Astronauter har åkt till rymden sedan 1961, men de har fortfarande inget kylskåp att använda för att hålla maten kall på långa uppdrag till månen eller Mars.

Genom experiment utförda i mikrogravitation, ett team av ingenjörer från Purdue University, Air Squared Inc., och Whirlpool Corporation har visat att en prototyp de utvecklade potentiellt skulle kunna övervinna utmaningarna med att få ett traditionellt kylskåp att fungera lika bra i rymden som det gör på jorden.

Den konserverade och torkade maten som astronauter för närvarande äter under uppdrag har en hållbarhetstid på bara cirka tre år. Teamets projekt, finansierat av NASA:s Small Business Innovation Research (SBIR) program, syftar till att ge astronauter en tillgång på mat som kan hålla i fem till sex år.

Tidigare den här månaden, teamet körde tre experiment för att testa olika aspekter av kyldesignen ombord på ett specialdesignat plan som flög i mikrogravitation 30 gånger – i 20 sekunders intervaller – under var och en av fyra flygningar. Planet, Zero Gravity Corporations (ZERO-G) unika viktlösa forskningslabb, är det enda testutrymmet i sitt slag i USA.

Data analyserade hittills från experimenten på flygningarna, stöds av NASA:s Flight Opportunities-program, indikerar två stora framgångar för lagets prototyp. Först, prototypen kan fungera lika bra i mikrogravitation som den gör på marken. Andra, teamet fastställde att prototypen inte var mer sannolikt att översvämmas i mikrogravitation än i normal gravitation. Översvämning av vätskor kan skada ett kylskåp.

Teamet fortsätter att analysera insamlade flygdata.

"Vi vill ha en kylcykel som är resistent mot noll gravitation och fungerar enligt normala specifikationer, sade Eckhard Groll, en professor och chef för Purdues School of Mechanical Engineering. "Vår preliminära analys visar tydligt att vår design tillåter gravitation att ha mindre inverkan på den cykeln."

En lovande design för rymdkylskåp

Forskarna är inte de första som försöker bygga ett kylskåp som de som används på jorden för rymduppdrag, men de är bland de få som har försökt sedan astronauter gick på månen 1969. Även om kylskåpsexperiment har varit i rymden tidigare, antingen fungerade de inte särskilt bra eller så gick de sönder.

I praktiken, kyldesignen skulle kyla mat genom en ångkompressionscykel, liknande den process som ett typiskt kylskåp använder på jorden, men utan behov av olja. Att ha en oljefri ångkompressionscykel tar bort farhågor om att oljan inte rinner dit den borde utan tyngdkraft.

Teamets prototyp är ungefär lika stor som en mikrovågsugn, idealisk för att eventuellt passa in i den internationella rymdstationens racksystem, EXPRESS Rack, som lagrar nyttolaster för forskningsexperiment. Air Squared byggde prototypen och den oljefria kompressorn inuti, som fungerar som hjärtat i kylskåpet.

Teamets experiment syftade till att testa en vanlig hypotes att trycka köldmedievätska genom en ångkompressionscykel med högre hastighet skulle minska gravitationens effekter på kylskåpets prestanda. En detaljerad analys av data kommer att visa om begränsningen av dessa högflödeshastigheter och det stora tryckfallet de skapar kan avlägsnas, vilket skulle kunna förbättra kylens prestanda genom att spara energi.

Två experiment byggda av Purdue-forskare flög med prototypexperimentet för att utvärdera hur mikrogravitation påverkade designens prestanda och känslighet för vätskeöversvämning. Whirlpool Corporation tillhandahöll komponenter för kylskåpsexperimenten samt expertis om hur man integrerar dessa komponenter, köra experimenten och paketera prototypen på ett sätt som skulle uppfylla kraven för användning i en långsiktig mikrogravitationsmiljö som den internationella rymdstationen.

Testar ett kylskåp för rymden medan du fortfarande är på jorden

Innan flygen, Purdue-forskare visade genom ett av experimenten att en oljefri ångkompressionscykel kan fungera i olika riktningar - även upp och ner. Om ett kylskåp kan fungera i vilken position som helst, rymdpersonalen skulle inte behöva oroa sig för att se till att kylskåpet är rätt sida upp vid en landning.

"Det faktum att kylcyklerna arbetade kontinuerligt i mikrogravitation under testerna utan några uppenbara problem tyder på att vår design är en mycket bra start, sa Leon Brendel, en Purdue Ph.D. student i maskinteknik. "Vårt första intryck är att mikrogravitation inte förändrar cykeln på sätt som vi inte var medvetna om när vi testade gravitationens effekter på kyldesignen på marken genom att rotera och luta den."

Groll, Brendel och Paige Beck, en Purdue junior med huvudämne i maskinteknik, genomförde experimenten på flygningarna, tillsammans med medlemmar i teamet från Air Squared och Whirlpool Corporation. För varje flygning, planet utförde 30 paraboler inklusive Martian, mån- och mikrogravitationer.

"Att flyta runt med experimenten är ungefär som att simma, förutom att du inte har motstånd runt dig och du måste jobba för att få in datan samtidigt. Det var ganska kul, men jag var tvungen att komma ihåg att inte bli kaxig, sa Beck, som hade utmaningen att hålla sig på plats för att samla in data från ett experiment med jämna mellanrum och samtidigt spela in hennes handlingar i en mikrofon.

Andra utmanande uppgifter innebar att snabbt ändra parametrar mellan parabolerna eller att vrida en nålventil lätt medan du flöt runt.

"Ibland var jag för långsam. Men man lär sig allt eftersom, och vi lyckades få de data vi behövde, sa Brendel.

Teamet kommer att slutföra dataanalys under de kommande veckorna.