Thermal control of SUNRISE, a balloon-borne solar telescope

SUNRISE is a balloon-borne solar telescope flown with a long-duration balloon by NASA's Columbia Scientific Balloon Facility team from Esrange (Swedish Space Corporation), on 8 June 2009. SUNRISE has been a challenging mission from the thermal point of view because of its size and power dissipation. Thus, a dedicated thermal analysis has been carried out to find a solution that allows all the devices to be kept within their appropriate temperature ranges, without exceeding the allowable temperature gradients, critical for optical devices. In this article, the thermal design of SUNRISE is described. A geometrical mathematical model and a thermal mathematical model of the whole system have been set up for the different load cases in order to obtain the temperature distribution and gradients in the system. Some trade-offs have been necessary to fulfil all the thermal requirements. The thermal hardware used to achieve it is described. Finally, the temperatures obtained with the models have been compared with flight data.

Thermal control of SUNRISE, a balloon-borne solar telescope

SUNRISE is a balloon-borne solar telescope flown with a long-duration balloon by NASA's Columbia Scientific Balloon Facility team from Esrange (Swedish Space Corporation), on 8 June 2009. SUNRISE has been a challenging mission from the thermal point of view because of its size and power dissipation. Thus, a dedicated thermal analysis has been carried out to find a solution that allows all the devices to be kept within their appropriate temperature ranges, without exceeding the allowable temperature gradients, critical for optical devices. In this article, the thermal design of SUNRISE is described. A geometrical mathematical model and a thermal mathematical model of the whole system have been set up for the different load cases in order to obtain the temperature distribution and gradients in the system. Some trade-offs have been necessary to fulfil all the thermal requirements. The thermal hardware used to achieve it is described. Finally, the temperatures obtained with the models have been compared with flight data.

Analytical study of the thermal behaviour and stability of a small satellite

In this work the thermal analysis of a small satellite orbiting around the Earth has been approached by direct integration of the heat balance equations of a two-node reduced model, obtaining a linearized second order ODE problem, similar in form to the classical case of the forced vibration of a damped system. As the thermal loads (solar radiation, albedo, etc.) are harmonic, the problem is solved by means of Fourier analysis methods. Research on that field can be directly applied to the analysis of thermal problems and the results obtained are satisfactory. Working on the frequency domain streamlines the analysis, simplifies the study and facilitates the experimental testing. The transfer functions are obtained for the two-node case but the study can be extended to an n-node model.

Fresnel-based modular solar fields for performance/cost optimization in solar thermal power plants: A comparison with parabolic trough collectors.

Linear Fresnel collectors are identified as a technology that should play a main role in order to reduce cost of Concentrating Solar Power. An optical and thermal analysis of the different blocks of the solar power plant is carried out, where Fresnel arrays are compared with the most extended linear technology: parabolic trough collectors. It is demonstrated that the optical performance of Fresnel array is very close to that of PTC, with similar values of maximum flux intensities. In addition, if the heat carrier fluid flows in series by the tubes of the receiver, relatively high thermal efficiencies are achieved. Thus, an annual solar to electricity efficiency of 19% is expected, which is similar to the state of the art in PTCs; this is done with a reduction of costs, thanks to lighter structures, that drives to an estimation of LCOE of around 6.5 c€/kWh.

Nanomateriais luminescentes de terras raras utilizando complexos de benzenotricarboxilatos como precursores

