gesponsertMultiphysik-Simulation Völlig losgelöst: So sprengt Multiphysik–Simulation die Grenzen

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Comsol Multiphysics GmbH

Damit Astronauten im All nicht die Luft ausgeht, macht die Simulation einen Verdichter ohne bewegliche Teile möglich. Der Einsatz in der Umlaufbahn zeigt, wie Multiphysik-Simulation und Verfahrens-Know-how Grenzen der klassischen Entwicklung überwinden.

Die Herausforderungen der Raumfahrt erfordern innovative Lösungen: So ist etwa die Internationale Raumstation ISS zu einem großen Teil erst dadurch bewohnbar, dass ein spezielles System Kohlendioxid (CO₂) aus der Luft entfernt. Herzstück dieses Systems ist ein Kompressor, der seine Aufgabe der CO₂-Abtrennung erfüllt, allerdings zu einem hohen Preis: Er ist laut und muss häufig gewartet werden. Dank der Multiphysik-Simulation gelang es den Ingenieuren, einen CO₂-Verdichter ohne bewegliche Teile zu entwickeln, der die Grenzen mechanischer Aggregate hinter sich lässt.

Kompressoren gelten als unerlässlich für den Prozess der Lufterneuerung auf der ISS, indem sie das abgeschiedene CO₂ für die folgende chemische Weiterverarbeitung verdichten. Sie sind jedoch laut, wartungsintensiv und teuer in der Herstellung. Dr. Hannah Alpert, Ingenieurin für Raumfahrtsysteme am NASA Ames Research Center, erklärt: „Derzeit gibt es ein System namens Carbon Dioxide Removal Assembly (CDRA). Das CDRA absorbiert Kohlendioxid, um es aus der Kabine zu entfernen. Dann wird dieses Kohlendioxid in einen Sabatier-Reaktor geleitet, wo es mit Wasserstoff aus dem Sauerstofferzeugungssystem kombiniert wird, um Wasser zu erzeugen.“ Dieses Wasser steht den Astronauten als Trinkwasser zur Verfügung. „Damit das Kohlendioxid reagieren kann, muss es unter einem höheren Druck stehen, als es absorbiert wird; also haben wir einen Kompressor zwischen dem CDRA und dem Sabatier-Reaktor“, fährt Alpert fort.

Der CDRA wird derzeit zu einem neuen Vier-Bett-Molekulardampfsystem aufgerüstet: dem Four-Bed-CO₂-Scrubber, kurz 4BCO2: „Wir untersuchen einige alternative Technologien, und eine unserer führenden Optionen ist ein luftgekühlter Temperaturwechsel-Adsorptionskompressor oder AC-TSAC“, so Alpert. Die Ingenieurin erklärt, dass das neue System die Zuverlässigkeit und Leistung verbessern soll, wofür verschiedene Änderungen vorgenommen werden.

Was ist Multiphysik-Simulation?

Die Welt ist von Natur aus multiphysikalisch – die meisten Prozesse und Systeme beruhen auf der Wechselwirkung mehrerer physikalischer und chemischer Disziplinen. In chemischen Reaktoren bestimmen beispielsweise Strömung, Wärmetransport und Reaktionskinetik gemeinsam die Effizienz und Produktverteilung. Multiphysik-Simulation bedeutet, alle relevanten Effekte und Wechselwirkungen unbeschränkt in einem Modell abbilden zu können, um präzisere Ergebnisse zu erhalten, die das Verhalten von realen Produkten und Prozessen genauer abbilden.

Die Anwendungsmöglichkeiten dieses Vorgehens sind vielfältig. Unternehmen in der Prozessindustrie kommt diese Methode beispielsweise bei der Optimierung von Produktionsanlagen und der Gestaltung neuer Produkte zugute. Der Einsatz von Tools wie der Comsol Multiphysics Software verbessert die Effizienz des Forschungs- und Entwicklungsprozesses. Ingenieure erstellen präzise Modelle, die verschiedene physikalische Phänomene berücksichtigen. Dies führt nicht nur zu Zeitersparnissen, sondern auch zu einer höheren Qualität der entwickelten Produkte.

