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

De Kosmische Ijsjesparadox

Stel je voor dat je een gigantische, gevoelige camera voor een ruimtetelescoop probeert te bevriezen. Dit is niet zomaar een camera; deze is ontworpen om de zwakste fluisteringen van licht uit de geboorte van het universum te zien. Om zijn werk te kunnen doen, moeten de ingewanden van de camera kouder zijn dan de diepste winter in Antarctica. Als het zelfs maar een klein beetje warm wordt, krijgt de camera "ruis" en kan hij de sterren niet meer zien.

Om deze camera koud te krijgen, gebruiken astronomen een speciale truc: ze gieten vloeibare stikstof over de camera. Denk aan vloeibare stikstof als een supergekoelde, onzichtbare sneeuw die onmiddellijk kookt wanneer het iets warms raakt. Terwijl het kookt, verandert het in gas en steelt het de warmte weg, waardoor de camera rillend van de kou achterblijft. Maar hier komt de adder onder het gras: bij de oude manier van werken is deze kokende sneeuw een beetje verspillend. Het is alsof je probeert een kamer te koelen door een enkele ijsklont in een emmer water te gooien en te hopen dat de hele emmer bevriest. De meeste van de koude energie ontsnapt gewoon naar de lucht als gas, zonder ooit daadwerkelijk contact te maken met het ding dat je wilt bevriezen.

Dit is waar het verhaal interessant wordt. Wetenschappers van het UK Astronomy Technology Centre wilden weten of ze een betere "ijs-emmer" konden bouwen. Ze vroegen zich af of ze een nieuwe technologie genaamd "additive manufacturing" (wat gewoon een chique manier is om te zeggen: 3D-printen met metaal) konden gebruiken om een warmtewisselaar te bouwen — een apparaat dat kou overdraagt — die op een manier is gevormd die geen menselijke hand ooit zou kunnen uithakken. Zou een 3D-geprinte, sponsachtige metaalstructuur meer van die ontsnappende koude gas kan opvangen en het de telescoop sneller kan laten bevriezen? En als ze dat deden, zou het dan geld besparen op de dure vloeibare stikstof, of zou de hippe 3D-printer gewoon te veel kosten om het waard te zijn?

De 3D-Geprinte Sneeuwvanger

In dit onderzoek bouwde het team een miniatuurversie van een koelsysteem voor een telescoop om hun ideeën te testen. Ze organiseerden een race tussen drie verschillende "koelmotoren". De eerste was de Conventionele Motor, op de ouderwetse manier gemaakt: twee blokken koper werden uitgesneden, aan elkaar gelijmd met een hoogtemperatuur-soldeer (brazen), en gevuld met kanalen voor de vloeibare stikstof. De andere twee waren Additively Manufactured (AM) Motoren, gecreëerd door 3D-printers die metaalpoeder in lagen aanbrachten. Eén was geprint in puur koper, en de andere in een supersterke aluminiumlegering genaamd Scalmalloy™.

Het doel was simpel: kijken hoe snel elke motor een zwaar blok aluminium (dat een instrument van de telescoop voorstelt) kon afkoelen tot een doeltemperatuur van 96 K (wat ongeveer -177°C is). Ze hielden ook bij hoeveel vloeibare stikstof elke motor "at" om de klus te klaren.

De Grote Bevindingen

De resultaten waren een duidelijke overwinning voor de 3D-geprinte koperen motor. Dit is wat er gebeurde:

