CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
h) Sưởi ấm và giả mô nhiễm
Chất lỏng nanô có thể được áp dụng trong việc xây dựng hệ thống sưởi ấm. Kulkarni và cộng sự [53] đã đánh giá việc thực hiện hệ sưởi ấm ở các vùng lạnh sử dụng chất lỏng nanô. Ở các vùng lạnh, người ta sử dụng ethylene glycol hoặc propylene glycol pha với nước theo tỷ lệ khác nhau như một chất lỏng truyền nhiệt. Thông thường chất lỏng nền được sử dụng là ethylene glycol pha với nước theo tỷ lệ 60:40 về trọng lượng. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng chất lỏng nanô trong bộ trao đổi nhiệt có thể làm giảm lưu lượng thể tích và khối lượng, từ đó giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng bơm. Chất lỏng nanô giúp hệ thống sưởi ấm nhỏ hơn nhưng tương đương với hệ thống sưởi ấm lớn hơn mà lại ít tốn kém [54-56]. Điều này làm giảm chi phí thiết kế ban đầu, không tính đến chi phí chất lỏng nanô. Hơn nữa, việc sử dụng chất lỏng nanô cũng sẽ làm giảm ô nhiễm môi trường, vì các bộ phận truyền nhiệt nhỏ hơn với ít chất lỏng hơn sẽ giúp giảm vật liệu phế thải vào cuối vòng đời của hệ [57-58].
Bảng 1.3. Diện tích bề mặt sưởi ấm giảm khi pha thêm hạt nanô Kulkarni và cộng sự 6% oxit đồng 6% oxit nhôm 6% silicon dioxide % diện tích giảm 20.37 17.3 8.5
1.3. Chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho vệ tinh
Vệ tinh nhân tạo là thiết bị đòi hỏi sự khắt khe trong quá trình quản lý nhiệt để đảm bảo vệ tinh hoạt động trong môi trường nhiệt ổn định, bền bỉ, qua đó nâng cao hiệu quả cũng như độ bền tuổi thọ cho vệ tinh. Cụ thể, khi hoạt động trên quỹ đạo, vệ tinh sẽ phải chịu đựng môi trường không gian khắc nghiệt: bề mặt vệ tinh hướng về phía trái đất sẽ có nhiệt độ thấp, trong khi ở mặt đối diện hướng về phía mặt trời sẽ có nhiệt độ cao. Theo chu kỳ thời gian, nhiệt độ của một vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo không gian có thể dao động trong khoảng từ -170oC đến 130oC [59]. Bên cạnh đó các thiết bị điện tử nói chung và vệ tinh nói riêng sẽ chỉ hoạt động hiệu quả ở một dải nhiệt độ nhất định. Một số linh kiện điện tử bên trong vệ tinh sẽ tỏa nhiệt trong quá trình hoạt động (như vi xử lý), một số linh kiện khác cần được sưởi ấm (như camera, cảm biến, và các thiết bị đo đạc hướng về phía trái đất). Vì vậy mà việc giữ cho các thiết trên vệ tinh hoạt động trong dải nhiệt độ cho phép là điều rất quan trọng. Điều này có thể thực hiện bằng việc dẫn nhiệt từ vùng nóng sang vùng lạnh: vùng nóng giảm nhiệt và vùng lạnh tăng nhiệt. Để thực hiện nhiệm vụ này có nhiều phương pháp khác nhau, như phương pháp quản lý nhiệt bị động, phương pháp heat pipe, sử dụng vật liệu thay đổi trạng thái, và phương pháp sử dụng chất lỏng dẫn nhiệt tuần hoàn [60]. Luận án này hướng đến việc giải quyết bài toán quản lý nhiệt sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần vật liệu nanô để quản lý nhiệt hiệu quả hơn cho vệ tinh.
Cùng với sự phát triển của công nghệ nanô, trong những năm gần đây vật liệu Cácbon cấu trúc nanô với nhiều tính chất ưu việt đã trở thành đối tượng được giới khoa học tập trung nghiên cứu và cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn. Những kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu CNTs và Graphene (Gr) là loại vật liệu có độ dẫn nhiệt rất cao, với kCNT ~ 2.000 – 3.000 W/mK và kGr ~ 5.000 W/m.K. Nói cách khác, vật liệu Cácbon cấu trúc nanô (bao gồm Graphene, CNTs) là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao nhất được biết đến hiện nay và trở thành loại vật liệu có tiềm năng lớn trong các ứng dụng về quản lý nhiệt [61, 62].