Technologische Fortschritte machen neue Kompressordesigns möglich

Ein mit Mineralien (sogenannten Zeolithpellets) gefülltes Bett bindet das CO₂ und ermöglicht eine effektive Druckerhöhung für die chemische Reaktion. Bei der Druckbeaufschlagung wird der AC-TSAC auf Raumtemperatur abgekühlt und nimmt CO₂ auf, dann wird er aufgeheizt, um das Kohlendioxid freizusetzen und so den Druck in den Kanistern zu erhöhen. Anschließend wird das unter Druck stehende Gas in den Sabatier-Reaktor geleitet. Um sicherzustellen, dass dem Sabatier-Reaktor kontinuierlich CO₂ zugeführt wird, besteht der AC-TSAC aus zwei Betten, von denen sich jeweils eines in der Heiz- und Adsorptionsphase und das andere in der Abkühl- und Produktionsphase befindet.

Die Entwicklerinnen und Entwickler planen in diesem Zuge auch, veraltete Sorptionsmittel zu ersetzen und einige Komponenten neu zu gestalten. „Sie sind von einem rechteckigen auf ein zylindrisches Bett umgestiegen, haben den Heizkern umgestaltet, um das Sorptionsmittel besser zu verteilen und die Leerräume zu beseitigen, und sie fügen einen Filter zum Abfangen von Staub und neue Ventile für eine längere Betriebsdauer hinzu“, so Alpert. Dabei bietet der AC-TSAC zahlreiche Vorteile, erklärt die Expertin: „Er hat eine geringere Masse und verbraucht weniger Energie; er ist viel leiser, so dass er die Astronauten auf der ISS weniger stört; es gibt keine rotierenden Teile, so dass hoffentlich weniger Teile ausgetauscht werden müssen – und er ist billiger in der Herstellung und einfacher zu produzieren.“

Einen neuen Verdichterprozess zu entwickeln, ist nicht trivial – Insbesondere, da die Astronauten großes Vertrauen in die Ingenieure hinter der Technologie setzen. Das NASA-Team nutzt dafür wie schon bei anderen Projekten die Simulationsplattform Comsol Multiphysics, um Modelle für das aktuelle AC-TSAC-Design zu erstellen. „Comsol hat sich als äußerst nützlich erwiesen. Eines der ersten Projekte, an denen ich gearbeitet habe, als ich bei der NASA anfing, war die Modellierung eines Wärmestrommessers, der auf dem Hitzeschild von Mars 2020 flog, und vor kurzem habe ich das Optimization Module verwendet, um den Oberflächenwärmestrom auf einem Hitzeschild anhand der eingebetteten Thermoelementtemperaturen zu rekonstruieren“, erinnert sich Alpert. Für das Kompressorprojekt erstellte sie sowohl eine 3D- als auch eine 2D-Version des Modells. Nachdem sie festgestellt hatte, dass die Ergebnisse vergleichbar waren, entschied sie sich aus Effizienzgründen für das 2D-Modell. Alpert validierte ihr Modell anhand wichtiger Temperatur- und Leistungsdaten aus Testkampagnen. So konnte das Team bereits eine Version des AC-TSAC entwickeln – mittels der thermischen Modellierung soll nun das Design weiter verbessert werden. Die Ingenieurin beschreibt sie so: „Der erste Test war ein Zwei-Bett-Test für die Funktionalität bei NASA Marshall im Oktober 2022. Dann haben wir eine gezieltere Testkampagne bei NASA Ames durchgeführt, bei der wir nur ein Bett verwendet haben, um die genauen Eigenschaften besser zu isolieren.“

Während des NASA Marshall-Tests platzierten sie Widerstandstemperaturdetektoren an der Oberfläche der Heizelemente, um die Temperatur zu messen. Anschließend verwendeten sie die gemessene Temperatur als eine der Randbedingungen, um zu prüfen, ob die modellierte Temperatur mit den experimentellen Daten übereinstimmte. Die Ergebnisse zeigten eine sehr gute Übereinstimmung, was Alpert und ihrem Team erstes Vertrauen in das Modell gab. Auch in Bezug auf die Energie, die in das Bett eingespeist wurde, konnte das Team die experimentellen Daten mit dem Modell abgleichen (für diesen Test wurde nur die Heizphase des Zyklus betrachtet). Anschließend folgten fokussierte Tests bei NASA Ames, bei dem ein einziges Bett getestet und experimentelle Daten von der Heizfläche und dem Sorptionsknoten gesammelt wurden. Auch diese Versuche zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen den Daten.

