Development of an Elevated Temperature Loop Heat Pipe for Space Applications and Investigation of Non Condensable Gas Impact on its Performance

Un caloducto en bucle cerrado o Loop Heat Pipe (LHP) es un dispositivo de transferencia de calor cuyo principio de operación se basa en la evaporación/condensación de un fluido de trabajo, que es bombeado a través de un circuito cerrado gracias a fuerzas de capilaridad. Gracias a su flexibilidad, su baja masa y su mínimo (incluso nulo) consumo de potencia, su principal aplicación ha sido identificada como parte del subsistema de control térmico de vehículos espaciales. En el presente trabajo se ha desarrollado un LHP capaz de funcionar eficientemente a temperaturas de hasta 125 oC, siguiendo la actual tendencia de los equipos a bordo de satélites de incrementar su temperatura de operación. En la selección del diseño optimo para dicho LHP, la compatibilidad entre materiales y fluido de trabajo se identificó como uno de los puntos clave. Para seleccionar la mejor combinación, se llevó a cabo una exhaustiva revisión del estado del arte, además de un estudio especifico que incluía el desarrollo de un banco de ensayos de compatibilidad. Como conclusión, la combinación seleccionada como la candidata idónea para ser integrada en el LHP capaz de operar hasta 125 oC fue un evaporador de acero inoxidable, líneas de titanio y amoniaco como fluido de trabajo. En esa línea se diseñó y fabricó un prototipo para ensayos y se desarrolló un modelo de simulación con EcosimPro para evaluar sus prestaciones. Se concluyó que el diseño era adecuado para el rango de operación definido. La incompatibilidad entre el fluido de trabajo y los materiales del LHP está ligada a la generación de gases no condensables. Para un estudio más detallado de los efectos de dichos gases en el funcionamiento del LHP se analizó su comportamiento con diferentes cantidades de nitrógeno inyectadas en su cámara de compensación, simulando un gas no condensable formado en el interior del dispositivo. El estudio se basó en el análisis de las temperaturas medidas experimentalmente a distintos niveles de potencia y temperatura de sumidero o fuente fría. Adicionalmente, dichos resultados se compararon con las predicciones obtenidas por medio del modelo en EcosimPro. Las principales conclusiones obtenidas fueron dos. La primera indica que una cantidad de gas no condensable más de dos veces mayor que la cantidad generada al final de la vida de un satélite típico de telecomunicaciones (15 años) tiene efectos casi despreciables en el funcionamiento del LHP. La segunda es que el principal efecto del gas no condensable es una disminución de la conductancia térmica, especialmente a bajas potencias y temperaturas de sumidero. El efecto es más significativo cuanto mayor es la cantidad de gas añadida. Asimismo, durante la campaña de ensayos se observó un fenómeno no esperado para grandes cantidades de gas no condensable. Dicho fenómeno consiste en un comportamiento oscilatorio, detectado tanto en los ensayos como en la simulación. Este efecto es susceptible de una investigación más profunda y los resultados obtenidos pueden constituir la base para dicha tarea. ABSTRACT Loop Heat Pipes (LHPs) are heat transfer devices whose operating principle is based on the evaporation/condensation of a working fluid, and which use capillary pumping forces to ensure the fluid circulation. Thanks to their flexibility, low mass and minimum (even null) power consumption, their main application has been identified as part of the thermal control subsystem in spacecraft. In the present work, an LHP able to operate efficiently up to 125 oC has been developed, which is in line with the current tendency of satellite on-board equipment to increase their operating temperatures. In selecting the optimal LHP design for the elevated temperature application, the compatibility between the materials and working fluid has been identified as one of the main drivers. An extensive literature review and a dedicated trade-off were performed, in order to select the optimal combination of fluids and materials for the LHP. The trade-off included the development of a dedicated compatibility test stand. In conclusion, the combination of stainless steel evaporator, titanium piping and ammonia as working fluid was selected as the best candidate to operate up to 125 oC. An LHP prototype was designed and manufactured and a simulation model in EcosimPro was developed to evaluate its performance. The first conclusion was that the defined LHP was suitable for the defined operational range. Incompatibility between the working fluid and LHP materials is linked to Non Condensable Gas (NCG) generation. Therefore, the behaviour of the LHP developed with different amounts of nitrogen injected in its compensation chamber to simulate NCG generation, was analyzed. The LHP performance was studied by analysis of the test results at different temperatures and power levels. The test results were also compared to simulations in EcosimPro. Two additional conclusions can be drawn: (i) the effects of an amount of more than two times the expected NCG at the end of life of a typical telecommunications satellite (15 years) is almost negligible on the LHP operation, and (ii) the main effect of the NCG is a decrease in the LHP thermal conductance, especially at low temperatures and low power levels. This decrease is more significant with the progressive addition of NCG. An unexpected phenomenon was observed in the LHP operation with large NCG amounts. Namely, an oscillatory behaviour, which was observed both in the tests and the simulation. This effect provides the basis for further studies concerning oscillations in LHPs.

