Soluzione di controllo termico per antenna satellitare di rete attiva in fase
L’industria delle telecomunicazioni satellitari sta vivendo una fase di considerevole crescita, poiché iniziative e innovazioni quali la rete 5G e la tecnologia dell’Internet delle cose richiedono un aumento dei trasferimenti di dati. «Le antenne di rete attiva in fase offrono l’unica soluzione pratica a lungo termine per aumentare la capacità, ma gli attuali sistemi di controllo termico non sono in grado di soddisfare l’aumento di calore generato», afferma Nuria Roldan, coordinatrice del progetto IMPACTA, finanziato dall’UE. IMPACTA ha sviluppato una soluzione di controllo termico basata su circuiti di pompaggio meccanico (MPL, mechanically pumped loops) che potrebbero soddisfare le esigenze delle future missioni spaziali. Sebbene questi sistemi fossero noti da tempo, la loro complessità si era rivelata proibitiva. IMPACTA ha prodotto e testato un dimostratore MPL, verificando che era in grado di evacuare quasi 10 kW di calore, a una temperatura stabile di 2 ºC. «Il sistema ha funzionato come previsto, suscitando fiducia sia in fase di progettazione che di previsione delle prestazioni in orbita per le missioni future», aggiunge Roldan.
Controllo accurato della temperatura
Secondo Roldan, circa la metà degli attuali satelliti geostazionari per le telecomunicazioni dovrebbe essere sottoposta ad aggiornamenti che ne aumenteranno notevolmente il fabbisogno energetico. Indirizzando elettronicamente un fascio di onde radio in diverse direzioni senza muovere le antenne, un’antenna di rete attiva in fase controllata da un computer può fornire quantità di dati nell’ordine dei terabyte al secondo su vaste aree. Tuttavia, questi sistemi hanno molte fonti di calore, con flussi di calore locali e tassi di dissipazione complessivi elevati. «Le attuali soluzioni di raffreddamento, come i tubi di calore, non sono in grado di soddisfare queste condizioni. Ma un MPL bifase consiste in un ciclo chiuso, in cui il calore proveniente dall’antenna attiva viene assorbito da un refrigerante che si trasforma in parte in vapore, per poi fluire verso il radiatore/condensatore dove il calore viene irradiato nello spazio, mentre il vapore si trasforma nuovamente in liquido», spiega Roldan. Oltre a un raffreddamento efficace, questo processo crea condizioni quasi isotermiche in cui le variazioni di altri aspetti, come la pressione, non comportano variazioni di temperatura.
Dimostrazione positiva
Nel dimostratore del progetto, la fonte di calore (l’antenna attiva – attiva perché richiede energia) era rappresentata da più evaporatori, con uno scambiatore di calore al posto del dissipatore (un radiatore). Sono stati condotti test funzionali e ambientali in una camera termovuoto. «IMPACTA poteva raffreddare un carico termico di 9,8 kW suddiviso in 10 rami paralleli, ciascuno con 10 sorgenti di calore. Nella condizione di stato stazionario testata, l’uniformità della temperatura sulle sorgenti di calore è migliore di 2 ºC, in qualsiasi situazione», spiega Roldan. In una rete di antenne in funzione, il calore può essere distribuito in modo non uniforme sui diversi rami. I test di IMPACTA hanno dimostrato che anche nel caso estremo in cui metà dei rami fosse spenta e l’altra metà impostata alla massima potenza, le temperature rimarrebbero costanti. «Il sistema può funzionare in tre diversi orientamenti, con risultati simili, il che indica che non è sensibile alla forza di gravità», aggiunge Roldan. Il gruppo coinvolto nel progetto ha potuto utilizzare questi risultati per verificare i parametri del progetto modellato al computer per un sistema IMPACTA completo.
Tecnologia abilitante per i satelliti di telecomunicazione di prossima generazione
Il lavoro di IMPACTA contribuisce a plasmare il futuro della tecnologia satellitare, che costituisce la spina dorsale dell’infrastruttura di telecomunicazione e fornisce servizi diretti come le trasmissioni televisive, le comunicazioni mobili e l’accesso a Internet. Dopo IMPACTA, il gruppo ha completato un modello che dimostra le funzioni fondamentali della soluzione in un ambiente operativo. «Il prossimo passo sarà la dimostrazione della soluzione in volo. Abbiamo anche bisogno di un design più leggero, con controlli di sicurezza e pulizia migliorati per soddisfare gli standard spaziali, ed è su questo che lavoreremo prossimamente», osserva Roldan. Inoltre, il gruppo sta valutando potenziali attività di spin-out, come l’utilizzo del sistema di controllo termico per l’energia solare spaziale o per i centri dati.
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