Neue CO₂-Entfernungstechnologien für besseres Leben im Weltraum
Die NASA kombiniert thermische Modellierung und experimentelle Tests, um das beste Kompressordesign für das Luftversorgungssystem der Internationalen Raumstation ISS zu finden.
Von Fanny Griesmer
August 2024
Die Internationale Raumstation (ISS) ist zu einem großen Teil erst dadurch bewohnbar, dass ein spezielles System Kohlendioxid (CO2) aus der Luft entfernt. Das Herzstück dieses Systems ist ein Kompressor, der seine Aufgabe der CO2-Abtrennung erfüllt, allerdings zu einem hohen Preis: Er ist laut und muss häufig gewartet werden. Die Ingenieure der NASA nutzten Modellierung und Simulation zusammen mit experimentellen Tests, um die nächste Generation von Kompressordesigns zu analysieren, die ihre Aufgabe leiser, mit weniger Wartungsaufwand und zu geringeren Herstellungskosten bewältigen.
Technologie zur Entfernung von Schadstoffen ermöglicht Astronauten das Atmen auf der ISS
Astronauten, die auf der ISS leben und arbeiten, setzen großes Vertrauen in die Ingenieure hinter der Technologie, die die Kabine CO2-frei macht (Abbildung 1). „Derzeit gibt es ein System namens Carbon Dioxide Removal Assembly (CDRA)“, erklärt Dr. Hannah Alpert, Ingenieurin für Raumfahrtsysteme am NASA Ames Research Center.
„Der CDRA absorbiert Kohlendioxid, um es aus der Kabine zu entfernen. Dann wird dieses Kohlendioxid in einen Sabatier-Reaktor geleitet, wo es mit Wasserstoff aus dem Sauerstofferzeugungssystem kombiniert wird, um Wasser zu erzeugen“, fährt sie fort. Dieses Wasser steht den Astronauten als Trinkwasser zur Verfügung. Das System erzeugt auch Methan, das in den Weltraum abgelassen wird. (Siehe Abbildung 2) „Wir haben dieses geschlossene System, um die Astronauten am Leben zu erhalten, aber damit das Kohlendioxid im Sabatier-Reaktor reagieren kann, muss es unter einem höheren Druck stehen, als es absorbiert wird; also haben wir einen Kompressor zwischen dem CDRA und dem Sabatier-Reaktor“, sagt Dr. Alpert. Der CDRA wird derzeit zu einem neuen Vier-Bett-Molekulardampfsystem aufgerüstet: dem Four-Bed-CO2-Scrubber, oder kurz 4BCO2.
Dr. Alpert erklärt, dass das neue System die Zuverlässigkeit und Leistung gegenüber dem CDRA verbessern soll, wofür verschiedene Änderungen vorgenommen werden. Zunächst einmal ist das Sorptionsmittel, das für die CO2-Abtrennung verwendet wurde, veraltet und muss ersetzt werden. Außerdem wurden einige der Komponenten neu entworfen. „Sie sind von einem rechteckigen auf ein zylindrisches Bett umgestiegen, haben den Heizkern umgestaltet, um das Sorptionsmittel besser zu verteilen und die Leerräume zu beseitigen, und sie fügen einen Filter zum Abfangen von Staub und neue Ventile für eine längere Betriebsdauer hinzu“, erläutert Dr. Alpert. Allerdings ist die grundlegende Funktionalität des 4BCO2 in Verbindung mit dem Kompressor, an dem das Team von Dr. Alpert arbeitet, im Wesentlichen dieselbe wie bei dem aktuellen System.
Neugestaltung des Kompressors
Das derzeitige System verfügt über einen massiven mechanischen Kompressor mit hoher Leistung, der viel Lärm verursacht. Die vielen mechanischen rotierenden Teile müssen häufig gewartet werden, und alles in allem ist das System sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb teuer. „Wir untersuchen daher einige alternative Technologien und eine unserer führenden Optionen ist ein luftgekühlter Temperaturwechsel-Adsorptionskompressor oder AC-TSAC“, so Dr. Alpert.
Der neue Kompressortyp soll viele Vorteile für die ISS mit sich bringen. „Der AC-TSAC hat eine geringere Masse und verbraucht weniger Energie; er ist viel leiser, so dass er die Astronauten auf der ISS weniger stört; es gibt keine rotierenden Teile, so dass hoffentlich weniger Teile ausgetauscht werden müssen; und er ist billiger in der Herstellung und einfacher zu produzieren“, erklärt Dr. Alpert.
