Sandia National Laboratories använder sitt soltorn för att bedöma effekten av extrema temperaturförändringar på material.

Testerna, nu på sitt andra år, dra fördel av möjligheten hos Sandias National Solar Thermal Test Facility att simulera en mycket snabb temperaturökning följt av en lika snabb minskning. Testet är för flygvapnet och kommer att pågå i minst ett år till.

Forskare satte ett 4 x 4-tums prov av kompositmaterial, kallas en kupong, in i en provkammare, utsätt den sedan för en explosion av intensiv hetta. Olika kuponger är gjorda av olika typer av material.

Specialugnar kan nå de temperaturer som behövs, men ugnar kan inte värmas upp eller svalna snabbt. "Och det är svårt att bara sticka in en kupong riktigt snabbt och sedan ta ut den, ", sa testingenjör Josh Christian. "Vår anläggning är riktigt bra på att tillhandahålla en snabb ramphastighet för dessa värmekurvor, och vi kan också producera en efterföljande kurva genom att flytta våra speglar på ett sådant sätt att värmen avlägsnas från provet."

Kupongen placeras jämnt med en vägg i en testkammare, i princip en låda, vänd mot ett kvartsfönster som släpper in värmen från speglarna. Testerna, som använder ungefär en fjärdedel av heliostatfältet, kan ändra värmenivåer efter behov.

Initialt, skjutluckor framför fönstret stängs. Soltornsteamet fokuserar reflekterat ljus från heliostaterna på en kalibreringspanel och använder en värmeflödesmätare för att mäta effekten som kommer att träffa provet. Sedan flyttar de det reflekterade ljuset till luckorna. När redo, luckorna öppnas och stängs mycket snabbt för att producera de värmekurvor som behövs på provet. På samma gång, en vindtunnel med en fläkt i ena änden tvingar luft över provet, simulerar konvektiv kylning. Konvektiv kylning påverkar uppvärmningshastigheten eftersom med konvektiv kylning, material överlever längre under intensiv värme.

Provet kan värmas flera gånger

Forskare kan utsätta ett prov för uppvärmning flera gånger för att fastställa materialresponströsklar efter exponering.

"Värmen går in, vi stänger, det är slutet på testet, " sa Christian. "Vi gör det här upprepade gånger, 10 till 30 gånger om dagen."

Före och efter ett test, ett annat Sandia-team kontrollerar provet med en 3D-skanner, som avgör om den värme som produceras bubblor eller textur förändras i materialet, sa Christian.

Ännu en grupp Sandia-forskare tar reflektionsmätningar - hur mycket ljus som reflekteras från ytan. Till exempel, om ett prov absorberar 90 procent av ljuset och reflekterar 10 procent, då värmde inte 10 procent av ljuset det. Josh sa att det är viktigt eftersom i verkliga livet, material med högt reflektionsvärde värms upp långsammare.

Ett tredje team använder oförstörande metoder för att titta inuti provet efter ett test, leta efter förändringar under ytan, vilket är särskilt viktigt för komplexa strukturer gjorda av flera olika material.

Testerna fortsätter hela året

Testerna pågår året runt, men flygvapnets program testar inte varje dag eftersom soltornet också gör tester för andra program. Förra sommaren, till exempel, Christian uppskattade att 30 till 40 dagar ägnades åt projektet. Testerna fortsätter under vintern, men testperioderna är kortare på grund av solens vinkel mot speglarna.

"För vår anläggning, detta är ett stort test som har börjat bli rutin då vi har testat hundratals prover, sa Christian, som har arbetat på tornet i åtta år.

Projektet har också lett till förbättringar vid National Solar Thermal Test Facility, inklusive en ny spårningsalgoritm för heliostaterna och avancerade tekniker för karakterisering av värmeflöde, vilket gör det möjligt för forskare att kvantifiera värmen som appliceras på prover. Att veta exakt vilken värme som appliceras är avgörande för att förstå vilka förhållanden material kan överleva, och forskare utvecklade nya verktyg för att utföra den analysen.

Speglarna rör sig med solen för att behålla en reflekterad plats på soltornet, "men vi upptäckte att vid vissa tider på året och tider på dygnet, platsen skulle inte vara där vi förutspådde att den skulle vara på grund av brister i hur speglarna installerades, sa Christian. Så, han sa, forskare utvecklade algoritmer för att förbättra spårningen, som inte bara hjälper flygvapenprojektet utan även Sandias torn övergripande och potentiellt andra anläggningar som använder heliostater, till exempel webbplatser som genererar ström.

Tornet har gjort tester för andra byråer, inklusive NASA, och andra projekt för flygvapnet. Sandia startade tester för detta projekt förra året. "Nu har det blivit en framgång på vår sida såväl som deras sida, sa Christian.