O material Y2O3:Eu3+ vem sendo usado comercialmente como luminóforo vermelho desde da década de 1960, em uma grande variedade de aplicações devido ao seu elevado rendimento quântico (próximo de 100 %), elevada pureza de cor e boa estabilidade. Portanto, este trabalho propõe um novo método de síntese baseado nos complexos benzenotricarboxilatos (BTC) de terras raras trivalentes (RE3+) dopados com íons Eu3+. O objetivo principal é produzir materiais luminescente RE2O3:Eu3+ a temperatura mais baixa (500 °C) e em escala nanométrica. Os complexos precursores [RE(BTC):Eu3+] e [RE(TLA)·n(H2O):Eu3+], onde RE3+: Y, Gd e Lu; BTC: ácido trimésico (TMA) e ácido trimelítico (TLA) foram calcinados em diferentes temperaturas de 500 a 1000 °C, a fim de obter os materiais luminescentes RE2O3:Eu3+. Os complexos foram caracterizados por análise elementar de carbono e hidrogênio, analise térmica (TG), espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR), difração de raios-X - método do pó (XPD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM). Todos os complexos são cristalinos e termo estáveis até 460 °C. Dados de fosforescência dos complexos de Y, Gd e Lu mostram que o nível T1 do aníon BTC3- tem energia acima do nível emissor 5D0 do íon Eu3+, indicando que os ligantes podem atuar como sensibilizadores de energia intramolecular. O estudo das propriedades fotoluminescentes dos complexos dopados foi baseado nos espectros de excitação e emissão e curvas de decaimento de luminescência. Ademais, foram determinados os parâmetros de intensidades experimentais (Ωλ), tempos de vida (τ), taxas de decaimentos radiativo (Arad) e não-radiativo (Anrad). Os materiais luminescentes RE2O3:Eu3+ foram sintetizados de forma bem sucedida por meio do método benzenotricarboxilatos calcinados a 500, 600, 700, 800, 900 e 1000 °C, apresentando alta homogeneidade química e controle de tamanho de cristalito. Os nanomateriais foram caracterizados pelas técnicas de FTIR, XPD SEM e TEM revelando a obtenção dos materiais C-RE2O3:Eu3+ mesmo a 500 °C. Os dados de XPD dos materiais confirmaram um aumento do tamanho dos cristalitos de 5 até 52 nm (equação de Scherrer) de em função da temperatura de calcinação de 500 a 1000 °C, respectivamente, corroborados pelas técnicas de SEM e TEM. Os espectros de emissão de RE2O3:Eu3+ mostram uma banda larga atribuída a transição interconfiguracional de transferência de carga ligante-metal (LMCT) em 260 nm, i.e. O2-(2p)→Eu3+(4f6). Além disso, foram observadas linhas finas de absorção devido as transições intraconfiguracionais 4f do íon európio (7F0,1𔾹LJ; J: 0, 1, 2, 3 e 4), como esperado. As propriedades fotoluminescentes dos luminóforos foram baseadas nos espectros (excitação e emissão) e curvas de decaimento luminescente. Os parâmetros de intensidade experimental, tempos de vida, assim como as taxas de decaimentos radiativos e não radiativos foram calculados. As propriedades fotônicas dos nanomateriais são consistentes com o sítio de baixa simetria C2 ocupado pelo íon Eu3+ no C-RE2O3:Eu3+, produzindo emissão vermelha dominada pela transição hipersensível 5D0𔾻F2 do íon Eu3+ no sitio C2, ao invés do sítio centrossimétrico S6. Além disso, os nanomateriais Y2O3:Eu3+ exibem características espectroscópicas semelhantes e elevados valores de eficiência quântica (η~91 %), compatível com os luminóforos comerciais disponíveis no mercado. Este novo método pode ser utilizado para o desenvolvimento de novos nanomateriais contendo íons terras raras, assim como outros íons metálicos.

Caracterização físico-química e analítica de fibras capilares e ingredientes cosméticos para proteção