Der AC-TSAC ist ein mit Mineralien, sogenannte Zeolithpellets, gefülltes Bett, das CO2 bindet und es bei Raumtemperatur effizienter adsorbiert. Der gesamte 150-minütige Zyklus für die Druckbeaufschlagung des CO2 läuft folgendermaßen ab: Der AC-TSAC wird auf Raumtemperatur abgekühlt und nimmt CO2 auf, dann wird er aufgeheizt, um das CO2 freizusetzen und so den Druck in den Kanistern zu erhöhen. Anschließend wird das unter Druck stehende CO2 in den Sabatier-Reaktor geleitet, wo es in Wasser umgewandelt wird. Die Abkühlphase dauert etwa 60 Minuten, die Aufheizphase weitere 25 Minuten, gefolgt von einer 75-minütigen Heizphase. Um sicherzustellen, dass dem Sabatier-Reaktor kontinuierlich CO2 zugeführt wird, besteht der AC-TSAC aus zwei Betten, von denen sich jeweils eines in der Heiz- und Adsorptionsphase und das andere in der Abkühl- und Produktionsphase befindet. Danach wechseln die Betten (Abbildung 3).
Das Team hat bereits eine Version des AC-TSAC entwickelt und nutzt nun die thermische Modellierung, um sein Design weiter zu verbessern.
Thermische Modellierung unterstützt Designentscheidungen der nächsten Generation
Wie schon bei anderen Projekten setzte Dr. Alpert die Simulationsplattform COMSOL Multiphysics® ein, um Modelle für das aktuelle AC-TSAC-Design zu erstellen. „COMSOL® hat sich in den letzten Jahren als äußerst nützlich erwiesen. Eines der ersten Projekte, an denen ich gearbeitet habe, als ich bei der NASA anfing, war die Modellierung eines Wärmestrommessers, der auf dem Hitzeschild von Mars 2020 flog, und vor kurzem habe ich das Optimization Module verwendet, um den Oberflächenwärmestrom auf einem Hitzeschild anhand der eingebetteten Thermoelementtemperaturen zu rekonstruieren“, sagt Dr. Alpert.
Für das Kompressorprojekt erstellte sie sowohl eine 3D- als auch eine 2D-Version des Modells. Nachdem sie festgestellt hatte, dass die Ergebnisse vergleichbar waren, entschied sie sich aus Effizienzgründen für das 2D-Modell. Wie im Modell (Abbildung 4) dargestellt, befinden sich in der Mitte des AC-TSAC drei Kammern und in den offenen Kammern Zeolithpellets. Zwischen den Kammern befinden sich Widerstandsheizplatten, die das Bett erwärmen. Die Kühlkanäle ermöglichen eine Durchströmung von Luft während der Kühlphase.
Validierung des Modells mit realen Tests
Um das Modell zu validieren, nutzte das Team Temperatur- und Leistungsmessungen aus zwei Testkampagnen, die mit dem AC-TSAC durchgeführt wurden. Dr. Alpert beschreibt sie so: „Der erste Test war ein Zwei-Bett-Test für die Funktionalität bei NASA Marshall im Oktober 2022. Dann haben wir eine gezieltere Testkampagne bei NASA Ames durchgeführt, bei der wir nur ein Bett verwendet haben, um die genauen Eigenschaften besser zu isolieren.“
Während des NASA Marshall-Tests platzierten sie Widerstandstemperaturdetektoren an bestimmten Stellen auf der Oberfläche der Heizelemente, um die Temperatur zu messen. Anschließend verwendeten sie die gemessene Temperatur als eine der Randbedingungen des Modells und führten das Modell aus, um zu prüfen, ob die modellierte Temperatur mit den experimentellen Daten übereinstimmte. Die Ergebnisse zeigten eine sehr gute Übereinstimmung, was Dr. Alpert und ihrem Team erstes Vertrauen in das Modell gab (Abbildung 5). Auch in Bezug auf die Energie, die in das Bett eingespeist wurde, konnte das Team die experimentellen Daten mit dem Modell abgleichen. Für diesen Test wurde nur die Heizphase des Zyklus betrachtet.
Um Vertrauen in die eingesetzte Leistung zu gewinnen, führte das Team als Nächstes den fokussierten Test bei NASA Ames durch, bei dem nur ein einziges Bett getestet und experimentelle Daten von der Heizfläche und dem Sorptionsknoten gesammelt wurden. In diesem Fall verwendeten sie die gemessene Leistung als Eingabe für ihr Modell und maßen dann die Temperaturen am Heizungsknoten und am Sorptionsknoten im Modell. Als sie das Modell mit den Testergebnissen verglichen, konnten sie eine gute Übereinstimmung zwischen den Daten feststellen (Abbildung 6).
Mit dem validierten Modell konnten Dr. Alpert und ihr Team nun analysieren, wie sich verschiedene Designänderungen auf die Aufheizung und die Aufheizrate des Kompressors auswirken würden.