Image sub-segmentation by PFCM and Artificial Neural Networks to detect pore space in 2D and 3D CT soil images

The image by Computed Tomography is a non-invasive alternative for observing soil structures, mainly pore space. The pore space correspond in soil data to empty or free space in the sense that no material is present there but only fluids, the fluid transport depend of pore spaces in soil, for this reason is important identify the regions that correspond to pore zones. In this paper we present a methodology in order to detect pore space and solid soil based on the synergy of the image processing, pattern recognition and artificial intelligence. The mathematical morphology is an image processing technique used for the purpose of image enhancement. In order to find pixels groups with a similar gray level intensity, or more or less homogeneous groups, a novel image sub-segmentation based on a Possibilistic Fuzzy c-Means (PFCM) clustering algorithm was used. The Artificial Neural Networks (ANNs) are very efficient for demanding large scale and generic pattern recognition applications for this reason finally a classifier based on artificial neural network is applied in order to classify soil images in two classes, pore space and solid soil respectively.

Estructura de una red esencial de señalización que regula la homeostasis iónica en plantas

Las plantas son organismos sésiles que han desarrollado la capacidad para detectar variaciones sutiles en su ambiente y producir respuestas adaptativas mediante rutas de señalización. Los estímulos causados por el estrés biótico y abiótico son numerosos y dependiendo del tiempo de exposición y su intensidad, pueden reducir la tasa de crecimiento de las plantas y la producción. Los cambios en la concentración del calcio citosólico libre constituyen una de las primeras reacciones intracelulares a las situaciones de estrés abiótico. En esta situación, el calcio actúa como segundo mensajero y las variaciones en su concentración son descodificadas por proteínas de unión a calcio. Las más conocidas son las manos-EF y los dominios C2. Los dominios C2 han sido descritos como dominios de unión a lípidos dependientes de calcio. Estos dominios se consideran proteínas periféricas solubles en agua que se asocian de manera reversible a los lípidos de la membrana mediante una o dos regiones funcionales: el sitio de unión a calcio y el sitio polibásico. A pesar de que se conoce la estructura molecular de algunos dominios C2, se desconocen aspectos relacionados como las reglas que dirigen su forma de interaccionar con los diferentes fosfolípidos y proteínas, la posición que ocupan en la bicapa lipídica y su papel en la transmisión de señales. En esta tesis se ha estudiado una proteína de Arabidopsis thaliana (At3g17980) representativa de una nueva familia de proteínas con dominios C2, que consiste únicamente de un dominio C2. Esta proteína, llamada AtC2.1, ha sido clonada en el vector pETM11, expresada en E. coli y purificada a homogeneidad en dos pasos cromatográficos. Se obtuvieron cristales de AtC2.1 de buena calidad mediante técnicas de difusión de vapor. La proteína fue co-cristalizada con calcio, fosfocolina (POC) y el fosfolípido 1,2-dihexanoil-sn-glicero-3-fosfo-L-serina (PSF). Se recogieron ocho conjuntos de datos de difracción de rayos X empleando radiación sincrotrón. Los cristales difractaron hasta 1.6 Å de resolución. Siete de ellos pertenecían al grupo ortorrómbico P212121, con las dimensiones de la celdilla unidad a = 35.3, b = 88.9, c = 110.6 Å, y un cristal pertenecía al grupo espacial monoclínico C2, con a = 124.84, b = 35.27, c = 92.32 Å y = 121.70º. La estructura se resolvió mediante la técnica MR-SAD utilizando el cinc como dispersor anómalo. La estructura cristalina mostró que la molécula forma un dímero en el que cada protómero se pliega como un dominio C2 típico, con la topología tipo II y presenta una inserción de 43 aminoácidos que la diferencia de los dominios C2 conocidos. El mapa de densidad electrónica mostró dos átomos de calcio por protómero. Se resolvieron las estructuras de AtC2.1 en complejo con POC o PSF. En ambos complejos, el análisis cristalográfico detectó máximos de densidad electrónica en la región correspondiente al sitio polibásico formado por las hebras 2, 3 5 y el lazo 3. Éstos se interpretaron correctamente como dos moléculas de POC y un átomo de cinc, en un complejo, y como la cabeza polar del PSF en el otro. AtC2.1 define un sitio de interacción con