宇宙でのより良い生活のための次世代二酸化炭素除去技術の設計
NASA は熱モデリングと実験テストを組み合わせて, 国際宇宙ステーションの空気を呼吸可能な状態に保つシステムに最適なコンプレッサー設計を見つけています. Fanny Griesmer 著
2024年8月
国際宇宙ステーション (ISS) が居住可能になったのは, 大気中の二酸化炭素 (CO2) を捕獲して除去するシステムのおかげです. そのシステム内で主力となるのはコンプレッサーで, CO2 捕獲の役割を果たしますが, 騒音が大きく, 頻繁なメンテナンスが必要なという代償があります. NASA のエンジニアは, モデリングとシミュレーションを実験テストと組み合わせて, より静かに, メンテナンスの必要性が少なく, 製造コストが低い次世代のコンプレッサーを設計しました.
汚染物質除去技術により宇宙飛行士は ISS で呼吸できる
ISS での生活と作業に申し込んだ宇宙飛行士は, キャビンから CO2 を除去する汚染物質除去技術の背後にいるエンジニアに大きな信頼を置いています (図1). “現在, 二酸化炭素除去アセンブリ (CDRA) と呼ばれるシステムがあります” と, NASA の Ames Research Center の航空宇宙システムエンジニアである Hannah Alpert 博士は説明します.
“CDRA は二酸化炭素を吸収してキャビンから除去します. その後, その二酸化炭素は Sabatier 反応器に送られ, 酸素生成システムからの水素と混合されて水が生成されます” と彼女は続けます. その水は宇宙飛行士の飲料水として供給されます. このシステムではメタンも生成され, 宇宙に送り出されます (図2を参照). “この閉ループシステムは宇宙飛行士の生命維持に使用されますが, 二酸化炭素が Sabatier 反応器で機能するには, 吸収される圧力よりも高い圧力にする必要があります. そのため, CDRA と Sabatier 反応器の間にコンプレッサーを設置しています” と Alpert 博士は述べています. CDRA は現在, 新しい4ベッド分子蒸気システム (4ベッド CO2 スクラバー, 略して 4BCO2) にアップグレード中です.
Alpert 博士は, 新しいシステムは CDRA の信頼性と性能を向上させることを目的としており, さまざまな変更を加えています, と説明します. まず, CO2 の回収に使用していた吸着剤が古くなったため, 交換する必要がある. さらに, 一部の部品を再設計しました. “長方形のベッドから円筒形に切り替え, ヒーターコアを再設計して吸着剤をよりよく分散させ, 隙間をなくし, ほこりを捕らえるフィルターと新しいバルブを追加して動作寿命を延ばしています” と Alpert 博士は説明します. とはいえ, Alpert 博士のチームが取り組んでいるコンプレッサーと 4BCO2 を統合する方法に関する基本的な機能は, 基本的に現在のシステムと同じです.
コンプレッサーの再設計
現在のシステムは, 質量と電力が大きい機械式コンプレッサーを特徴としており, 騒音が大きくなっています. 多くの機械式回転部品は頻繁にメンテナンスが必要で, 全体として製造と運用の両方にコストがかかります. “そのため, 私たちはいくつかの代替技術を検討しており, その有力な選択肢の1つは, 空冷式温度スイング吸着コンプレッサー (AAC-TSAC) です” と Alpert 博士は述べています.
新しいタイプのコンプレッサーは, ISS に多くの利点をもたらすことが期待されています. “AC-TSAC は質量と電力要件が低く, 騒音がはるかに少ないため, ISS の宇宙飛行士にとって煩わしくありません. 回転部品がないため, 部品の交換頻度が減ることが期待されます. さらに, 製造コストが低く, 製造も簡単です” と Alpert 博士は説明しました.
AC-TSAC は, CO2 を捕捉するゼオライトペレットと呼ばれる鉱物が充填されたベッドで, 室温でより効率的に CO2 を吸着します. CO2 を加圧するための150分間の完全なサイクルは次のとおりです. AC-TSAC は室温まで冷却されて CO2 を吸着し, 次に加熱されて CO2 を放出し, それによってキャニスター内の圧力が上昇します. 次に, 加圧された CO2 は Sabatier 反応器に送られ, そこで水に変えられます. 冷却期間は約60分かかり, 加熱にはさらに25分かかり, その後約75分間加熱段階にとどまります. CO2 が Sabatier 反応器に継続的に供給されるように, AC-TSAC は2つのベッドに分割され, 1つのベッドが加熱および吸着段階にあり, もう1つのベッドが冷却および生成段階にあり, その後切り替わります (図3).
チームはすでに AC-TSAC の1つのバージョンを開発しており, 現在は熱モデリングを使用して設計をさらに改善しています.
