Een baanbrekende technologie waarmee NASA dicht opeengepakte instrumentelektronica en andere ruimtevaartuitrusting effectief kan koelen, wordt niet beïnvloed door gewichtloosheid, en kan worden gebruikt voor een toekomstige ruimtevluchtmissie.

Tijdens twee recente vluchten aan boord van Blue Origin's New Shepard-raket, Hoofdonderzoeker Franklin Robinson, een ingenieur bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en mede-onderzoeker Avram Bar-Cohen, een professor aan de Universiteit van Maryland, bewezen dat hun microgap-koeltechnologie niet alleen grote hoeveelheden warmte afvoerde, maar voerde deze uiterst belangrijke taak ook uit in omgevingen met lage en hoge zwaartekracht met bijna identieke resultaten.

De demonstraties, gefinancierd door NASA's Flight Opportunities-programma binnen het Directoraat Ruimtetechnologie, opent de deuren voor het gebruik van de technologie op een toekomstige ruimtevluchtmissie, zei Robinson. De technologische ontwikkeling werd ook ondersteund door het Center Innovation Fund van het bureau.

"Zwaartekrachteffecten vormen een groot risico bij dit soort koeltechnologie, Robinson zei. "Onze vluchten hebben bewezen dat onze technologie onder alle omstandigheden werkt. We denken dat dit systeem een ​​nieuw paradigma voor thermisch beheer vertegenwoordigt."

Met microgap koeling, warmte die wordt gegenereerd door dicht opeengepakte elektronica wordt verwijderd door een koelvloeistof te laten stromen - in dit geval een vloeistof genaamd HFE 7100 die geen elektriciteit geleidt - via ingebedde, rechthoekige microkanalen in of tussen warmtegenererende apparaten. Terwijl de koelvloeistof door deze kleine openingen stroomt, het kookt op de verwarmde oppervlakken, damp produceren. Dit tweefasenproces biedt een hogere warmteoverdracht, waardoor krachtige apparaten koel blijven en minder snel defect raken door oververhitting.

De geïntegreerde koelingsbenadering vertegenwoordigt een significante afwijking van de meer traditionele koelingstechnologieën. Met meer conventionele benaderingen, ontwerpers maken een 'plattegrond'. Ze houden de warmteopwekkende circuits en andere hardware zo ver mogelijk uit elkaar. De warmte reist naar de printplaat, waar het uiteindelijk naar een op een ruimtevaartuig gemonteerde radiator wordt geleid.

Oorspronkelijk ontworpen voor 3D-schakelingen

Robinson en Bar-Cohen begonnen ongeveer vier jaar geleden met de ontwikkeling van de microgap-technologie om ervoor te zorgen dat NASA kon profiteren van de volgende generatie 3D-schakelingen zodra deze beschikbaar kwamen.

In tegenstelling tot meer traditionele circuits, 3D-circuits worden gemaakt door letterlijk de ene chip op de andere te stapelen. Interconnects verbinden elk niveau met zijn aangrenzende buren, net zoals liften de ene verdieping met de andere verbinden in een wolkenkrabber. Met kortere bedrading die de chips verbindt, gegevens kunnen snel zowel horizontaal als verticaal worden verplaatst, bandbreedte verbeteren, rekensnelheid en prestaties, en dat alles terwijl het minder stroom verbruikt en minder ruimte in beslag neemt.

Ondanks zijn voordelen, 3D-circuits vormen een bijzondere uitdaging voor potentiële gebruikers, zowel op aarde als in de ruimte:hoe kleiner de ruimte tussen de circuits, hoe moeilijker het is om de hitte te verwijderen, prestatie in gevaar brengen door oververhitting. Omdat niet alle chips in contact staan ​​met een printplaat, traditionele koeltechnieken zouden niet werken met 3D-schakelingen. De opkomende technologie vermijdt dit probleem door koelvloeistof binnen en tussen de gestapelde circuits te laten lopen.

Hoewel oorspronkelijk ontworpen voor gebruik in 3D-schakelingen, microgap-koeling kan een groot aantal elektronische apparaten voor ruimtevluchten helpen, inclusief vermogenselektronica en laserkoppen. Zij, te, worden kleiner en hebben een effectief systeem nodig om warmte uit dicht opeengepakte ruimtes te verwijderen. "We zien een toepassing voor microgap-koeling in elk krachtig elektronisch apparaat dat in de ruimte wordt gebruikt, ' zei Robinson.

Voorafgaand aan de twee vluchten, Robinson en Bar-Cohen hadden hun koeltechnologie op verschillende oriëntaties in een laboratorium getest. Echter, ze moesten de werking van de technologie in de ruimte en onder verschillende zwaartekrachtomgevingen certificeren. Met de succesvolle demonstratie Robinson gelooft dat de koeltechnologie klaar is voor primetime. "Ik denk dat we nu op het juiste technologie-gereedheidsniveau zijn om embedded koeling in vluchtprojecten te implementeren, " hij zei.