Heat Pipes in der Raumfahrt

Heat Pipe: Prinzipskizze der Funktionsweise / Quelle: J.M. Maldonado, A. de Gracia, L.F. Cabeza, Systematic review on the use of heat pipes in latent heat thermal energy storage tanks, The Journal of Energy Storage 32:101733, DOI:10.1016/j.est.2020.101733, Dezember 2020

Heat Pipes ( auf Deutsch auch: Wärmerohre, aber jeder im Raumfahrtbereich benutzt den englischen Begriff) wurden schon in der Raumfahrt eingesetzt, als ich noch studierte, und das ist sehr lange her. Eine Raumsonde ist in der Regel ein thermisch gut isoliertes Objekt. Jede Komponente will innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs gehalten werden. Manchmal sind diese Bereiche sehr eng.

Ein Raumfahrzeug hat eine elektrische Energieversorgung, die Hunderte Watt an elektrische Energie für Verbraucher innerhalb des gut isolierten Hauptkörpers bereitstellt. Manche dieser Verbraucher sind Heizungen. Diese sollen Tanks, Batterien und andere kältempfindliche Bauteile wärmen.

Andere Verbraucher sind elektronische Komponenten, die Abwärme erzeugen. Diese Abwärme muss abgeführt werden, sonst kann die Elektronik überhitzen und Schaden nehmen. Dieses Problem kennen wir alle von unseren Computern. 

Wärmeabstrahlung und Radiatoren

Ein Raumfahrzeug bewegt sich im Weltraum, also im Vakuum. Man kann also nicht Wärme an die vorbeiströmende Umgebungsluft abgeben, wie man es bei Automotoren macht. Wärme kann nur durch Abstrahlung abgegeben werden. Dazu befinden sich an der Außenwand Radiatorflächen. Diese müssen stets so ausgerichtet sein, dass sie in den kalten Weltraum abstrahlen können. Sie dürfen sich also nicht auf den Flächen befinden, die von der Sonne beschienen werden. Man muss auch darauf achten, dass sich im “Blickfeld” der  Radiatoren nicht heiße Bauteile wie die Solargeneratoren befinden – ganz vermeiden lässt sich so etwas allerdings meistens nicht. 

Wie gesagt, der Korpus der Raumsonde oder des Satelliten ist gut isoliert. Es kommt wenig Wärme von draußen rein. Deswegen kann auch nur wenig Wärme raus. Eine Ausnahme sind die gerade erwähnten Radiatorflächen. Die Wärmequellen (alle Komponenten, die im Betrieb heiß werden können) müssen jetzt nur noch mit den Radiatoren verbunden werden, sodass die Wärme abfließen kann. 

Wärmeleitung über Heat Pipes

Theoretisch kann die Temperatur der Radiatoren höher als die der zu kühlenden Komponenten sein. Die Situation haben wir beispielsweise bei einem Kühlschrank. Dann allerdings wird der Wärmetransport kompliziert. Beim Kühlschrank braucht man einen Kreislauf mit einem Kompressor, der das Kältemittel unter Druck umlaufen lässt. Ein Kompressor verbraucht Strom, hat bewegte Teile und kann ausfallen. Das will man in einem Raumfahrtzeug meist nicht haben. 

Wenn die Radiatoren deutlich kühler bleiben als die gewünschten Betriebstemperaturen im inneren der Raumsonde, reichen passive Wärmeleiter. Das einfachste wäre ein Blech. Das wäre allerdings schwer und der Wärmedurchsatz wäre gering.

So kam man praktisch zwangsläufig zu Heat Pipes. Diese kombinieren einfachen Aufbau, hohe Zuverlässigkeit und passive Funktionsweise mit hohem Wärmedurchsatz.

Funktionsweise von Heat Pipes

Heat Pipes sind gasdicht abgeschlossene Rohre, die ein Arbeitsmedium enthalten. Dessen Verdampfungstemperatur sollte niedriger als die Betriebstemperatur der zu kühlenden Komponenten sein. Meist nimmt man Ammoniak. An der Wärmequelle verdampft das Medium, an der Wärmesenke kondensiert es. 