Trong những năm qua, chất lỏng chứa thành phần nanô đã trở thành một đối tượng nghiên cứu được giới khoa học đặc biệt quan tâm nhằm nâng cao hiệu quả cũng như cải thiện hiệu suất cho hệ thống quản lý nhiệt. Chất lỏng nanô có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống quản lý nhiệt của nhiều loại linh kiện và thiết bị khác nhau như: linh kiện điện tử công suất lớn, động cơ, các thiết bị công nghiệp, nhà máy điện, v.v... Với những tính chất nhiệt ưu việt của CNTs và Graphene như đã đề cập đến ở trên, các chất lỏng khi đưa thêm thành phần vật liệu cácbon cấu trúc nanô sẽ có hệ số dẫn nhiệt cao và cải thiện nhiều tính chất cơ lý khác [63].
Việc nâng cao hiệu quả quản lý nhiệt cho vệ tinh không những giúp cho các linh kiện và thiết bị điện tử trên vệ tinh hoạt động ổn định, hiệu quả mà còn giúp vệ tinh nâng cao độ bền tuổi thọ và kéo dài thời gian hoạt động của vệ tinh trên không gian [64], từ đó giúp tiết kiệm chi phí cho nhà sản xuất.
1.3.1. Tổng quan về quản lý nhiệt cho vệ tinh
Vệ tinh nhân tạo là một vật thể không người lái bay quanh trái đất được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như: thông tin liên lạc, quan sát trái đất, dự báo thời tiết, dẫn đường, khám phá không gian và các hành tinh. Tùy thuộc vào giá thành và nhiệm vụ cụ thể mà vệ tinh sẽ được thiết kế với sự khác nhau về khối lượng, kích thước, độ cao quỹ đạo… Phụ thuộc vào khối lượng mà vệ tinh được phân loại ra thành: vệ tinh lớn (> 1.000 kg), vệ tinh trung bình (500-1.000 kg), vệ tinh nhỏ (dưới 500 kg). Đối với vệ tinh bay quanh trái đất, tùy thuộc vào độ cao mà có thể phân chia ra làm 3 loại quỹ đạo: quỹ đạo thấp (LEO: 160 km đến 2.000 km), quỹ đạo trung bình (MEO: 2.000 km đến 35.786 km), và quỹ đạo cao (HEO: trên 35.786 km). Ở độ cao 35.786 km là quỹ đạo địa tĩnh nơi mà vệ tinh luôn có vị trí tương đối cố định đối với 1 điểm trên bề mặt trái đất [65].
Điều khiển nhiệt trên vệ tinh là quá trình kiểm soát nhiệt độ bên trong và trên bề mặt vệ tinh, trong đó điều kiện môi trường bên ngoài đóng 1 vai trò rất quan trọng. Các vệ tinh nhỏ (dưới 500kg) thường hoạt động ở quỹ đạo thấp (từ 160 km đến 2.000 km), có độ cao không đáng kể so với bán kính trái đất, và trường nhìn của vệ tinh chỉ là 1 phần rất nhỏ của bề mặt trái đất tại một thời điểm bất kỳ. Do vậy trong quá trình di chuyển, vệ tinh sẽ trải qua những điều kiện khí hậu khác nhau ở những vùng khác nhau như: biển, đất liền, tuyết, sa mạc hay nhiều mây bao phủ. Sự
thay đổi lớn của điều kiện môi trường bên ngoài trong một thời gian ngắn này là yếu tố ảnh hưởng lớn đến những thiết bị ở phía ngoài của vệ tinh như các tấm pin mặt trời hay các bộ quản lý nhiệt. Các thiết bị ở bên trong vệ tinh (được cách nhiệt tốt) tuy không bị ảnh hưởng nhiều, nhưng việc bộ quản lý nhiệt không hoạt động đúng trong dải nhiệt độ quy định có thể dẫn đến nhiệt độ bên trong vệ tinh vượt quá mức cho phép, hay thiếu năng lượng cung cấp cho vệ tinh nếu pin mặt trời không hoạt động theo đúng dải nhiệt độ [66].
Quá trình điều khiển nhiệt trên vệ tinh thường được thực hiện bằng cách cân bằng nhiệt phát ra bởi vệ tinh trong quá trình các thiết bị hoạt động và tương tác với môi trường bên ngoài (do không có các phân tử khí nên không có quá trình đối lưu). Trên hình 1.16 là một tấm phim và một nhiệt điện trở được dùng để quản lý nhiệt cho vệ tinh nhỏ. Tấm phim có các sợi dây đồng ở phía trong, và khi một dòng điện được cung cấp, các sợi dây đồng sẽ nóng lên và làm ấm các linh kiện của vệ tinh.