• Snelheid: De ouderwetse koperen motor deed er 11.485 seconden (ongeveer 3 uur en 11 minuten) over om de doeltemperatuur te bereiken. De 3D-geprinte Scalmalloy-motor was sneller en deed er 9.277 seconden over. Maar de echte superster was de 3D-geprinte pure koperen motor, die het record verbrak en de temperatuur bereikte in slechts 6.832 seconden (ongeveer 1 uur en luat minuten). Dat is een reductie van 40,5% in tijd vergeleken met de oude methode.
• Efficiëntie: Omdat de 3D-geprinte koperen motor zo snel was, bespaarde deze ook de meeste vloeibare stikstof. Hij gebruikte 35,3% minder stikstof dan de conventionele eenheid. De Scalmalloy-motor was echter een beetje een wisselvallig verhaal; hij koelde sneller dan de oude, maar gebruikte eigenlijk 11,8% meer stikstof.
• Het Geheime Recept: Waarom was het 3D-geprinte koper zoveel beter? Het team ontwierp de binnenkant van de 3D-geprinte onderdelen met een "gyroid"-vorm — een complexe, draaiende, sponsachtige structuur die lijkt op een gedraaide honingraat. Deze vorm vergrootte het oppervlak waar de vloeibare stikstof kon koken met 51%. Stel je voor dat je een natte handdoek probeert te drogen. Als je hem plat neerlegt, droogt hij langzaam. Als je hem tot een prop samenknijpt, droogt hij sneller omdat er meer van de stof aan de lucht wordt blootgesteld. De 3D-printer stelde hen in staat om een "geknepen" metalen spons te creëren die de oude machines onmogelijk konden uithakken, waardoor de stikstof veel harder en sneller kon werken.

Wat over de andere motor?

De Scalmalloy (aluminium) motor liet zien dat 3D-printen geen wondermiddel is voor alles. Hoewel hij veel lichter was — de massa van de koelunit met 53,7% verminderde — was hij minder efficiënt in het koelen dan de koperen versie. Hij deed er langer over om af te koelen dan de koperen 3D-print en gebruikte meer stikstof. Dit suggereert dat hoewel 3D-printen geweldig is voor het maken van lichtere objecten, het materiaal waarmee je print net zo belangrijk is als de vorm.

De Kostenvraag

Het team keek ook naar de prijs. De 3D-geprinte koperen motor kostte 57% meer om te maken dan de oude, grotendeels omdat het printen van puur koper nog een nieuw en duur proces is. De Scalmalloy-motor was zelfs 15,5% goedkoper in productie. De auteurs wijzen er echter op dat voor gigantische telescopen de kosten van het kopen van de machine slechts een deel van het verhaal zijn. De kosten van het gebruik (het kopen van vloeibare stof en het verliezen van observatietijd terwijl men wacht op afkoeling) zijn enorm. Omdat de koperen 3D-geprinte motor zoveel tijd en stikstof bespaart, suggereren de auteurs dat de extra kosten voor de bouw snel terugverdiend kunnen worden door de besparingen in de operationele kosten.

Een Paar Hobbels

Het experiment was niet perfect. Het team moest een speciale digitale sensor bouwen om het niveau van de vloeibare stikstof te meten, omdat de extreem lage temperaturen ervoor zorgden dat de draden van standaard sensoren krompden en foutieve metingen gaven. Ze merkten ook op dat de vloeibare stikstof niet perfect soepel stroomde; het klotste een beetje in de leidingen, waardoor de niveaumetingen op en neer sprongen. Ze vermoeden dat het toevoegen van enkele interne "baffles" (zoals verdelers in een badkuip) dit in de toekomst zou oplossen.

De Kern van het Verhaal

Dit artikel laat zien dat 3D-printen van metalen warmtewisselaars een levensvatbaar en krachtig hulpmiddel is voor de astronomie. Het bewijst dat we door complexe, sponsachtige vormen te printen, enorme wetenschappelijke instrumenten veel sneller en met minder verspilling kunnen afkoelen dan met de oude methoden. Hoewel de 3D-geprinte koperen versie de snelste en meest efficiënte was, kwam deze met een hogere initiële prijs. De aluminium versie was lichter maar minder efficiënt. De studie suggereert dat voor de toekomst van gigantische telescopen de afweging de moeite waard kan zijn: door nu iets meer te betalen voor een slimmere koeler, kan men op de lange termijn een fortuin besparen door wetenschappers eerder de sterren te laten zien en minder brandstof te laten gebruiken.