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