Hình 1.16. Tấm sưởi và nhiệt điện trở dùng trong quản lý nhiệt thụ động cho vệ tinh cỡ nhỏ
Một ưu điểm của tấm phim này là độ dẻo nên có thể được uốn quanh các linh kiện điện tử như camera để đảm bảo quá trình làm ấm linh kiện được diễn ra đồng đều hơn. Nhiệt điện trở có điện trở thay đổi được tùy thuộc vào môi trường xung quanh. Do vậy mà nếu nhiệt độ của thiết bị trở nên quá nóng, điện trở của nhiệt điện trở sẽ tăng lên, từ đó ngắt hoặc giảm thiểu dòng đến thiết bị và do vậy có thể làm giảm nhiệt độ của thiết bị. Ngoài ra, còn có một linh kiện khác cũng hay được sử dụng là nhiệt trở, mà có thể phát ra nhiệt để làm ấm cho các linh kiện trong vệ tinh.
Tùy thuộc vào dải độ cao hoạt động khác nhau mà sẽ có các yếu tố môi trường khác nhau ảnh hưởng đến nhiệt độ của vệ tinh. Các yếu tố đặc trưng nhất sẽ ảnh hưởng đến vệ tinh ở quỹ đạo thấp là: bức xạ mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trời phản xạ xuống bề mặt trái đất, và bức xạ của trái đất phát ra. Ngoài ra, trong quá
trình phóng hay đối với những vệ tinh hoạt động ở độ cao cực thấp (dưới 200 km), còn có thêm hiệu ứng nhiệt do ma sát với các phân tử chuyển động tự do (do gia tốc lớn trong quá trình phóng và do ở độ cao thấp, số lượng phân tử chuyển động tự do là nhiều). Do đó những vệ tinh này thường sẽ cần thêm một động cơ nhỏ gắn kèm để phục hồi vệ tinh về độ cao hoạt động sau một thời gian.
Hình 1.17. Công nghệ chụp ảnh SAR và LCTF cho vệ tinh cỡ nhỏ a) Nhiệt từ bức xạ mặt trời trực tiếp
Bức xạ mặt trời là nguồn nhiệt lớn nhất ảnh hưởng đến những vệ tinh hoạt động ở quỹ đạo của trái đất. Không như các nguồn nhiệt khác, đây là loại nguồn nhiệt có tính ổn định cao. Ngay cả khi xảy ra chu kỳ hoạt động 11 năm của mặt trời, bức xạ thay đổi cũng chỉ ở mức dưới 1%. Tuy nhiên, có 2 yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt lượng vệ tinh nhận được từ nguồn này. Thứ nhất là về mặt thời gian, ví dụ như vào ngày hạ chí, nhiệt lượng trái đất nhận được sẽ là ít nhất (1.322 W/m2), và nhiều nhất vào ngày đông chí (1.414 W/m2). Yếu tố thứ 2 đó là bước sóng (7% năng lượng phân bố ở vùng tia cực tím, 46% năng lượng phân bố ở vùng ánh sáng nhìn thấy, 47% năng lượng phân bố ở vùng tia hồng ngoại). Một điểm rất quan trọng đó là đối với 47% năng lượng ở dải hồng ngoại, nhiệt lượng phát ra bởi mặt trời có bước sóng ngắn hơn rất nhiều so với nhiệt lượng phát ra của một vật ở gần nhiệt độ phòng (là nhiệt độ hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh). Chính vì đặc điểm này nên ta có thể chọn vật liệu điều khiển nhiệt có hệ số phản xạ cao ở bước phát xạ của mặt trời nhưng đồng thời vật liệu đó cũng có thể có hệ số phát xạ cao ở bước sóng ở gần nhiệt độ phòng của các thiết bị hoạt động trên vệ tinh.
b) Nhiệt từ bức xạ mặt trời phản xạ lại bề mặt trái đất (Albedo)
Albedo thường được tính toán bằng cách lấy tỷ lệ của bức xạ phản xạ trở lại không gian trên bức xạ tới một đơn vị diện tích. Tuy nhiên, do độ phản xạ phụ
thuộc lớn vào môi trường ở bề mặt trái đất, Albedo cũng thay đổi rất nhiều. Ví dụ, các bề mặt màu trắng như tuyết và băng có Albedo cao, nghĩa là chúng phản xạ hầu hết bức xạ mặt trời lại không gian, trong khi các khu vực xanh có nhiều cây cối hoặc đồng ruộng có Albedo thấp hơn, nên giữ lại hầu hết nhiệt của bức xạ mặt trời. Do vậy mà với ngay cả cùng một khu vực, Albedo cũng có thể thay đổi theo mùa khi mùa đông bề mặt của vùng đó có thể bị bao phủ nhiều hơn bởi băng hoặc tuyết. Ngoài ra, độ phản xạ cũng tăng khi: góc ngẩng của mặt trời giảm, hay khi độ bao phủ của mây tăng, hoặc vĩ độ quan sát tăng. Một điểm quan trọng nữa đó là lượng Albedo mà vệ tinh nhận được sẽ giảm khi vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo và rời xa khỏi vị trí mà mặt trời ở trên đỉnh đầu (Mặc dù chỉ số Albedo tại điểm đó trên mặt đất là không đổi).