lípidos dependiente de cinc. En conclusión, en este trabajo se presenta la estructura tridimensional de AtC2.1, miembro representativo de una familia de proteínas de Arabidopsis thaliana, identificadas como proteínas que interaccionan con los receptores de ABA. Estas proteínas están constituidas únicamente por un dominio C2. El análisis conjunto de los datos biofísicos y cristalográficos muestra que AtC2.1 es un sensor de calcio que une lípidos usando dos sitios funcionales. Estos datos sugieren un mecanismo de inserción en membrana dependiente de calcio que trae consigo la disociación de la estructura dimérica y, por consiguiente, un cambio en las propiedades de superficie de la molécula. Este mecanismo proporciona las bases del reconocimiento y transporte de los receptores de ABA y/o otras moléculas a la membrana celular. Plants are sessile organisms that have developed the capacity to detect slight variations of their environment. They are able to perceive biotic and abiotic stress signals and to transduce them by signaling pathways in order to trigger adaptative responses. Stress factors are numerous and, depending on their exposition time and their concentration, can reduce plant growth rate, limiting the productivity of crop plants. Changes in the cytosolic free calcium concentration are observed as one of the earliest intracellular reactions to abiotic stress signals. Calcium plays a key role as a second messenger, and calcium concentration signatures, called calcium signals, are decodified by calcium binding proteins. The main calcium binding structures are the EF-hand motif and the C2 domains. C2 domain is a calcium dependent lipid-binding domain of approximately 130 amino acids. C2 domain displays two functional regions: the Ca-binding region and the polybasic cluster. Both of them can interact with the membrane phospholipids. Despite the number of C2 domain 3D structures currently available, questions about how they interact with the different target phospholipids, their precise spatial position in the lipid bilayer, interactions with other proteins and their role in transmitting signals downstream, have not yet been explored. In this work we have studied an uncharacterized protein from Arabidopsis thaliana (At3g17980) consisting of only a single C2 domain, as member of a new protein C2-domain family. This protein called AtC2.1 was cloned into the pETM11 vector and expressed in E. coli, allowing the purification to homogeneity in two chromatographic steps. Good quality diffracting crystals were obtained using vapor-diffusion techniques. Crystals were co-crystalized with calcium; phosphocholine (POC) and/or the phospholipid 1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine (PSF). Eight data set were collected with synchrotron radiation. Crystals diffracted up to 1.6 Å resolution and seven of them belong to the orthorhombic space group P212121, with unit-cell parameters a = 35.3, b = 88.9, c = 110.6 Å. Another crystal was monoclinic, space group C2, with a = 124.84, b = 35.27, c = 92.32 Å and = 121.70º. The structural model was solved by MR-SAD using Zn2+ as anomalous scatterer. The crystal structure shows that the molecule is a dimer. Each monomer was folded as a canonical C2 domain with the topology II with a 43 residues insertion. The electron density map reveals two calcium ions per molecule. Structures of AtC2.1, complexed with POC and PSF, have been solved. Well-defined extra electron densities were found, in both complexes, within the concave surface formed by strands 2, 3, 5 and loop 3 of AtC2.1. These densities were clearly explained by the presence of the two POC molecules, one zinc atom and head groups of PSF, occupying the cavity of the polybasic site. AtC2.1 defines a new metal dependent lipid-binding site into the polybasic site. In conclusion, in this thesis it is presented the molecular structure of AtC2.1, a representative member of a family of Arabidopsis thaliana C2 domain proteins, of unknown function, but identified as a molecular interacting unit of the ABA receptors. The joint analyses of the biophysical and crystallographic data show that AtC2.1 is a calcium sensor that binds lipids in two sites and suggest a model of calcium-dependent membrane insertion mechanism that will involve either dimer dissociation or a strong rearrangement of the dimeric structure. This mechanism may be the basis for the recognition and delivery of ABA receptors or other protein molecules to cell membranes.