Grenzenlose Studien für das beste Kompressor-Design

Mit dem so validierten Modell konnten Alpert und ihr Team analysieren, wie sich verschiedene Designänderungen auf die Aufheizung und die Aufheizrate des Kompressors auswirken würden. So untersuchte das Team in vier spezifischen Studien Designs für interne oder externe Heizelemente, Aluminiumbett oder Dampfkammern, ein rechteckiges oder zylindrisches Bett und die Gesamtzahl der Kammern. Das übergeordnete Ziel war, schnell eine hohe Temperatur zu erreichen und die Temperatur während des Hochfahrens im gesamten Bett gleichmäßig zu halten.

„Die erste Designkomponente, die wir untersucht haben, war der Wechsel von internen zu externen Heizelementen. Derzeit befinden sich die internen Widerstandsheizelemente in der Mitte der Betten und sind eine potenzielle Fehlerquelle. Es gibt eine Menge Drähte, die in das Bett führen, und es ist einfach ein komplexes, unordentliches Bündel von Drähten und Heizkörpern“, sagt Alpert. Das Team fragte sich daher, ob es möglich wäre, diese Heizelemente an die Außenseite des Bettes zu verlegen und das Sorptionsmittel trotzdem schnell und gleichmäßig zu erwärmen. „Wir haben gesehen, dass der Wechsel von internen zu externen Heizelementen keine großen Auswirkungen hatte. Das bedeutet, dass die Verwendung externer Heizelemente das Potenzial hat, die Temperaturgleichmäßigkeit des Sorptionsmittels zu verbessern oder zu halten und gleichzeitig die Komplexität des Systems zu verringern“, erklärt Alpert.

Aluminumbett oder Dampfkammern: Wer hat die Nase vorn?

In einer zweiten Designstudie wollte das Team untersuchen, wie sich der Wechsel von einem Aluminiumbett zu Dampfkammern auswirkt. Dr. Alpert erklärt: „Dampfkammern sind Wärmerohre, die die Wärme effizient in mehrere Richtungen verteilen. An einem Ende einer Kammer wird Wärme zugeführt und dann eine kleine Menge Flüssigkeit in der Kammer eingeschlossen. Diese verdampft und der Dampf strömt durch die schnell erwärmende Kammer und kondensiert, sobald er die kühleren Bereiche erreicht. Durch die Kapillarwirkung fließt die Flüssigkeit zurück zur Wärmequelle, und dieser Kreislauf wiederholt sich. Dadurch können wir eine extrem hohe effektive Wärmeleitfähigkeit von 10.000 bis 100.000
W/(m·K) erreichen.“

Die NASA arbeitet mit externen Partnern zusammen, die die Dampfkammern herstellen, testen und eine Modellierung durchführen. Dafür wurden die Dampfkammern mit den Materialeigenschaften von Aluminium modelliert, allerdings mit einer viel höheren Wärmeleitfähigkeit, um eine Vorstellung von den Auswirkungen zu bekommen. Alpert merkt an, dass „die wichtigste Erkenntnis ist, dass die Verwendung von Dampfkammern die Temperaturgleichmäßigkeit des Sorptionsmittels verbessern kann, während die durchschnittliche Temperatur des Sorptionsmittels größtenteils gleich bleibt.“ Dies gilt besonders für das zylindrische Bett, das Gegenstand der dritten Designstudie ist.

Rechteckiges oder zylindrisches Bett? Die Simulation bringt es an den Tag

Dr. Alpert verwendete ein vereinfachtes Modell, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie sich eine Änderung der Bettform auf die Temperaturgleichmäßigkeit auswirken würde. „Ich habe die Fläche des Sorptionsmittels gleich gelassen. Der Abstand zwischen dem Aluminium oder der Dampfkammer und die Länge der Heizelemente sind gleich. So konnte ich das Problem eingrenzen.“ Die Analyse zeigte, dass beide Formen ähnliche Durchschnittstemperaturen des Sorptionsmittels ergeben, aber die Temperaturgleichmäßigkeit im Fall des zylindrischen Betts viel schlechter ist, wenn es aus Aluminium gefertigt ist. Für Alpert ergibt das Sinn: „Das Sorptionsmittel ist durch Aluminiumwände getrennt, und das Heizelement befindet sich an der Außenseite. Das Sorptionsmittel, das dem Heizelement am nächsten ist, wird also viel heißer als das Sorptionsmittel im Inneren.“ Bei einer Dampfkammerstruktur ist die Wärmeleitfähigkeit hoch genug, dass die Wärme schnell durch die Wände fließt. In diesem Fall stellte das Team eine ähnliche Temperaturgleichmäßigkeit zwischen der rechteckigen und der zylindrischen Bettform fest.

