NASA-astronauten Jack Fischer arbetar med den kapillärabsorberande hårdvaran, som består av 3-D-tryckta kontaktorer (mitten) med flera kapillärkanaler. Kontaktorerna, eller kapillärstrukturer som undersöks, stöds av rör, ventiler, och en pump. Detta mycket interaktiva experiment simulerar fluidiken i ett flytande sorbentsystem för att avlägsna CO2 från luften. Kredit:NASA
Ibland är den bästa lösningen på ett komplext problem den enklaste. Det är det tillvägagångssätt som teamet för Capillary Structures for Exploration Life Support (Capillary Structures) tog när de designade undersökningen av vätskefysik ombord på den internationella rymdstationen. Utredningen av kapillärstrukturer använder kapillärverkan, eller förmågan för en vätska att strömma genom ett trångt utrymme, som små rör, att flytta vätskor och gaser i mikrogravitation, en uppgift som inte kan testas i jordens gravitationsmiljö.
Livsuppehållande teknologi ombord på alla rymdfarkoster är oerhört viktig, speciellt när besättningar rör sig längre bort från jorden och in i rymden. Många livsuppehållande system fungerar annorlunda i rymdstationens mikrogravitationsmiljö än de skulle göra på jorden, inklusive hur vätskor samlas på och rör sig över ytor.
För närvarande, de livsuppehållande systemen ombord på rymdstationen kräver specialutrustning för att separera vätskor och gaser. Denna teknik använder roterande och rörliga delar som, om det går sönder eller på annat sätt äventyras, kan orsaka kontaminering och/eller systemfel. Utredningen av kapillärstrukturer studerar en ny metod för vattenåtervinning och koldioxidavlägsnande med hjälp av strukturer utformade i specifika former för att hantera vätske- och gasblandningar i mikrogravitation.
I motsats till de dyra, maskinbaserade processer som för närvarande används ombord på stationen, utrustningen för kapillärstrukturer består av små, 3-D-tryckta geometriska former av varierande storlekar som klämmer fast.
Effekten av denna forskning kan gynna dem på jorden också. Forskning som samlats in under denna undersökning kommer att lära oss hur man använder geometri för att optimera avdunstning, effektivare vattenåtervinningssystem, passiva reningsmetoder, andra vattenbehandlingsmetoder på jorden.
Prototyp av kapillärförångarens hårdvara som består av ett testställ, bakgrundsbelysning, och testarmar för att hålla transparenta kapillärstrukturer fyllda med testvätskor. Strukturerna fotograferas under flera dagar medan vätskorna avdunstar. Kredit:IRPI LLC
Den första av denna tvådelade undersökning fokuserar på avdunstning, en process som är specifikt påverkad av gravitation och en som inte är uppenbar i mikrogravitationsmiljön i rymden.
"Om du kunde göra kontrollerbar avdunstning i rymden, du kan göra alla möjliga saker" sa Mark Weislogel, en av projektets huvudutredare. "Du kunde avdunsta urin och återvinna allt vatten. Allt det. Om du hade ett sätt att hålla vätskan i en passiv, inga rörliga delar som en pöl gör på jorden, men i rymden, då kan du göra mycket unik bearbetning, säkert och utan underhåll."
Besättningsmedlemmar kommer att fylla varje struktur när forskarlag på marken observerar vätskornas beteende under några dagar via tidsförloppsfotografering. Resultat från utredningen kan leda till utveckling av nya processer som är enkla, pålitlig, och mycket tillförlitlig i händelse av ett elektriskt fel eller annat mekaniskt systemfel.
"Vi kommer att få detaljerad information om hur vätskan avdunstar ut ur strukturerna, sa Kyle Viestenz, medutredare för projektet. "Strukturerna är inställda för att ha olika geometrier, olika vinklar, olika höjder, alla dessa olika parametrar som vi varierar mellan dessa strukturer för att få kvantitativa data om avdunstning i låg gravitation."
Den kapillära sorbentkontaktorn designad med parallella, öppna kanaler för att exponera vätska för omgivande luft samtidigt som den innehåller och suger upp vätskor på ett kontrollerat sätt. Kredit:IRPI LLC
Den andra delen av undersökningen visar användningen av vätskor i ett koldioxidavlägsnande system, kallad Carbon Dioxide Liquid Sorbent System. Detta system använder ett nätverk av "vattenfall" för att ta med en flytande sorbent, eller ett material som används för att absorbera gaser, i kontakt med luft, så att koldioxiden kan föras bort av vätskan. Självklart, i en mikrogravitationsmiljö, vätskan "faller inte, " men drivs av ytspänningskrafter som genereras passivt av den unika ytgeometrin hos kapillärstrukturerna.
Består även av 3D-tryckta kapillärstrukturer, denna del av undersökningen är optimerad för vätskor att flöda genom strukturerna, snarare än att bara avdunsta.
"En av de saker som behövs för att skrubba ut koldioxiden ur luften skulle vara att dela upp vätskan i flera kanaler för att uppnå stor ytarea för reaktionen, " sade Viestenz. "I den här utredningen, vi kommer att dela upp flödet i flera parallella öppna passager och minnas dem igen – något som inte har gjorts tidigare och som kommer att gå långt för att demonstrera den här typen av teknologi. Resultaten är brett applicerbara på flytande bränslen, drivmedel, och kylvätskor samt otaliga passiva vattenhanteringsoperationer för livsuppehållande"