熱モデリングは次世代の設計選択に役立つ
他のプロジェクトで以前行ったように, Alpert 博士は COMSOL Multiphysics® シミュレーションプラットフォームを使用して, 現在の AC-TSAC 設計のモデルを構築しました. “過去数年間, COMSOL® が非常に役立つことがわかりました. NASA に入社して最初に取り組んだプロジェクトの1つは, Mars 2020 のヒートシールドに搭載された熱流束ゲージのモデリングでした. 最近では, 最適化モジュールを使用して, 埋め込まれた熱電対の温度を使用してヒートシールドの表面熱流束を再構築しています” と Alpert 博士は述べています.
コンプレッサープロジェクトでは, モデルの3Dバージョンと2Dバージョンの両方を構築し, どちらも目的にかなう結果が得られたため, 実行時間が短い2Dモデルに移行しました. モデル (図4) に示されているように, AC-TSAC の内部には中央に3つの棚があり, 空きスペースにゼオライトペレットが詰められています. 各棚の間には, ベッドを加熱するための抵抗加熱プレートがあります. 冷却流路により, 冷却段階で空気が流れます.
実世界テストによるモデルの検証
モデルを検証するために, チームは AC-TSAC で行われた2つのテストキャンペーンの温度と電力の測定値を使用しました. Alpert 博士は, “最初のテストキャンペーンは, 2022年10月に NASA マーシャルで2つのベッドの機能テストでした. その後, NASA Ames でより集中的なテストキャンペーンを実施し, 1つのベッドのみを使用して正確な特性をより分離しました” と述べています.
NASA マーシャルテスト中, 彼らはヒーター表面の特定の場所に抵抗温度検出器を配置して温度を測定しました. そこから, 測定された温度をモデルの境界条件の1つとして使用し, モデルを実行して, モデル化された温度が実験データと一致するかどうかを確認しました. 結果は非常によく一致し, Alpert 博士と彼女のチームはモデルに最初の自信を持ちました (図5). 同様に, ベッドに入力される電力に関しても, チームは実験データをモデルと一致させることができました. このテストでは, サイクルの加熱段階のみを調べました.
次に, 適用される電力の信頼性を高めるために, チームは NASA Ames で集中テストを実施しました. このテストでは, 単一のベッドのみをテストし, ヒーター表面と吸着剤ノードから実験データを収集しました. この場合, 測定された電力をモデルへの入力として使用し, モデル内のヒーターノードと吸着剤ノードの温度を測定しました. モデルとテスト結果を比較すると, データの間に良好な重複が見られました (図6).
検証済みのモデルを手にした Alpert 博士と彼女のチームは, さまざまな設計変更がコンプレッサーの加熱と加熱速度にどのように影響するかを分析する準備が整いました.
トレードオフの解析
最高の新設計を模索する一環として, チームは4つの具体的な設計トレードオフの解析をしました. 内部ヒーターと外部ヒーター, アルミニウムベッドと蒸気室, 長方形ベッドと円筒ベッド, コンパートメントの総数です. 全体的な目標は, すぐに高温に達し, ランプアップ中にベッド全体の温度が均一になることです.
内部ヒーターと外部ヒーター
“私たちが最初に検討した設計上のトレードオフは, 内部ヒーターからの切り替えでした. 現在, 内部ヒーターはベッドの中央にあり, これらの内部抵抗ヒーターは潜在的な故障点です. ベッドには多くの配線が通っており, 配線とヒーターの複雑で乱雑な束になっています” と Alpert 博士は述べています. これにより, チームは, これらのヒーターをベッドの外側に移動できるかどうか, また, それによって吸着剤を迅速かつ均一に加熱できるかどうか疑問に思いました. Alpert 博士のモデルを使用して, 内部ヒーターと外部ヒーターに電力を供給し, 加熱速度と均一性を比較しました (図7).
“ここでわかったのは, 内部ヒーターから外部ヒーターへの切り替えはそれほど大きな影響を及ぼさなかったということです. つまり, 内部ヒーターではなく外部ヒーターを使用すると, システムの複雑さを軽減しながら, 吸着剤の温度均一性を向上させるか, 少なくとも同等に保つ可能性があるということです” とAlpert博士は述べています.
アルミニウムベッドと蒸気室
2つ目のトレードオフ解析では, チームはアルミニウムベッドから蒸気室の使用に切り替えた場合の効果を調査したいと考えました (図8). Alpert 博士は次のように説明しています. “蒸気室は, 複数の方向に熱を効率的に拡散するヒートパイプです. 蒸気室の一端に熱が加えられると, 少量の液体が室内に閉じ込められます. それが蒸発して蒸気になり, 室内を流れて非常に急速に加熱されます. その後, 蒸気は冷たい領域に到達すると凝縮します. その後, 毛細管現象により, 液体は熱源に戻り, このサイクルが繰り返されます. 彼女はさらに, “これにより, 10,000～100,000 W/m-K という非常に高い有効熱伝導率が得られます” と述べています.
