Magnetlagertechnologie ermöglicht Umweltkontrolle für die bemannte Weltraumforschung

Die Erforschung des Weltraums erfordert robuste, zuverlässige und langlebige Technologien, insbesondere für Systeme, die für die menschliche Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind und bei längeren Missionen eingesetzt werden. Während die sicherheitskritischen Systeme traditionell auf einfache und zuverlässige, bewährte Lösungen zurückgreifen, können durch die Nutzung der enormen Verbesserungen der Rechenleistung und der Zuverlässigkeit der Elektronik erhebliche Leistungs- und SWaP-Gewinne (Größe, Gewicht und Leistung) erzielt werden in den letzten Jahrzehnten.

Diese Fortschritte haben den Schwerpunkt auf digitale und Software-Steuerungen verlagert und so sprunghafte Leistungssteigerungen ermöglicht. Hydraulische oder pneumatische Altsysteme werden durch elektrische Systeme ersetzt und mechanische Mittel zur Durchflussregelung, wie z. B. Ventile, werden durch Motoren mit variabler Drehzahl ersetzt.

Diese Verlagerung der Elektrifizierung und Optimierung wird durch einige der jüngsten Verbesserungen der Umweltkontrollen auf der Internationalen Raumstation (ISS) verdeutlicht. Die Zusammensetzung der atembaren Atmosphäre muss kontrolliert werden und die Spurenkontamination muss auf ein akzeptables Maß reduziert werden.

Das Four Bed Carbon Dioxide Scrubber (FBCO2)-System, das sich derzeit auf der ISS in fortgeschrittener Entwicklung und Erprobung befindet, ist die neueste Version des CO2-Entfernungssystems. Das FBCO2-System saugt Luft aus der Kabine an und trennt Wasser und CO2, die dann für andere Zwecke wiederverwendet oder als Abfall entlüftet werden können. Innerhalb des FBCO2-Systems ist der Inline-Gebläse/Zirkulator von Calnetix der Mechanismus, der den Luftstrom durch das System antreibt.

Das Inline-Gebläsesystem, das ein kompaktes Gebläse auf Magnetlagern und eine integrierte Doppelsteuerung umfasst, nutzt einen variablen Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetmotor (PM) und ein aktives fünfachsiges aktives Magnetlagersystem (AMB). Dieses System stellt einen Schritt in Richtung Elektrifizierung und Optimierung dar. Frühere CO2-Entfernungslösungen nutzten passive Gasfolienlager, die den Rotor auf einer Gasschicht schweben ließen, sobald sich der Rotor drehte.

Obwohl dies aus steuerungstechnischer Sicht eine einfache Lösung war und keine Elektronik zur Verwaltung des Lagersystems erfordert, können Gaslager anfällig für Verunreinigungen im Prozessluftstrom sein, sind bei vielen Start-/Stopp-Zyklen anfällig für Verschleiß und erfordern einen minimalen Prozessgasdruck und Rotorgeschwindigkeit zu betreiben. Umgekehrt erfordern AMBs relativ komplexe elektronische und Softwaresteuerungen, können aber bei sehr hohen Geschwindigkeiten arbeiten, bieten eine deutlich längere Lebensdauer ohne mechanische Begrenzung der Zyklen, sind tolerant gegenüber Partikelverunreinigungen im Prozessluftstrom und können unter Vakuum betrieben werden.

Die größte Designherausforderung bestand darin, das neue magnetgelagerte Gebläse im gleichen Raum unterzubringen wie das gasgelagerte herkömmliche Gebläse. Das AMB-System mit Positionssensoren und Stützlagern musste miniaturisiert werden, um in einen sehr begrenzten Raum zu passen.

