En banbrytande teknik som skulle tillåta NASA att effektivt kyla tätt packad instrumentelektronik och annan rymdfärdsutrustning är opåverkad av viktlöshet, och kan användas på ett framtida rymdfärdsuppdrag.

Under två senaste flygningar ombord på Blue Origins New Shepard-raket, Chefsutredare Franklin Robinson, en ingenjör vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och medutredaren Avram Bar-Cohen, professor vid University of Maryland, bevisade att deras mikrogap-kylningsteknik inte bara tog bort stora mängder värme, men utförde också detta så viktiga jobb i miljöer med låg och hög gravitation med nästan identiska resultat.

Demonstrationerna, finansierat av NASA:s Flight Opportunities-program inom Space Technology Mission Directorate, öppnar dörrarna för teknikens användning på ett framtida rymdfärdsuppdrag, sa Robinson. Teknikutvecklingen fick också stöd av myndighetens Center Innovation Fund.

"Gravitationseffekter är en stor risk i denna typ av kylteknik, ", sa Robinson. "Våra flygningar visade att vår teknik fungerar under alla förhållanden. Vi tror att detta system representerar ett nytt termisk hanteringsparadigm."

Med mikrogap kylning, värme som genereras av tätt packad elektronik avlägsnas genom att strömma en kylvätska - i detta fall, en vätska som heter HFE 7100 som inte leder elektricitet – genom inbäddad, rektangulärt formade mikrokanaler inom eller mellan värmealstrande enheter. När kylvätskan strömmar genom dessa små luckor, det kokar på de uppvärmda ytorna, producerar ånga. Denna tvåfasprocess erbjuder en högre värmeöverföringshastighet, som håller högeffektsenheter svala och mindre benägna att misslyckas på grund av överhettning.

Den inbyggda kylningsmetoden representerar en betydande avvikelse från mer traditionella kyltekniker. Med mer konventionella metoder, designers skapar en "planlösning". De håller de värmealstrande kretsarna och annan hårdvara så långt isär som möjligt. Värmen går in i kretskortet, där den så småningom riktas till en rymdfarkostmonterad radiator.

Designad från början för 3D-kretsar

Robinson och Bar-Cohen började utveckla mikrogap-tekniken för ungefär fyra år sedan för att säkerställa att NASA kunde dra nytta av nästa generations 3D-kretsar när den blev tillgänglig.

Till skillnad från mer traditionella kretsar, 3D-kretsar skapas genom att bokstavligen stapla ett chip ovanpå ett annat. Sammankopplingar länkar varje nivå till dess närliggande grannar, ungefär som hur hissar ansluter en våning till nästa i en skyskrapa. Med kortare ledningar som länkar chipsen, data kan röra sig snabbt både horisontellt och vertikalt, förbättra bandbredden, beräkningshastighet och prestanda, allt samtidigt som det förbrukar mindre ström och tar mindre plats.

Trots sina fördelar, 3D-kretsar utgör en särskild utmaning för potentiella användare både på jorden och i rymden:ju mindre utrymmet är mellan kretsarna, desto svårare är det att ta bort värmen, äventyrar prestandan på grund av överhettning. Eftersom inte alla chips är i kontakt med ett kretskort, traditionella kyltekniker skulle inte fungera med 3D-kretsar. Den framväxande tekniken undviker detta problem genom att köra kylvätska inom och mellan de staplade kretsarna.

Även om det ursprungligen var tänkt för användning i 3D-kretsar, mikrogap-kylning kan hjälpa en mängd elektroniska enheter för rymdfärder, inklusive kraftelektronik och laserhuvuden. De, för, krymper i storlek och behöver ett effektivt system för att avlägsna värme från tätt packade utrymmen. "Vi ser en applikation för mikrogap-kylning i alla krafttäta elektroniska enheter som används i rymden, sa Robinson.

Före de två flygningarna, Robinson och Bar-Cohen hade testat sin kylteknik på olika håll i ett laboratorium. Dock, de behövde certifiera teknikens funktion i rymden och under varierande gravitationsmiljöer. Med den lyckade demonstrationen, Robinson tror att kyltekniken är redo för bästa sändningstid. "Jag tror att vi nu är på rätt teknikberedskapsnivå för att implementera inbyggd kylning i flygprojekt, " han sa.