Liquid nitrogen pre-cooling system for ELT instruments utilizing additively manufactured heat exchangers, integrated temperature and liquid level control

Das kosmische Eiscreme-Paradoxon

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine riesige, empfindliche Kamera für ein Weltraumteleskop einzufrieren. Dies ist nicht irgendeine Kamera; sie ist darauf ausgelegt, das leiseste Flüstern des Lichts aus der Geburtsstunde des Universums zu sehen. Damit sie ihre Arbeit verrichten kann, muss der „Innenraum“ der Kamera kälter sein als der tiefste Winter in der Antarktis. Wenn sie auch nur ein klein wenig warm wird, erzeugt die Kamera „Rauschen“ und kann die Sterne nicht mehr sehen.

Um diese Kamera kalt zu bekommen, nutzen Astronomen einen speziellen Trick: Sie gießen flüssigen Stickstoff über sie. Stellen Sie sich flüssigen Stickstoff wie einen supergekühlten, unsichtbaren Schnee vor, der augenblicklich verdampft, wenn er etwas Warmes berührt. Beim Verdampfen wird er zu Gas und stiehlt dem Objekt die Wärme, wodurch die Kamera in der Kälte erzittert. Aber hier liegt der Haken: Bei der alten Methode ist dieser siedende Schnee etwas verschwenderisch. Es ist, als würde man versuchen, ein Zimmer zu kühlen, indem man einen einzelnen Eiswürfel in einen Eimer Wasser wirft und hofft, dass der ganze Eimer gefriert. Der Großteil der Kälteenergie entweicht einfach als Gas in die Luft, ohne das Objekt, das man eigentlich einfrieren will, überhaupt zu berühren.

Hier wird die Geschichte interessant. Wissenschaftler am UK Astronomy Technology Centre wollten wissen, ob sie einen besseren „Eimer“ bauen könnten. Sie fragten sich, ob sie eine neue Technologie namens „additive Fertigung“ (was nur ein schicker Name für den 3D-Druck mit Metall ist) nutzen könnten, um einen Wärmetauscher – ein Gerät zur Übertragung von Kälte – zu bauen, der in einer Form gestaltet ist, die keine menschliche Hand jemals schnitzen könnte. Könnte eine 3-D-gedruckte, schwammartige Metallstruktur mehr von diesem entweichenden kalten Gas auffangen und nutzen, um das Teleskop schneller einzufrieren? Und falls dem so wäre, würde es Geld für den teuren flüssigen Stickstoff sparen, oder würde der schicke 3D-Drucker einfach zu viel kosten, um es sich zu lohnen?

Der 3D-gedruckte Schneefänger

In dieser Studie baute das Team eine Miniaturversion eines Kühlsystems für ein Teleskop, um ihre Ideen zu testen. Sie ließen drei verschiedene „Kühlmotoren“ gegeneinander antreten. Der erste war der Konventionelle Motor, der auf die alte Art hergestellt wurde: Zwei Kupferblöcke wurden ausgefräst, mit einem hochtemperaturfesten Lot (Löten) zusammengefügt und mit Kanälen für den flüssigen Stickstoff gefüllt. Die anderen beiden waren Additiv gefertigte (AM) Motoren, die von 3D-Druckern durch das Schichten von Metallpulver erstellt wurden. Einer wurde aus reinem Kupfer gedruckt, der andere aus einer superstarken Aluminiumlegierung namens Scalmalloy™.

Das Ziel war einfach: Zu sehen, wie schnell jeder Motor einen schweren Aluminiumblock (der ein Teleskopinstrument darstellt) auf die Zieltemperatur von 96 K (das sind etwa -177 °C) abkühlen konnte. Sie beobachteten auch, wie viel flüssigen Stickstoff jeder Motor „trank“, um die Aufgabe zu erledigen.

Die wichtigsten Ergebnisse

Das Ergebnis war ein klarer Sieg für den 3D-gedruckten Kupfermotor. Hier ist, was geschah:

