:

Wärmepumpen Herausforderungen

 

Tiefes Gewicht und geringes Volumen
Da bei der Beförderung von Nutzlast ins All die Gesamtmasse entscheidend ist, müssen alle Bestandteile möglichst kompakt und leicht realisiert werden.

Handelsübliche Kompressoren für eine Kühlleistung von 10 kW wiegen ca. 40 kg, spezielle Luftfahrt-Kompressoren ca. 19 kg. Die Vorgabe von NLR lautete das Gesamtgewicht der Kompressoren inkl. Elektronik unter 2 kg zu halten.

Grosse Temperaturunterschiede
Um eine ausreichende Kühlleistung zu erreichen muss das Wärmepumpen-System eine Erhöhung der Radiator-Temperatur von 45 °C auf 100 °C gewährleisten. Vergleichbare handelsübliche Kompressoren sind hingegen auf weit tiefere Temperaturen von maximal 65 °C ausgelegt.

Grosse Effizienz
Neben dem Transport ins All ist dem Energieverbrauch auch im Betrieb besondere Aufmerksamkeit zu schenken, da die Sonnenkollektor-Fläche bei Satelliten begrenzt ist. NLR strebte eine Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) von mindestens 2 an.

Geringe Vibrationen
Bei der Kompressor-Auslegung musste grosser Wert darauf gelegt werden, möglichst geringe zusätzliche Vibrationen in den Satelliten zu verursachen. Das Ziel war ein Vibrations-Wert von weniger als 0.3 N, wohingegen übliche Kompressoren dieser Grösse ca. 40 N verursachen.


Im Projekt wurden zunächst 12 mögliche Kältemittel eingehend geprüft. Um den hohen Effizienz-Anforderungen von NLR gerecht zu werden, mussten möglichst tiefe Verluste gewährleistet werden. Diese lassen sich nur mit tiefen Drücken erreichen, weshalb Fluide wie Ammoniak oder CO2 nicht verwendet werden konnten. Dies führte zur Wahl von Isopentan (R601a).
Die Berechnungen ergaben, dass der Gasdruck zur geforderten Erhitzung von 1.76 auf 7.20 bar erhöht werden muss, was einem Druckverhältnis von 4.1 entspricht. Um dieses zu erreichen, wurde ein System mit drei aneinandergereihten Turbo Kompressoren mit jeweiliger Nenndrehzahl von 190‘000 U/min ausgelegt. Als Ausgangslage für die erste Stufe wurde der bestehende Turbo Kompressor CT-17-700 mit einem 3D-Impeller beigezogen. Als zweite und dritte Stufe wurden neue Systeme mit 2D-Impellern entwickelt und aufgebaut. Für den Betrieb der Kompressoren wurden drei Standard-Umrichter CC-75-500 von Celeroton verwendet.

Bei NLR wurde dann das Gesamtsystem (siehe Foto) in mehreren Messreihen getestet. Ziel dieser Messreihen war es, die Systemperformance (Druckverhältnisse, Leistungen, Temperaturen, etc.) zu testen. Mit einem COP von 2.6 und einem isentropen Wirkungsgrad von 68% bei einer Verdampfer-Leistung von 5.1 kW wurden die Anforderungen klar übertroffen.

System-Überblick

 

Vor kurzem wurde das Projekt erfolgreich abgeschlossen: Mit der klar übertroffenen Effizienz konnte Celeroton die Einsatzfähigkeit von Turbo Kompressoren zur Kühlung von künftigen Satelliten eindrücklich aufzeigen: Weitere Informationen.

Ein Folgeprojekt zur Optimierung für den Praxiseinsatz steht zurzeit noch aus.

 

 

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