Studien für das beste Design
Auf der Suche nach dem besten neuen Design führte das Team vier spezifische Studien durch und untersuchte Designs für interne oder externe Heizelemente, Aluminiumbett oder Dampfkammern, ein rechteckiges oder zylindrisches Bett und die Gesamtzahl der Kammern. Das übergeordnete Ziel war es, schnell eine hohe Temperatur zu erreichen und die Temperatur während des Hochfahrens im gesamten Bett gleichmäßig zu halten
Interne oder externe Heizelemente
„Die erste Designkomponente, die wir untersucht haben, war der Wechsel von internen zu externen Heizelementen. Derzeit befinden sich die internen Widerstandsheizelemente in der Mitte der Betten, und sind eine potenzielle Fehlerquelle. Es gibt eine Menge Drähte, die in das Bett führen, und es ist einfach ein komplexes, unordentliches Bündel von Drähten und Heizkörpern“, sagt Dr. Alpert. Das Team fragte sich daher, ob es möglich wäre, diese Heizelemente an die Außenseite des Bettes zu verlegen und das Sorptionsmittel trotzdem schnell und gleichmäßig zu erwärmen. Anhand des Modells von Dr. Alpert wurden die internen und externen Heizelemente mit Energie versorgt, um die Heizrate und die Gleichmäßigkeit zu vergleichen (Abbildung 7).
„Was wir hier gesehen haben, ist, dass der Wechsel von internen zu externen Heizelementen keine großen Auswirkungen hatte. Das bedeutet, dass die Verwendung externer Heizelemente das Potenzial hat, die Temperaturgleichmäßigkeit des Sorptionsmittels zu verbessern oder zumindest auf dem gleichen Niveau zu halten und gleichzeitig die Komplexität des Systems zu verringern“, erklärt Dr. Alpert.
Aluminumbett oder Dampfkammern
In der zweiten Designstudie wollte das Team untersuchen, wie sich der Wechsel von einem Aluminiumbett zu Dampfkammern auswirkt (Abbildung 8). Dr. Alpert erklärt: „Dampfkammern sind Wärmerohre, die die Wärme effizient in mehrere Richtungen verteilen. An einem Ende einer Dampfkammer wird Wärme zugeführt und dann eine kleine Menge Flüssigkeit in der Kammer eingeschlossen. Diese verdampft und der Dampf strömt durch die schnell erwärmende Kammer und kondensiert, sobald er die kühleren Bereiche erreicht. Durch die Kapillarwirkung fließt die Flüssigkeit dann zurück zur Wärmequelle und dieser Kreislauf wiederholt sich. Dadurch können wir eine extrem hohe effektive Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von 10.000 bis 100.000 W/m-K erreichen.“
Die NASA arbeitet mit externen Partnern zusammen, die die Dampfkammern herstellen und testen und eine realitätsnahe Modellierung durchführen. Für diese Analyse hat das Team die Dampfkammern jedoch mit den Materialeigenschaften von Aluminium modelliert, allerdings mit einer viel höheren Wärmeleitfähigkeit, um eine Vorstellung von den Auswirkungen zu bekommen. Dr. Alpert merkt an, dass „die wichtigste Erkenntnis ist, dass die Verwendung von Dampfkammern die Temperaturgleichmäßigkeit des Sorptionsmittels verbessern kann, wenn wir zu einem Dampfkammerbett anstelle eines Aluminiumbettes wechseln, während die durchschnittliche Temperatur des Sorptionsmittels größtenteils gleichbleibt“. Dies gilt insbesondere für das zylindrische Bett, das Gegenstand der dritten Designstudie ist.
Rechteckiges oder zylindrisches Bett
Dr. Alpert verwendete ein vereinfachtes Modell, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie sich eine Änderung der Bettform auf die Temperaturgleichmäßigkeit auswirken würde. „Ich habe die Fläche des Sorptionsmittels gleich gelassen. Der Abstand zwischen dem Aluminium oder der Dampfkammer ist gleich und die Länge der Heizelemente ist gleich. So habe ich das Problem eingegrenzt“, sagt sie (Abbildung 9). Die Analyse zeigte, dass beide Formen ähnliche Durchschnittstemperaturen des Sorptionsmittels ergeben, aber die Temperaturgleichmäßigkeit im Fall des zylindrischen Betts viel schlechter ist, wenn es aus Aluminium gefertigt ist. Für Dr. Alpert ergibt das Sinn: „Das Sorptionsmittel ist durch Aluminiumwände getrennt und das Heizelement befindet sich nur an der Außenseite. Das Sorptionsmittel, das dem Heizelement am nächsten ist, wird also viel heißer als das Sorptionsmittel im Inneren.“
Bei einer Dampfkammerstruktur ist die Wärmeleitfähigkeit hoch genug, dass die Wärme sehr schnell durch die Wände fließt. In diesem Fall stellte das Team eine ähnliche Temperaturgleichmäßigkeit zwischen der rechteckigen und der zylindrischen Bettform fest (Abbildung 10).