Propellantless de orbiting of space debris by bare electrodynamic tethers

A 3-year Project started on November 1 2010, financed by the European Commision within the FP-7 Space Program, and aimed at developing an efficient de-orbit system that could be carried on board by future spacecraft launched into LEO, will be presented. The operational system will deploy a thin uninsulated tape-tether to collect electrons as a giant Langmuir probe, using no propellant/no power supply, and generating power on board. This project will involve free-fall tests, and laboratory hypervelocity-impact and tether-current tests, and design/Manufacturing of subsystems: interface elements, electric control and driving module, electron-ejecting plasma contactor, tether-deployment mechanism/end-mass, and tape samples. Preliminary results to be presented involve: i) devising criteria for sizing the three disparate tape dimensions, affecting mass, resistance, current-collection, magnetic self-field, and survivability against debris itself; ii) assessing the dynamical relevance of tether parameters in implementing control laws to limit oscillations in /off the orbital plane, where passive stability may be marginal; iii) deriving a law for bare-tape current from numerical simulations and chamber tests, taking into account ambient magnetic field, ion ram motion, and adiabatic electron trapping; iv) determining requirements on a year-dormant hollow cathode under long times/broad emission-range operation, and trading-off against use of electron thermal emission; v) determining requirements on magnetic components and power semiconductors for a control module that faces high voltage/power operation under mass/volume limitations; vi) assessing strategies to passively deploy a wide conductive tape that needs no retrieval, while avoiding jamming and ending at minimum libration; vii) evaluating the tape structure as regards conductive and dielectric materials, both lengthwise and in its cross-section, in particular to prevent arcing in triple-point junctions.

BETs: Propellant less de orbiting of space debris by bare electrodynamic tethers

As a fundamental contribution to limiting the increase of debris in the Space environment, a three-year project started on 1 November 2010 financed by the European Commission under the FP-7 Space Programme. It aims at developing a universal system to be carried on board future satellites launched into low Earth orbit (LEO), to allow de-orbiting at end of life. The operational system involves a conductive tape-tether left bare of insulation to establish anodic contact with the ambient plasma as a giant Langmuir probe. The project will size the three disparate dimensions of a tape for a selected de-orbit mission and determine scaling laws to allow system design for a general mission. It will implement control laws to restrain tether dynamics in/off the orbital plane; and will carry out plasma chamber measurements and numerical simulations of tether-plasma interaction. The project also involves the design and manufacturing of subsystems: electron-ejecting plasma contactors, an electric control and power module, interface elements, tether and deployment mechanisms, tether tape/end-mass as well as current collection plus free-fall, and hypervelocity impact tests.

