Nano katkılı faz değiştiren malzemelerle uzay aracı elektronik sistemleri için gelişmiş ısıl yönetimi ve sayısal analizi

Abstract

Uzay araçlarında kullanılan elektronik sistemlerin güvenilirliği ve ömrü, etkin bir ısıl yönetim stratejisinin geliştirilmesine bağlıdır. Ancak uzay ortamındaki enerji kaynaklarının sınırlı olması ve aktif soğutma sistemlerinin yüksek enerji tüketimi ile ağırlık dezavantajı, araştırmacıları pasif çözümlere yönlendirmektedir. Faz değişim malzemeleri (FDM), yüksek gizli ısı depolama kapasiteleri sayesinde sıcaklık dalgalanmalarını dengeleyerek ani ısıl pikleri azaltabilmektedir. Bu çalışmada, uzay elektroniği için çok katmanlı FDM tabanlı pasif ısıl yönetim sistemi deneysel ve sayısal yöntemlerle kapsamlı olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda, farklı erime sıcaklıklarına sahip katmanların kademeli olarak devreye girmesini sağlamak amacıyla üç katmanlı bir alüminyum test hücresi tasarlanmıştır. Bu hücrede RT44-RT35-RT28, RT54-RT44-RT35 dizilimleri ile ağırlıkça %1 ve %2 oranlarında B4C nano katkılı yapılar test edilmiştir. Isıtma ve soğutma işlemleri alt yüzeyden uygulanmış, sıcaklık dağılımları 9 termokupl ve termal kamera ile eş zamanlı olarak izlenmiştir. Sayısal analizlerde ANSYS Fluent kullanılarak entalpi-gözeneklilik yaklaşımına dayalı doğrulanmış bir model geliştirilmiş ve farklı yerçekimi koşulları (1g ve 0,75g) altındaki performans analiz edilmiştir. Sonuçlar, katman sıralamasının termal performans üzerinde belirleyici olduğunu göstermiştir. RT54 içeren dizilim, erime süresini %25,3 ve katılaşma süresini %41,1 azaltarak hızlı çevrim avantajı sağlarken; RT44 tabanlı dizilim yaklaşık 484,8 kJ ile daha yüksek gizli ısı depolama kapasitesi sunmuştur. B4C katkısı, gizli ısı kapasitesinde yalnızca %1'lik bir azalmaya yol açarken, ısıl tamponlama (latent bölgede kalma) süresini yaklaşık %82 oranında uzatmış ve ısı dağılımını iyileştirmiştir. Alüminyum çerçeve kullanımının ısıl iletkenliği yaklaşık 1012 kat artırarak sıcaklık gradyentlerini azalttığı belirlenmiştir. Yerçekimi ivmesinin 0,75g seviyesine düşmesi durumunda erime hızının yaklaşık %10,9, katılaşma hızının ise %5 ila %9 aralığında azaldığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak, nano katkılı ve çok katmanlı FDM yapıları ısı transferini iyileştirerek sıcaklık dengesini sağlamakta ve pasif ısıl yönetim performansını artırmaktadır. Elde edilen bulgular, uzay ve değişken yerçekimi ortamları için enerji kapasitesi, termal tepki süresi ve çalışma koşullarının birlikte optimize edilmesi gerektiğini vurgulamaktadır.

The reliability and lifespan of electronic systems used in spacecraft depend on the development of an effective thermal management strategy. However, the limited availability of energy sources in the space environment, combined with the high energy consumption and weight disadvantages of active cooling systems, is driving researchers toward passive solutions. Phase-change materials (PCMs) can reduce sudden thermal spikes by balancing temperature fluctuations thanks to their high latent heat storage capacity. In this study, a multilayer PCM-based passive thermal management system for space electronics was comprehensively investigated using experimental and numerical methods. In the experimental studies, a three-layer aluminum test cell was designed to ensure the gradual activation of layers with different melting temperatures. In this cell, structures doped with 1% and 2% by weight of B4C nanocrystals were tested in the sequences RT44-RT35-RT28 and RT54-RT44-RT35. Heating and cooling were applied from the bottom surface, and temperature distributions were monitored simultaneously using 9 thermocouples and a thermal camera. In numerical analyses, a validated model based on the enthalpy-porosity approach was developed using ANSYS Fluent, and performance under different gravitational conditions (1g and 0.75g) was analyzed. The results showed that the layer sequence is a determining factor in thermal performance. The RT54-containing sequence provided a fast-cycle advantage by reducing the melting time by 25.3% and the solidification time by 41.1%, while the RT44-based sequence offered a higher latent heat storage capacity of approximately 484.8 kJ. The B4C additive caused only a 1% decrease in latent heat capacity, while extending the thermal buffering (residence time in the latent region) by approximately 82% and improving heat distribution. It was determined that the use of an aluminum frame increased thermal conductivity by approximately 10¹² times, thereby reducing temperature gradients. It was found that when gravitational acceleration decreased to 0.75g, the melting rate decreased by approximately 10.9%, while the solidification rate decreased by 5% to 9%. As a result, nano-reinforced and multilayer PCM structures improve heat transfer, maintain thermal equilibrium, and enhance passive thermal management performance. The findings emphasize the need to jointly optimize energy capacity, thermal response time, and operating conditions for space and variable-gravity environments.