La tecnologia dei cuscinetti magnetici consente il controllo ambientale per l'esplorazione spaziale umana

Jun 16, 2023

L’esplorazione spaziale richiede tecnologie robuste, affidabili e di lunga durata, in particolare per i sistemi critici per la sicurezza umana utilizzati nelle missioni estese. Sebbene i sistemi critici per la sicurezza abbiano tradizionalmente sfruttato soluzioni semplici e affidabili, collaudate, è possibile ottenere miglioramenti significativi in ​​termini di prestazioni e SWaP (dimensioni, peso e potenza) sfruttando i vasti miglioramenti nella potenza di calcolo e nell'affidabilità dell'elettronica negli ultimi decenni.

Questi progressi hanno spostato l’attenzione verso i controlli digitali e software, consentendo cambiamenti radicali nelle prestazioni. I sistemi idraulici o pneumatici esistenti vengono sostituiti con sistemi elettrici e mezzi meccanici di controllo del flusso, come le valvole, vengono sostituite con motori a velocità variabile.

Questo cambiamento di elettrificazione e ottimizzazione è evidenziato da alcuni dei recenti miglioramenti nei controlli ambientali sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). La composizione dell'atmosfera respirabile deve essere gestita e le tracce di contaminazione devono essere ridotte a livelli accettabili.

Il sistema Four Bed Carbon Diossido Scrubber (FBCO2) attualmente in fase di sviluppo e test avanzati sulla ISS è l’ultima iterazione del sistema di rimozione della CO2. Il sistema FBCO2 aspira l'aria dalla cabina e separa l'acqua e la CO2, che possono poi essere riutilizzate per altri scopi o smaltite come rifiuti. All'interno del sistema FBCO2, il ventilatore/circolatore in linea Calnetix è il meccanismo che guida il flusso d'aria attraverso il sistema.

Il sistema di ventilazione in linea, che comprende una ventola compatta su cuscinetti magnetici e un doppio controller integrato, sfrutta un motore a magnete permanente (PM) variabile ad alta velocità e un sistema di cuscinetti magnetici attivi (AMB) a cinque assi. Questo sistema rappresenta un passo avanti verso l’elettrificazione e l’ottimizzazione. Le precedenti soluzioni per la rimozione della CO2 utilizzavano cuscinetti passivi a lamina di gas che facevano galleggiare il rotore su uno strato di gas una volta che il rotore era in rotazione.

Sebbene questa fosse una soluzione semplice dal punto di vista dei controlli e non richiedesse componenti elettronici per gestire il sistema di cuscinetti, i cuscinetti per gas possono essere sensibili ai contaminanti nel flusso d'aria di processo, sono soggetti a usura con molti cicli di avvio/arresto e richiedono una pressione minima del gas di processo e la velocità del rotore per funzionare. Al contrario, gli AMB richiedono controlli elettronici e software relativamente complessi, ma possono funzionare a velocità molto elevate, fornire una durata notevolmente migliorata senza limiti meccanici sui cicli, sono tolleranti ai contaminanti particellari nel flusso d'aria di processo e possono funzionare se esposti al vuoto.

La principale sfida progettuale è stata quella di inserire il nuovo ventilatore con cuscinetto magnetico nello stesso spazio del vecchio ventilatore supportato da cuscinetto a gas. Il sistema AMB con sensori di posizione e cuscinetti di riserva doveva essere miniaturizzato per adattarsi a uno spazio estremamente ristretto.

Per far circolare l'aria ambientale attraverso il sistema FBCO2, il ventilatore sfrutta una girante radiale sospesa che gira fino a 60.000 giri al minuto. Dalla girante, il flusso viene diretto attraverso l'alloggiamento e attorno alla sezione del motore posizionata centralmente. Mantenendo il motore efficacemente sigillato dal flusso di processo, il motore e i componenti dei cuscinetti sono esenti da erosione o accumulo di contaminanti.

Il flusso di processo attorno al motore e alla cavità dei cuscinetti magnetici fornisce anche lo smaltimento del calore per la gestione termica dello statore. I cuscinetti di riserva forniscono una funzione di backup meccanico in caso di carichi d'urto che superano la capacità di carico dei cuscinetti magnetici o ogni volta che il sistema di cuscinetti magnetici attivi subisce un guasto o una perdita di potenza.

Per sfruttare il sistema di cuscinetti magnetici senza attrito, il motore PM può funzionare a velocità molto elevate, fornendo una migliore densità di potenza volumetrica e gravimetrica. Il rotore PM a montaggio superficiale a flusso radiale utilizza un manicotto in fibra di carbonio per fornire rigidità dinamica del rotore e ritenzione del magnete, fornendo allo stesso tempo una migliore permeabilità. Considerando la derivazione come unico principale meccanismo di perdita, un motore come questo può superare il 98% di efficienza.

Dal punto di vista dei controlli, l'AMB è significativamente più complesso dei tradizionali cuscinetti meccanici o pneumatici. I sensori di velocità e posizione nello statore vengono utilizzati per determinare la velocità e l'orientamento del rotore. Gli attuatori elettromagnetici forniscono la forza per centrare il rotore, contrastare i carichi dinamici e mantenere in sicurezza la posizione del rotore con cinque assi di controllo. I magneti permanenti possono essere utilizzati per polarizzare il sistema AMB per compensare i carichi statici e ridurre la corrente di controllo.