NURBS-Based Geometry Parameterization for Aerodynamic Shape Optimization

La motivación de esta tesis es el desarrollo de una herramienta de optimización automática para la mejora del rendimiento de formas aerodinámicas enfocado en la industria aeronáutica. Este trabajo cubre varios aspectos esenciales, desde el empleo de Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), al cálculo de gradientes utilizando la metodología del adjunto continuo, el uso de b-splines volumétricas como parámetros de diseño, el tratamiento de la malla en las intersecciones, y no menos importante, la adaptación de los algoritmos de la dinámica de fluidos computacional (CFD) en arquitecturas hardware de alto paralelismo, como las tarjetas gráficas, para acelerar el proceso de optimización. La metodología adjunta ha posibilitado que los métodos de optimización basados en gradientes sean una alternativa prometedora para la mejora de la eficiencia aerodinámica de los aviones. La formulación del adjunto permite calcular los gradientes de una función de coste, como la resistencia aerodinámica o la sustentación, independientemente del número de variables de diseño, a un coste computacional equivalente a una simulación CFD. Sin embargo, existen problemas prácticos que han imposibilitado su aplicación en la industria, que se pueden resumir en: integrabilidad, rendimiento computacional y robustez de la solución adjunta. Este trabajo aborda estas contrariedades y las analiza en casos prácticos. Como resumen, las contribuciones de esta tesis son: • El uso de NURBS como variables de diseño en un bucle de automático de optimización, aplicado a la mejora del rendimiento aerodinámico de alas en régimen transónico. • El desarrollo de algoritmos de inversión de punto, para calcular las coordenadas paramétricas de las coordenadas espaciales, para ligar los vértices de malla a las NURBS. • El uso y validación de la formulación adjunta para el calculo de los gradientes, a partir de las sensibilidades de la solución adjunta, comparado con diferencias finitas. • Se ofrece una estrategia para utilizar la geometría CAD, en forma de parches NURBS, para tratar las intersecciones, como el ala-fuselaje. • No existen muchas alternativas de librerías NURBS viables. En este trabajo se ha desarrollado una librería, DOMINO NURBS, y se ofrece a la comunidad como código libre y abierto. • También se ha implementado un código CFD en tarjeta gráfica, para realizar una valoración de cómo se puede adaptar un código sobre malla no estructurada a arquitecturas paralelas. • Finalmente, se propone una metodología, basada en la función de Green, como una forma eficiente de paralelizar simulaciones numéricas. Esta tesis ha sido apoyada por las actividades realizadas por el Área de Dinámica da Fluidos del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), a través de numerosos proyectos de financiación nacional: DOMINO, SIMUMAT, y CORESFMULAERO. También ha estado en consonancia con las actividades realizadas por el departamento de Métodos y Herramientas de Airbus España y con el grupo Investigación y Tecnología Aeronáutica Europeo (GARTEUR), AG/52. ABSTRACT The motivation of this work is the development of an automatic optimization strategy for large scale shape optimization problems that arise in the aeronautics industry to improve the aerodynamic performance; covering several aspects from the use of Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), the calculation of the gradients with the continuous adjoint formulation, the development of volumetric b-splines parameterization, mesh adaptation and intersection handling, to the adaptation of Computational Fluid Dynamics (CFD) algorithms to take advantage of highly parallel architectures in order to speed up the optimization process. With the development of the adjoint formulation, gradient-based methods for aerodynamic optimization become a promising approach to improve the aerodynamic performance of aircraft designs. The adjoint methodology allows the evaluation the gradients to all design variables of a cost function, such as drag or lift, at the equivalent cost of more or less one CFD simulation. However, some practical problems have been delaying its full implementation to the industry, which can be summarized as: integrability, computer performance, and adjoint robustness. This work tackles some of these issues and analyse them in well-known test cases. As summary, the contributions comprises: • The employment of NURBS as design variables in an automatic optimization loop for the improvement of the aerodynamic performance of aircraft wings in transonic regimen. • The development of point inversion algorithms to calculate the NURBS parametric coordinates from the space coordinates, to link with the computational grid vertex. • The use and validation of the adjoint formulation to calculate the gradients from the surface sensitivities in an automatic optimization loop and evaluate its reliability, compared with finite differences. • This work proposes some algorithms that take advantage of the underlying CAD geometry description, in the form of NURBS patches, to handle intersections and mesh adaptations. • There are not many usable libraries for NURBS available. In this work an open source library DOMINO NURBS has been developed and is offered to the community as free, open source code. • The implementation of a transonic CFD solver from scratch in a graphic card, for an assessment of the implementability of conventional CFD solvers for unstructured grids to highly parallel architectures. • Finally, this research proposes the use of the Green's function as an efficient paralellization scheme of numerical solvers. The presented work has been supported by the activities carried out at the Fluid Dynamics branch of the National Institute for Aerospace Technology (INTA) through national founding research projects: DOMINO, SIMUMAT, and CORESIMULAERO; in line with the activities carried out by the Methods and Tools and Flight Physics department at Airbus and the Group for Aeronautical Research and Technology in Europe (GARTEUR) action group AG/52.