NASA mikrogap-køleteknologi immun over for tyngdekraftseffekter og klar til rumflyvning

En banebrydende teknologi, der ville give NASA mulighed for effektivt at afkøle tætpakket instrumentelektronik og andet rumfartsudstyr, er upåvirket af vægtløshed, og kunne bruges på en fremtidig rumflyvningsmission.

Under to nylige flyvninger ombord på Blue Origins New Shepard raket, Hovedefterforsker Franklin Robinson, en ingeniør ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og medforsker Avram Bar-Cohen, professor ved University of Maryland, bevist, at deres mikrogap-køleteknologi ikke kun fjernede store mængder varme, men udførte også dette altafgørende arbejde i miljøer med lav og høj tyngdekraft med næsten identiske resultater.

Demonstrationerne, finansieret af NASAs Flight Opportunities-program inden for Space Technology Mission Directorate, åbner dørene for teknologiens brug på en fremtidig rumflyvningsmission, sagde Robinson. Teknologiudviklingen blev også støttet af styrelsens Center Innovationsfond.

"Tyngekraftseffekter er en stor risiko i denne type køleteknologi, " sagde Robinson. "Vores flyvninger beviste, at vores teknologi virker under alle forhold. Vi mener, at dette system repræsenterer et nyt termisk styringsparadigme."

Med mikrogap køling, varme genereret af tætpakket elektronik fjernes ved at strømme en kølevæske – i dette tilfælde, en væske kaldet HFE 7100, der ikke leder elektricitet - gennem indlejret, rektangulære mikrokanaler i eller mellem varmegenererende enheder. Når kølevæsken strømmer gennem disse små huller, det koger på de opvarmede overflader, producerer damp. Denne tofasede proces giver en højere varmeoverførselshastighed, som holder enheder med høj effekt kølige og mindre tilbøjelige til at svigte på grund af overophedning.

Den indlejrede køletilgang repræsenterer en væsentlig afvigelse fra mere traditionelle køleteknologier. Med mere konventionelle tilgange, designere skaber en "gulvplan". De holder de varmegenererende kredsløb og andet hardware så langt fra hinanden som muligt. Varmen går ind i printpladen, hvor den til sidst ledes til en rumfartøjsmonteret radiator.

Designet oprindeligt til 3D-kredsløb

Robinson og Bar-Cohen begyndte at udvikle microgap-teknologien for omkring fire år siden for at sikre, at NASA kunne drage fordel af næste generations 3D-kredsløb, når det blev tilgængeligt.

I modsætning til mere traditionelle kredsløb, 3-D kredsløb er skabt ved bogstaveligt talt at stable en chip oven på en anden. Sammenkoblinger forbinder hvert niveau med dets tilstødende naboer, meget ligesom hvordan elevatorer forbinder en etage til den næste i en skyskraber. Med kortere ledninger, der forbinder chipsene, data kan bevæge sig hurtigt både vandret og lodret, forbedring af båndbredden, beregningshastighed og ydeevne, alt imens de bruger mindre strøm og optager mindre plads.

På trods af sine fordele, 3D-kredsløb udgør en særlig udfordring for potentielle brugere både på Jorden og i rummet:jo mindre mellemrummet mellem kredsløbene, jo sværere er det at fjerne varmen, sætter ydeevnen i fare på grund af overophedning. Fordi ikke alle chipsene er i kontakt med et printkort, traditionelle køleteknikker ville ikke fungere med 3D-kredsløb. Den nye teknologi undgår dette problem ved at køre kølevæske i og mellem de stablede kredsløb.

Selvom det oprindeligt er udtænkt til brug i 3-D kredsløb, mikrogap-køling kan hjælpe en lang række elektroniske enheder til rumfart, inklusive kraftelektronik og laserhoveder. De, også, krymper i størrelse og har brug for et effektivt system til at fjerne varme fra tætpakkede rum. "Vi ser en applikation til mikrogap-køling i enhver strømtæt elektronisk enhed, der bruges i rummet, " sagde Robinson.

Forud for de to flyvninger, Robinson og Bar-Cohen havde testet deres køleteknologi i forskellige retninger i et laboratorium. Imidlertid, de skulle certificere teknologiens funktion i rummet og under varierende tyngdekraftsmiljøer. Med den vellykkede demonstration, Robinson mener, at køleteknologien er klar til primetime. "Jeg tror, ​​vi nu er på det rigtige teknologiberedskab til at implementere indlejret køling på flyprojekter, " han sagde.