Hình 1.18. Những nhân tố chính ảnh hưởng đến nhiệt độ của vệ tinh c) Bức xạ của trái đất phát ra
Phần nhiệt lượng thu được từ bức xạ mặt trời nhưng không phản xạ trở lại dưới dạng Albedo sẽ làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất và sau đó sẽ phát ra dưới dạng năng lượng hồng ngoại. Bức xạ phát ra của trái đất có thể thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ cụ thể của một điểm trên bề mặt trái đất và lượng mây bao phủ (nhiều mây làm giảm bức xạ của trái đất mà vệ tinh nhận được, tuy nhiên lại tăng hệ số phản xạ đối với bức xạ mặt trời). Nhìn chung thì những sa mạc ở vùng nhiệt đới sẽ có hệ số bức xạ của trái đất cao nhất và giảm khi vĩ độ tăng dần. Nhiệt lượng ở vùng hồng ngoại mà trái đất phát ra tương đương với 1 vật ở nhiệt độ -18oC, gần xấp xỉ
với bước sóng phát ra bởi vệ tinh, dài hơn rất nhiều so với bước sóng phát ra bởi mặt trời ở 5.500oC. Không giống như bức xạ của mặt trời, bức xạ của trái đất không thể bị phản xạ bởi bề mặt của bộ quản lý nhiệt, bởi nếu làm như vậy thì cũng sẽ ngăn nhiệt lượng phát ra từ bên trong vệ tinh thoát ra khỏi vệ tinh (do có cùng một bước sóng). Vì vậy nhiệt lượng phát ra bởi bề mặt trái đất sẽ chiếm 1 tỷ trọng lớn trong việc làm tăng nhiệt độ của bộ quản lý nhiệt đối với vệ tinh hoạt động ở quỹ đạo thấp.
Có một điểm đáng chú ý là do nhiệt độ của vệ tinh khi hoạt động thường cao hơn nhiệt độ của trái đất, nên nhiệt lượng sẽ chuyển từ vệ tinh xuống trái đất chứ không phải theo hướng ngược lại. Tuy nhiên, trong quá trình phân tích, người ta thường bỏ qua sự có mặt của trái đất, coi như cả 360o quanh vệ tinh đều là môi trường không gian. Sau đó sự khác biệt về nhiệt lượng hồng ngoại phát ra và thu vào sẽ được coi như phần nhiệt lượng hồng ngoại mà trái đất phát ra.
d) Ma sát với các phân tử chuyển động tự do (FHM)
Loại nhiệt lượng này gây ra khi vệ tinh ma sát với các phân tử chuyển động tự do. Đối với hầu hết các vệ tinh, hiện tượng FHM thường xảy ra trong quá trình lên cao của vệ tinh khi mà 1 trong các bình nhiên liệu được tách ra. Thời điểm tách phải được tính toán phù hợp để giảm thiểu khối lượng vô ích mang theo càng sớm càng tốt nhưng đồng thời cũng phải ở một độ cao phù hợp nơi mà các phân tử khí có mật độ ít để tránh làm tăng nhiệt độ của vệ tinh quá mức.
e) Các phương pháp quản lý nhiệt cho vệ tinh
Quản lý nhiệt cho vệ tinh là vấn đề rất được quan tâm trong quá trình thiết kế và chế tạo vệ tinh. Để giải quyết bài toán quản lý nhiệt cho vệ tinh, hiện nay người ta sử dụng nhiều phương pháp kỹ thuật khác nhau. Kỹ thuật điều khiển nhiệt trên vệ tinh có thể phân ra thành điều khiển nhiệt chủ động (ATC) và điều khiển nhiệt thụ động (PTC) [66]:
- PTC: không bao gồm các bộ phận có thể di chuyển. Nhiệt độ các thành phần của vệ tinh có thể được giữ trong khoảng hoạt động thích hợp bằng cách điều khiển nhiệt thoát ra của các thành phần của vệ tinh thông qua dẫn nhiệt. Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu thêm điện năng từ vệ tinh, vốn đã khá hạn chế trong tổng lượng điện năng sản xuất ra được (chỉ thông qua pin mặt trời). Hơn nữa, phương pháp điều khiển nhiệt thụ động cũng không yêu cầu mạch hay thiết bị
điều khiển, vì vậy mà thể tích chiếm dụng của hệ bên trong vệ tinh là nhỏ, không ảnh hưởng đến thiết kế chung của vệ tinh. Tuy nhiên, nhược điểm của PTC là không thể hoạt động trong các môi trường quá khắc nghiệt hoặc đối với các thành phần sản sinh ra nhiệt quá lớn. Sau đây là một số thiết bị quản lý nhiệt bị động phục