Heat Pipe: Prinzipskizze der Funktionsweise / Quelle: J.M. Maldonado, A. de Gracia, L.F. Cabeza, Systematic review on the use of heat pipes in latent heat thermal energy storage tanks, The Journal of Energy Storage 32:101733, DOI:10.1016/j.est.2020.101733, Dezember 2020
Heat Pipe: Prinzipskizze der Funktionsweise / Quelle: J.M. Maldonado, A. de Gracia, L.F. Cabeza, Systematic review on the use of heat pipes in latent heat thermal energy storage tanks, The Journal of Energy Storage 32:101733, DOI:10.1016/j.est.2020.101733, Dezember 2020

Man muss nur noch sicherstellen, dass ein Kreislauf aufrechterhalten wird. Auf der Erde ist das kein Problem. Das warme Gas steigt im Rohr nach oben und die kühle Flüssigkeit steigt abwärts. In einem Raumfahrzeug hat man aber Schwerelosigkeitsbedingungen. Da ist das nicht mehr ganz so einfach. Freie Konvektion gibt es dort nicht. Man muss etwas tun, um zu verhindern, dass sich auf der warmen Seite das Gas staut. Dieses würde am Ende genau so heiß werden wie die Komponente, die gekühlt werden soll. Dann könnte das Kühlmittel aber keine Wärme aufnehmen. Die Kühlung würde zusammenbrechen. 

Natürlich könnte man einen Kreislauf einsetzen, der mit einer Pumpe angetrieben wird. Aber wie gesagt, so etwas versucht man in der Raumfahrt nach Möglichkeit zu vermeiden, wenn es geht. Die flüssige Phase des Kühlmittels kann man auch räumlich von der gasförmigen  zu trennen, indem man eine Kapillarstruktur in das Rohr einbaut, also eine Art Docht.

Es gibt da verschiedene Bauweisen. Das Rohr kann beispielsweise innen mit vielen feinen, tiefen Rillen versehen werden. Oder aber, man kleidet es innen mit Metallwolle aus. Der flüssige Anteil des Kühlmittels, der an der Wärmesenke kondensiert ist, kriecht dann entlang der Kapillaren zur Wärmequelle zurück, während im kapillarfreien Hohlraum das gasförmige, an der Wärmequelle verdampfte Kühlmittel in die entgegengesetzte Richtung strömt.

Was muss man bei Heat Pipes beachten?

Ich erinnere mich noch an die Vorlesung Raumfahrttechnik 2 bei Professor Rex.

“… aber bitte bewahren Sie Folgendes im Kopf – Herr Khan! Würden auch Sie mir jetzt bitte ihre ungeteilte Aufmerksamkeit widmen? – Die Bedingungen in einer Raumsonde im Weltraum sind im Labor nicht zufriedenstellend abbildbar und alle tatsächlich auftretenden Einsatzfälle schon gar nicht. Man sollte also scharfe Umlenkungen nach Möglichkeit vermeiden und eine möglichst einfache Form der gesamten Heat Pipes bevorzugen. Von dreidimensionalen, vielfach gebogenen Gebilden rate ich ab!”

Fatal wäre es nämlich, wenn sich in einem engen Knie im Rohr die Flüssigkeit staut und das zu Gas verdampfte Kühlmittel nicht nicht mehr die Wärmesenke erreicht. Natürlich wird man wie die meisten Systeme in einem Raumfahrzeug auch die Heat Pipes redundant auslegen. Da aber auch dann meist noch beide Heat Pipes von einer Einheit, beispielsweise dem Hauptrechner oder der IMU zum Radiator führen müssen, werden sie in etwa dieselbe Formgebung aufweisen und dann gegebenenfalls auch dieselben Probleme mit sich bringen.

Meine Bitte an die jungen Leute ist dieselbe wie die von Professor Rex: Behalten Sie das im Hinterkopf.

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten Meinungen sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

2 Kommentare

  1. Wichtiges Thema: Heat Pipes kennt heute wohl fast jeder allein schon wegen ihrer Verwendung in (Personal) Computern.

    Für Raumfahrtanwendungen scheint ihre Langlebigkeit/Wartungsfreiheit, die Anwendbarkeit für fast alle Temperaturbereiche ( für jeden Temperaturbereich mit jeweils anderer Arbeitsflüssigkeit) und die Möglichkeit Heat Pipes bei Befarf auch grosse Distanzen zwischen Verdampfer und Kondenser überwinden zu können (im schwerelosen Raum besser erreichbar als auf der Erde), wichtig zu sein.

    Zwei instruktive Bilder/Beispiele zur Raumfahrt finden sich im Wikipedia-Artikel Heat pipe, im Abschnitt Applications/Space. Das erste Bild ist folgendermassen beschriftet:

    Wärmerohre von Raumfahrzeugen verwenden typischerweise eine gerillte Aluminiumextrusion als Hülle.

    Das zweite folgendermassen:

    Typisches genutetes Aluminium-Ammoniak-VCHP [variable Wärmeleitung] für die Raumfahrzeug-Thermosteuerung, mit dem Verdampferabschnitt unten und dem nicht kondensierbaren Gasreservoir direkt unter dem Ventil[21]

    • Ich wollte noch einmal ins Gedächtnis rufen, dass man die Abwesenheit der Schwerkraft und die Komplikationen, die das mit sich bringt (Abwesenheit von Konvektion, keine natürliche Strömung von Flüssigkeiten) immer berücksichtigen muss.

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