• Geschwindigkeit: Der herkömmliche Kupfermotor benötigte 11.485 Sekunden (etwa 3 Stunden und 11 Minuten), um die Zieltemperatur zu erreichen. Der 3D-gedruckte Scalmalloy-Motor war schneller und benötigte 9.277 Sekunden. Aber der wahre Star war der 3D-gedruckte reine Kupfermotor, der den Rekord pulverisierte und das Ziel in nur 6.832 Sekunden (etwa 1 Stunde und 54 Minuten) erreichte. Das ist eine Reduktion der Zeit um 40,5 % im Vergleich zur alten Methode.
• Effizienz: Da der 3D-gedruckte Kupfermotor so schnell war, sparte er auch am meisten flüssigen Stickstoff. Er verbrauchte 35,3 % weniger Stickstoff als die konventionelle Einheit. Der Scalmalloy-Motor hingegen war ein gemischtes Ergebnis; er kühlte zwar schneller als das alte Modell, verbrauchte aber tatsächlich 11,8 % mehr Stickstoff.
• Das Geheimrezept: Warum war das 3D-gedruckte Kupfer so viel besser? Das Team gestaltete das Innere der 3D-gedruckten Teile mit einer „Gyroid“-Form – einem komplexen, sich windenden, schwammartigen Muster, das wie ein verdrehter Honigwaben-Struktur aussieht. Diese Form vergrößerte die Oberfläche, an der der flüssige Stickstoff sieden konnte, um 51 %. Stellen Sie sich vor, Sie wollen ein nasses Handtuch trocknen. Wenn Sie es einfach flach hinlegen, trocknet es langsam. Wenn Sie es zu einem Ball zusammenknüllen, trocknet es schneller, weil mehr des Stoffes der Luft ausgesetzt ist. Der 3D-Drucker ermöglichte es ihnen, einen „zusammengeknüllten“ Metallschwamm zu erschaffen, den die alten Maschinen unmöglich hätten schnitzen können, wodurch der Stickstoff viel härter und schneller arbeiten konnte.

Was ist mit dem anderen Motor?

Der Scalmalloy-Motor (Aluminium) zeigte, dass 3D-Druck kein magisches Allheilmittel für alles ist. Obwohl er viel leichter war – er reduzierte das Gewicht der Kühleinheit um 53,7 % – kühlte er nicht so effizient wie die Kupferversion. Er brauchte länger zum Abkühlen als der 3D-gedruckte Kupfermotor und verbrauchte mehr Stickstoff. Dies deutet darauf hin, dass 3D-Druck zwar großartig ist, um Dinge leichter zu machen, das Material, mit dem man druckt, aber genauso wichtig ist wie die Form.

Die Kostenfrage

Das Team untersuchte auch den Preis. Der 3D-gedruckte Kupfermotor kostete 57 % mehr in der Herstellung als das alte Modell, hauptsächlich weil das Drucken von reinem Kupfer noch ein neuer und teurer Prozess ist. Der Scalmalloy-Motor war tatsächlich 15,5 % günstiger in der Herstellung. Die Autoren weisen jedoch darauf hin, dass bei riesigen Teleskopen die Kosten für den Kauf der Maschine nur ein Teil der Geschichte sind. Die Kosten für den Betrieb (der Kauf von flüssigem Stickstoff und der Verlust an Beobachtungszeit während des Wartens auf die Abkühlung) sind enorm. Da der 3D-gedruckte Kupfermotor so viel Zeit und Stickstoff spart, schlagen die Autoren vor, dass sich die höheren Anschaffungskosten durch die Einsparungen bei den Betriebskosten schnell amortisieren könnten.

Ein paar Schwierigkeiten

Das Experiment war nicht perfekt. Das Team musste einen speziellen digitalen Sensor bauen, um den Flüssigstickstoffstand zu messen, da die kalten Temperaturen dazu führten, dass die Drähte der Standard-Sensoren schrumpften und falsche Messwerte lieferten. Sie stellten auch fest, dass der flüssige Stickstoff nicht perfekt glatt floss; er schwappte in den Rohren ein wenig hin und her, was dazu führte, dass die Pegelmessungen schwankten. Sie vermuten, dass das Hinzufügen einiger interner „Baffles“ (wie Trennwände in einer Badewanne) dies in Zukunft beheben würde.

Das Fazit

Diese Arbeit zeigt, dass der 3D-Druck von Metall-Wärmetauschern ein praktikables und leistungsfähiges Werkzeug für die Astronomie ist. Sie beweist, dass wir durch das Drucken komplexer, schwammartiger Formen die massiven wissenschaftlichen Instrumente viel schneller und mit weniger Verschwendung abkühlen können als mit den alten Methoden. Während die 3D-gedruckte Kupferversion die schnellste und effizienteste war, kam sie mit einem höheren Anschaffungspreis daher. Die Aluminiumversion war leichter, aber weniger effizient. Die Studie legt nahe, dass es für die Zukunft riesiger Teleskope den Aufwand wert sein könnte: Ein wenig mehr für den Bau eines klügeren Kühlers zu bezahlen, könnte in der Zukunft Unmengen an Geld sparen, indem es Wissenschaftlern ermöglicht, die Sterne früher zu sehen und weniger Treibstoff zu verbrauchen.