NASA は, 蒸気室の製造とテストを行い, 高忠実度モデリングを実行する外部パートナーと協力していますが, この分析では, チームはアルミニウムの材料特性を使用して, ただしはるかに高い熱伝導率で蒸気室をモデル化し, 効果がどのようになるかを把握しました. Alpert 博士は, 主な成果として “アルミニウムベッドの代わりに蒸気室ベッドに切り替えると, 平均吸着剤温度はほぼ同じままですが, 蒸気室を使用すると吸着剤の温度均一性が向上する可能性があります” と述べています. これは, 3番目のトレードオフ解析の一部である円筒形のケースで特に当てはまりました.
長方形ベッドとシリンダーベッド
Alpert 博士は, ベッドの形状を変えると温度の均一性にどのような影響があるかを把握するために, 簡略化されたモデルを使用しました. “吸着剤の面積はそのままにしました. アルミニウムまたは蒸気室間の距離は同じで, ヒーターの長さも同じです. それで問題を制限しました” と彼女は言いました. (図9) 分析により, 両方の形状で同様の平均吸着剤温度が得られることがわかりましたが, 円筒形のケースがアルミニウム製の場合, 温度の均一性ははるかに悪くなります. これは Alpert 博士にとって理にかなっています. “吸着剤はアルミニウムの壁で区切られており, ヒーターは外側にあります. そのため, ヒーターに最も近い吸着剤は, 内側の吸着剤よりもはるかに高温になります.”
蒸気室構造に切り替えると, 熱伝導率が十分に高くなり, 熱が壁を非常に速く通過します. その場合, チームは, 長方形のベッド形状と円筒形のベッド形状の間で温度の均一性がかなり似ていることに気付きました (図10).
区画数
4回目のトレードオフ解析では, チームは吸着剤コンパートメントの数を分析し, コンパートメントの数を増やすか減らすかによって平均温度と温度均一性にどのような影響があるかを調べました (図11). Alpert 博士は, コンパートメントの数を増やすと温度均一性が向上することに驚きませんでした. これは, チャンバーが互いに接近することを意味します. “各コンパートメントは小さくなりましたが, システム内のアルミニウムが増えたため, 熱質量が増加しました. そのため, 平均吸着剤温度の全体的な加熱速度が低下します” と Alpert 博士は述べています.
研究チームはまた, システム全体の容積を同じにしたまま, 区画を増やすと, 実際には所定の容積内に収まる吸着剤の量が減ることも発見しました. その結果, 除去できる CO2 の量も減ることになります.
パフォーマンス感度分析
トレードオフ解析に加えて, NASA チームは吸着剤自体の熱伝導率も高めようとしました. “熱伝導率をどの程度高める必要があるか, またその効果はどのようなものかを確認したかったのです” と Alpert 博士は述べています.
オリジナルの AC-TSAC 設計の熱モデルでは, 吸着剤の熱伝導率を高めても吸着剤の平均温度にはあまり影響がないものの, 温度均一性は大幅に改善されることが分かりました. “これは, 私たちが間違いなく正しい方向に進んでいることを示し, その結果, 開発努力の多くをそこに集中させています” と Alpert 博士は述べています.
同様に, チームが蒸気室を備えた円筒形ベッドのモデルで熱伝導率を高めたとき, シミュレーション結果ではベッド全体の吸着剤の温度均一性が大幅に改善されました (図12).
最後に, チームは入力電力の増加による影響を分析しました. “明らかに, 電力を増加すれば温度は上昇しますが, 加熱速度がどの程度上昇し, 温度の均一性がどの程度低下するかを把握したかったのです" と Alpert 博士は説明します. 結果から, 30分間に 600 W ではなく, 1000 W を適用すると, さらに 100°C 加熱できるものの, 温度の均一性は低下することが示されました.
シミュレーションと実験によるより良い設計
Alpert 博士とチームは, 既存の AC-TSAC の熱モデルを作成し, テストデータに対して検証することに成功しました. 検証されたモデルを使用して, 望ましい結果を得るためにどの設計パラメーターを変更すればよいかを判断することができました. シミュレーションを通じて, チームは, 外部ヒーターによってシステムの複雑さと故障の可能性が軽減され, 蒸気室の熱伝導率が高く, 吸着剤の温度均一性が向上すること, そして吸着剤の熱伝導率を高めることに引き続き重点を置く必要があることを学びました.
Alpert 博士は, 今後について, これまでは加熱段階のみを検討してきましたが, サイクルの定常状態と冷却段階も検討する必要があると述べています. チームは, 実験データを使用して熱モデルの検証を継続し, 熱損失などのメカニズムを考慮します.
“COMSOL は優れたマルチフィジックスプラットフォームです” と Alpert 博士は言います. “ここでは熱以外のことも実行できます. 高温で CO2 の圧力が上昇しますが, これはまだモデルに組み込まれていません. これは将来的に行う予定です.”