Bijzonder koelsysteem in de ruimte.

Samenvatting

Het AMS-02 Tracker Thermal Control System onttrekt de warmte uit de electronica van de detectoren en straalt die uit naar de ruimte. Het koelsysteem maakt gebruik van CO2 en is het eerste van zijn soort dat ooit in de ruimtevaart gebruikt is. Het kenmerkt zich door een lage temperatuur gradient, laag gewicht, lage eigen dissipatie en kan onder condities van gewichtloosheid werken.
 

Bijzonder koelsysteem in de ruimte.

18 mei 2011     Met de laatste reis van het ruimteveer Endeavour werd de Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-2) naar het International Space Station, ISS, gebracht. AMS-2 is een instrument om kosmische stralen te detecteren. Het is gebouwd door een internationaal consortium. Het instrument is een sterk verbeterde versie van de AMS-1, het prototype dat in 1998 twee weken in het ISS verbleef.
Het is ontworpen om anti-materie en donkere-materie te onderzoeken.

Het hart van instrument bevat een sterke magneet, die de inkomende kosmische stralen afbuigt op uiterst gevoelige detectoren.
In het ontwerp was oorspronkelijk een sterke supergeleidende magneet voorzien, De elektronica die de signalen van de detectoren versterkt produceert warmte, deze warmte zou door het cryogene koelsysteem weg gekoeld worden. Om operationele redenen werd de cryogene magneet echter in een vrij laat stadium vervangen door een sterke permanente magneet.
Vervanging van het magneet ontwerp bleek grote consequenties te hebben voor de koeling van de elektronica. Er bleek geen ruimte genoeg meer te zijn voor een 'conventioneel' koelsysteem, dus moest een voor de ruimtevaart geheel nieuw koelsysteem ontworpen worden.

Het FOM instituut Nikhef in Amsterdam heeft met ontwerp en bouw van deeltjes versnellers en detectoren vele tientallen jaren ervaring opgedaan bij de toepassing van geavanceerde koelsystemen.
Het Nikhef heeft voor AMS-2 een nieuw, twee-fase koelsysteem ontworpen.
De afvoer van warmte geschiedt daarbij, net zoals bij onze huishoudkoelkast, met behulp van de overgang van vloeistof- naar gasfase en omgekeerd.

Bijzonder aan dit koelsysteem is het gebruik van koolstof dioxide, CO2. NASA keurde het ontwerp in eerste instantie af omdat een CO2 koelsysteem nog niet eerder in de ruimtevaart was getest. Dank zij het gebruik van dit koelmedium, konden koelleidingen met een kleine diameter gebruikt worden, zodat het gehele systeem in de beschikbare ruimte gemonteerd kon worden.
Het AMS-02 Tracker Thermal Control System onttrekt de warmte uit de elektronica van de detectoren, door verdamping van de CO2 vloeistof. De gasvormige CO2 stroomt naar twee radiatoren die de warmte de ruimte in stralen waardoor de CO2 condenseert. Een radiator bevindt zich aan de voorkant van het instrument de andere aan de achterkant. Hierdoor is er altijd een radiator in de schaduw zodat de warmte weggestraald kan worden.

De twee-fase loop bevat een lange verdamper, die de damp van de 192 warmte-aftakpunten van de elektronica verzamelt. De damp stroomt naar de koude radiator. De vloeistof wordt met behulp van een mechanische pomp weer naar de verdamper terug gevoerd. Door in het CO2 voorraadvat de temperatuur te regelen wordt de verdampingsdruk in de verdamper ingesteld. De druk bepaald de verdampingstemperatuur. Omdat de druk in de hele verdamper nagenoeg gelijk is, wordt een gelijke temperatuur verkregen op elk van de 192 aftakpunten.

Het koelsysteem kenmerkt zich door een lage temperatuur gradient, laag gewicht, lage eigen-dissipatie en kan onder de specifieke ruimtevaart condities werken, waaronder gewichtloosheid en extreme omgevingstemperaturen.

(Pieter J.T.Bruinsma, PA0PHB) 

Referenties, informatie:

CERN => AMSTR-NLR-TN-05 rapport
Wikipedia => eigenschappen van CO2

AMS-2, detector voor cosmische stralen
AMS-2, detector voor cosmische stralen

lll