Anzahl der Kammern
In der vierten Designstudie analysierte das Team die Anzahl der Sorptionsmittel-Kammern, um zu sehen, ob mehr oder weniger Kammern die durchschnittliche Temperatur und die Temperaturgleichmäßigkeit beeinflussen würden (Abbildung 11). Dr. Alpert war nicht überrascht, dass die Erhöhung der Kammeranzahl die Temperaturgleichmäßigkeit verbesserte, da dies bedeutete, dass die Kammern näher beieinander lagen. „Jede der Kammern ist kleiner, aber wir haben mehr thermische Masse hinzugefügt, weil sich jetzt mehr Aluminium im System befindet. Dadurch sinkt die Gesamterwärmungsrate für die durchschnittliche Temperatur des Sorptionsmittels“, so Dr. Alpert.
Das Team fand auch heraus, dass das Volumen des gesamten Systems zwar gleich bleibt, aber durch das Hinzufügen weiterer Kammern die Menge des Sorptionsmittels, die in ein bestimmtes Volumen passt, tatsächlich abnimmt. Dies wiederum würde die Menge an CO2 verringern, die entfernt werden kann.
Leistungssensitivitätsanalyse
Zusätzlich zu den Designstudien versuchte das NASA-Team auch, die Wärmeleitfähigkeit des Sorptionsmittels selbst zu erhöhen. „Wir wollten sehen, um wie viel wir die Wärmeleitfähigkeit erhöhen müssen und welche Auswirkungen das hat“, erklärt Dr. Alpert.
Anhand des thermischen Modells des ursprünglichen AC-TSAC-Designs stellte das Team fest, dass die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Sorptionsmittels keine große Auswirkung auf die durchschnittliche Temperatur des Sorptionsmittels hatte, aber die Temperaturgleichmäßigkeit in hohem Maße verbesserte. „Das zeigt uns, dass wir auf jeden Fall in die richtige Richtung gehen, und wir konzentrieren einen Großteil unserer Entwicklungsarbeit darauf“, so Dr. Alpert.
Als das Team die Wärmeleitfähigkeit in ihrem Modell eines zylindrischen Bettes mit Dampfkammer erhöhte, zeigten die Simulationsergebnisse eine große Verbesserung der Temperaturgleichmäßigkeit des Sorptionsmittels im gesamten Bett (Abbildung 12).
Schließlich analysierte das Team die Auswirkungen einer Erhöhung der Eingangsleistung. „Natürlich würde eine höhere Leistung die Temperatur erhöhen, aber wir wollten ein Gefühl dafür bekommen, wie stark die Erhitzungsrate steigen und wie sehr die Temperatur dadurch ungleichmäßiger werden würde“, erklärt Dr. Alpert. Die Ergebnisse zeigten, dass mit 1000 W anstelle von 600 W über einen Zeitraum von 30 Minuten zusätzliche 100°C möglich sind, aber die Temperaturgleichmäßigkeit geringer ist.
Kombination von Simulationen und Experimenten für bessere Designs
Dr. Alpert und ihrem Team ist es gelungen, ein thermisches Modell des bestehenden AC-TSAC zu erstellen und mit Testdaten zu validieren. Anhand des validierten Modells konnten sie dann bestimmen, welche Designparameter geändert werden mussten, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Durch die Simulation erfuhr das Team, dass externe Heizelemente die Systemkomplexität und das Fehlerpotenzial verringern, dass Dampfkammern eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben und dadurch die Temperaturgleichmäßigkeit des Sorptionsmittels verbessern und dass sie sich weiterhin auf die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Sorptionsmittels konzentrieren sollten.
Mit Blick auf die Zukunft merkt Dr. Alpert an, dass sie bisher nur die Aufheizphase untersucht haben, aber auch die stationäre und die Abkühlphase des Zyklus untersuchen müssen. Das Team wird auch weiterhin das thermische Modell mit experimentellen Daten validieren und Mechanismen wie Wärmeverluste berücksichtigen.
„COMSOL ist eine großartige Multiphysik-Plattform“, sagt Dr. Alpert, „mit der wir mehr als nur thermische Berechnungen durchführen können. Die Tatsache, dass der CO2-Druck bei hohen Temperaturen ansteigt, wurde bisher im Modell nicht berücksichtigt. Das ist etwas, was wir für die Zukunft planen.“