Um die Umgebungsluft durch das FBCO2-System zu zirkulieren, nutzt das Gebläse ein fliegendes Radiallaufrad, das sich mit bis zu 60.000 U/min dreht. Vom Laufrad aus wird die Strömung durch das Gehäuse und um den zentral angeordneten Motorabschnitt herum geleitet. Durch die wirksame Abdichtung des Motors gegenüber dem Prozessfluss bleiben die Motor- und Lagerkomponenten frei von Erosion oder Ansammlung von Verunreinigungen.

Der Prozessfluss rund um den Motor und den Hohlraum der Magnetlager sorgt außerdem für eine Wärmeableitung für das Wärmemanagement des Stators. Backup-Lager bieten eine mechanische Backup-Funktion im Falle von Stoßbelastungen, die die Belastbarkeit der Magnetlager überschreiten, oder wenn im aktiven Magnetlagersystem ein Fehler oder ein Stromausfall auftritt.

Um die Vorteile des reibungsfreien Magnetlagersystems zu nutzen, kann der PM-Motor mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden, was eine verbesserte volumetrische und gravimetrische Leistungsdichte bietet. Der oberflächenmontierte PM-Rotor mit Radialfluss nutzt eine Kohlefaserhülse, um die dynamische Steifigkeit des Rotors und die Magnetretention zu gewährleisten und gleichzeitig eine verbesserte Permeabilität zu gewährleisten. Da der Luftwiderstand der einzige wesentliche Verlustmechanismus ist, kann ein Motor wie dieser einen Wirkungsgrad von über 98 Prozent erreichen.

Aus steuerungstechnischer Sicht ist das AMB wesentlich komplexer als herkömmliche mechanische Lager oder Luftlager. Geschwindigkeits- und Positionssensoren im Stator werden verwendet, um Geschwindigkeit und Ausrichtung des Rotors zu bestimmen. Elektromagnetische Aktuatoren liefern die Kraft, um den Rotor zu zentrieren, dynamischen Belastungen entgegenzuwirken und die Rotorposition mit fünf Steuerungsachsen sicher aufrechtzuerhalten. Permanentmagnete können verwendet werden, um das AMB-System vorzuspannen, um statische Lasten auszugleichen und den Steuerstrom zu reduzieren.

Der duale elektronische Controller von Calnetix verknüpft all dies, indem er Eingaben von den Sensoren entgegennimmt, die Drehzahl des Motors steuert und die relative Position des Rotors steuert. Die zusätzliche Komplexität bringt die Vorteile der Möglichkeit mit sich, die Leistung des Motors aktiv anzupassen, den Motorstatus in Echtzeit zu überwachen und den Zustand des Gebläses sowie des angeschlossenen Systems prognostisch zu überwachen.

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Langfristige menschliche Besiedlung im Weltraum oder auf anderen Planeten erfordert effiziente, robuste und äußerst zuverlässige Lösungen für die Verarbeitung der atembaren Atmosphäre und anderer gesundheitskritischer Systeme. „Das einzigartige Gebläsesystem wurde von der NASA erfolgreich auf der ISS installiert und ist seit Februar 2023 kontinuierlich in Betrieb“, sagte Vatche Artinian, CEO von Calnetix Technologies.

„Dies ist das erste Mal, dass ein fünfachsiges, magnetisch schwebendes System für den Einsatz in einer Orbitalanwendung in Betrieb genommen wird und als Technologie vielversprechend ist, die in vielen anderen Anwendungen wie Flüssigkeitspumpen, Reaktionsrädern und Gyroskopen eingesetzt werden kann.“ stellen herkömmliche Lagertechnologien vor Herausforderungen“, fügte Artinian hinzu.

Nach der Validierungsphase im aktuellen ISS-System könnten AMB und verwandte Hochgeschwindigkeits-PM-Motortechnologien weiterhin in zukünftigen Weltraummissionen wie Artemis, Orbital Reef und Mars-Missionen eingesetzt werden.

Dieser Artikel wurde von Matthew Farides, Director of Business Development, Calnetix Technologies (Cerritos, CA) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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