Anschließend analysierte das Team die Anzahl der Sorptionsmittel-Kammern, um zu sehen, ob mehr oder weniger Kammern die durchschnittliche Temperatur und die Temperaturgleichmäßigkeit beeinflussen würden. Alpert war nicht überrascht, dass die Erhöhung der Kammeranzahl die Temperaturgleichmäßigkeit verbesserte, da dies bedeutete, dass die Kammern näher beieinander lagen. „Jede der Kammern ist kleiner, aber wir haben mehr thermische Masse hinzugefügt, weil sich jetzt mehr Aluminium im System befindet. Dadurch sinkt die Gesamterwärmungsrate für die durchschnittliche Temperatur des Sorptionsmittels“, so Alpert. Das Team fand auch heraus, dass das Volumen des gesamten Systems zwar gleich bleibt, aber durch das Hinzufügen weiterer Kammern die Menge des Sorptionsmittels, die in ein bestimmtes Volumen passt, tatsächlich abnimmt. Dies wiederum würde die Menge an CO₂ verringern, die entfernt werden kann.

Per Multiphysik-Simulation zur Leistungssensivitätsanalyse

Zusätzlich zu den Designstudien versuchte das NASA-Team auch, die Wärmeleitfähigkeit des Sorptionsmittels selbst zu erhöhen. „Wir wollten sehen, um wie viel wir die Wärmeleitfähigkeit erhöhen müssen und welche Auswirkungen das hat“, erklärt Alpert. Anhand des thermischen Modells des ursprünglichen AC-TSAC-Designs konnte so gezeigt werden, dass die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Sorptionsmittels keine große Auswirkung auf die durchschnittliche Temperatur des Sorptionsmittels hatte, aber die Temperaturgleichmäßigkeit in hohem Maße verbesserte. „Das zeigt uns, dass wir auf jeden Fall in die richtige Richtung gehen, und wir konzentrieren einen Großteil unserer Entwicklungsarbeit darauf“, so Alpert. Als das Team die Wärmeleitfähigkeit in ihrem Modell eines zylindrischen Bettes mit Dampfkammer erhöhte, zeigten die Simulationsergebnisse eine große Verbesserung der Temperaturgleichmäßigkeit des Sorptionsmittels im gesamten Bett.

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Schließlich analysierte das Team die Auswirkungen einer Erhöhung der Eingangsleistung. „Wir wollten ein Gefühl dafür bekommen, wie stark die Erhitzungsrate steigen und wie sehr die Temperatur dadurch ungleichmäßiger werden würde“, erklärt Alpert. Die Ergebnisse zeigten, dass mit 1.000 W anstelle von 600 W über einen Zeitraum von 30 Minuten zusätzliche 100 °C möglich sind, aber die Temperaturgleichmäßigkeit geringer ist.

Auf diese Weise gelang es Alpert und ihrem Team, ein thermisches Modell des bestehenden AC-TSAC zu erstellen und mit Testdaten zu validieren. Anhand des validierten Modells konnten sie dann bestimmen, welche Designparameter geändert werden mussten, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Durch diese Simulation erfuhr das Team, dass externe Heizelemente die Systemkomplexität und das Fehlerpotenzial verringern, dass Dampfkammern eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben und dadurch die Temperaturgleichmäßigkeit des Sorptionsmittels verbessern. Außerdem zeigte sich, dass sich die Forscherinnen und Forscher weiterhin auf die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Sorptionsmittels konzentrieren sollten.

Mit Blick auf die Zukunft merkte Alpert an, dass sie bisher nur die Aufheizphase untersucht hätten, aber auch die stationäre und die Abkühlphase des Zyklus untersuchen müssten. Das Team wird auch weiterhin das thermische Modell mit experimentellen Daten validieren und Mechanismen wie Wärmeverluste berücksichtigen. „Comsol ist eine großartige Multiphysik-Plattform“, sagt Alpert, „mit der wir mehr als nur thermische Berechnungen durchführen können. Die Tatsache, dass der CO₂-Druck bei hohen Temperaturen ansteigt, wurde bisher im Modell nicht berücksichtigt. Das ist etwas, was wir für die Zukunft planen.“ Auch dabei wird die Simulation helfen, die Grenzen der physischen Entwicklung hinter sich zu lassen und so schneller, sicherer und günstiger zu neuen Prozessen zu kommen – auf der Erde und in der Umlaufbahn.

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