Materiali spaziali ad alta efficienza termica per i satelliti di prossima generazione
Lo spazio è la prossima frontiera per molte industrie. Poiché in futuro si farà sempre più affidamento su tecnologie spaziali come i satelliti, i componenti tecnologici dovranno migliorare costantemente. Non fanno eccezione le tecnologie a banda probita larga (WBG, wide-bandgap), semiconduttori ampiamente utilizzati nelle unità elettriche satellitari, come quelle per la conversione di potenza e l’amplificazione dei segnali nella sezione di uscita del carico utile del satellite. L’aumento della potenza dei componenti elettronici e la riduzione delle dimensioni miglioreranno le prestazioni dei satelliti. Tuttavia, un maggior numero di funzioni in spazi più piccoli aumenta la densità di potenza e il calore che deve essere rilasciato. Nel progetto HEATPACK, finanziato dall’UE, i ricercatori hanno sviluppato nuove soluzioni per mantenere questi componenti freddi nello spazio. «Avere materiali a bassa resistenza termica è importante per diversi motivi», spiega David Névo, ingegnere di imballaggi per le microonde presso Thales Alenia Space e coordinatore del progetto HEATPACK. «Estrarre in modo efficiente il calore dai componenti e mantenerli il più possibile freddi avrà un enorme impatto sulla loro affidabilità e durata, un aspetto critico dal momento che alcune missioni spaziali devono prolungarsi per 15 anni senza alcuna possibilità di riparazione.»
Sviluppo di materiali termici innovativi
La squadra di HEATPACK ha creato una gamma di materiali e soluzioni ad alta efficienza termica, destinati alla sezione di potenza di uscita dei satelliti per le missioni di comunicazione e navigazione e a tutte le unità di potenza relative alle apparecchiature del carico utile dei satelliti. Le nuove soluzioni includono materiali compositi basati su particelle di diamante, dotati di una conducibilità termica estremamente elevata, circa cinque volte quella del rame puro. La modellazione di questi materiali è impegnativa, così come il raggiungimento della finitura superficiale necessaria. I ricercatori di HEATPACK hanno quindi esplorato nuove formulazioni e tecniche di taglio per produrre gradi di alta precisione basati sul diamante. Hanno inoltre sviluppato due materiali di interfaccia termica: uno basato su una pasta d’argento sinterizzata, l’altro su una pellicola adesiva elettricamente e termicamente conduttiva, utilizzati rispettivamente durante l’assemblaggio di componenti e pacchetti. HEATPACK ha anche creato nuove soluzioni di raffreddamento attivo, un’alternativa migliore e più economica rispetto al raffreddamento passivo. Questo sistema bifase pompa il liquido con un movimento oscillatorio intorno ai tubi a forma di serpentina che attraversano più volte le regioni calde e fredde per rimuovere il calore latente, ottenendo ottime prestazioni di raffreddamento. Basandosi su questi elementi tecnologici, sono stati progettati e prodotti tre diversi pacchetti, poi valutati rispetto alle condizioni spaziali.
Soddisfare le aspettative del progetto
«In generale, sono stati compiuti molti progressi nello sviluppo di questi mattoni tecnologici fondamentali dedicati alle questioni relative alla gestione termica», afferma Névo. Alcune delle tecnologie HEATPACK hanno raggiunto il livello di preparazione tecnologica 6, come i materiali compositi diamantati. I test sono ancora in corso su altre innovazioni, nella speranza di raggiungere lo stesso livello. «Uno dei principali risultati ottenuti è che le prestazioni termiche dei dimostratori, integrati in diverse tecnologie sviluppate dai partner del progetto, soddisfano le aspettative stabilite all’inizio di HEATPACK», osserva Névo.
Tecnologie pronte per il mercato
Alcune tecnologie sono già pronte per essere immesse sul mercato, tra cui i compositi metallo-diamante e un’innovativa tecnica di misurazione termica, anch’essa sviluppata nell’ambito del progetto. «L’obiettivo principale erano le applicazioni spaziali, ma le tecnologie possono essere proposte anche ad altri mercati, in realtà a qualsiasi applicazione che presenti problemi di gestione termica da risolvere», spiega Névo.
Parole chiave
HEATPACK, spazio, componenti, elettronico, termico, calore, tecnologie, più freddo, durata di vita