Com o aumento dos tratamentos químicos e/ou físicos nos cabelos aos quais são realizados mediante o uso de dispositivos térmicos, há uma maior preocupação a respeito dos danos causados aos cabelos por estes tipos de tratamentos. O conhecimento dos efeitos, benefícios e/ou malefícios, de ingredientes cosméticos em cabelos torna-se necessário, pois facilita a busca por produtos baseada no tipo de cabelo. O principal objetivo do trabalho foi a caracterização físico-química, analítica e térmica de mechas de cabelo de diferentes etnias (caucasiano, oriental e afro-étnico virgem e brasileiro virgem e descolorido) antes e após o uso de ingredientes cosméticos seguido de um tratamento térmico (utilizando piastra) e intercalando com lavagens. O estudo das amostras de cabelo e de uma amostra de queratina animal envolveu a utilização das técnicas de TG/DTG, DSC, análise elementar, FTIR, MEV e técnicas de avaliação de eficácia, como tensão/deformação, penteabilidade e quebra por escovação. A partir da TG/DTG, foi possível avaliar as etapas de decomposição térmica das amostras de cabelo virgem e de queratina animal e estas apresentaram um comportamento térmico semelhante entre si. O estudo cinético não isotérmico por TG mostrou que, dos diferentes tipos de amostras de cabelo virgem, o afro-étnico apresentou menor estabilidade térmica e o oriental foi o mais estável termicamente. Os resultados de DSC corroboraram os obtidos por TG, demonstrando que a amostra de cabelo afro-étnico apresentou temperatura de desnaturação térmica das cadeias de α-queratina menor (TD = 223°C) do que as amostras dos outros tipos de cabelo (TD = 236°C). As mechas de cabelo virgem e clareadas foram tratadas com formulações cosméticas contendo silicones e avaliadas quanto a eficiência destes na proteção térmica dos cabelos. Algumas delas mostraram eficiência na proteção térmica das cadeias de α-queratina, diminuindo o seu grau de desnaturação. Foi possível observar que a associação do calor da piastra com as lavagens sucessivas causou danos tanto à cutícula (conforme resultados de FTIR e MEV), como também, ao córtex dos cabelos (conforme resultados de DSC). Em alguns casos, os danos causados foram tão graves que as camadas mais superficiais da cutícula sofreram descamações. O estudo mostrou, também, que a eficiência da proteção térmica nos cabelos depende do tipo da formulação cosmética em que estes protetores estão incorporados e do estado em que os cabelos se encontram. A DSC permitiu a avaliação da modificação termicamente induzida das cadeias de α-queratina e sua posterior desnaturação. O estudo envolvendo a associação das diferentes técnicas apresentou-se viável na avaliação tanto dos danos causados aos cabelos quanto na eficiência dos ingredientes cosméticos na proteção térmica dos mesmos.

Utilização de resíduo de mármore e de óxido de boro em escórias sintéticas dessulfurantes para aços.

O mercado atual exige das indústrias siderúrgicas aços de melhor qualidade produzidos por meio de processos que causem menor impacto ao meio ambiente. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo reciclar o resíduo de mármore gerado na indústria de rochas ornamentais, que possui em sua composição óxido de cálcio (CaO) e óxido de magnésio (MgO). O CaO é suficiente para substituir a cal nas escórias e o MgO contribui para a diminuição do desgaste dos refratários, através do emprego do resíduo no processo produtivo do aço. Além disso, foi realizada a substituição da fluorita por óxido de boro como fluxante na composição de misturas dessulfurantes. O resíduo de mármore foi caracterizado utilizando as seguintes técnicas: análise química via EDXFR, análise granulométrica via espalhamento de luz, área de superfície específica pelo método BET, difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise de micro-regiões por EDS. Visando verificar a eficiência na dessulfuração, foram formuladas misturas sintéticas utilizando a cal convencional ou resíduo de mármore, e a fluorita ou o óxido de boro. As misturas foram formuladas com o auxílio dos programas de termodinâmica computacional, Thermo-Calc e FactSage. Estas misturas foram adicionadas no aço fundido a temperatura de 1600°C sob atmosfera de argônio e agitadas por meio de um rotor de alumina. Amostras de metal foram retiradas para verificar a variação do teor de enxofre durante o experimento. O resíduo de mármore caracterizado, apresentou em sua composição 40% de CaO e 14% de MgO, na forma dos carbonatos CaCO3 e MgCO3. Obteve uma perda de massa de 42,1%, na forma de CO2 a temperatura de 780°C. Os experimentos mostraram que, as misturas testadas apresentaram, na maioria dos casos, eficiência de dessulfuração acima de 60%.

The influence of surfactant loading level in a montmorillonite on the thermal, mechanical and rheological properties of EVA nanocomposites

In this work, montmorillonite (Mt) has been organically modified with ethyl hexadecyl dimethyl ammonium (EHDDMA) in 20, 50, 80 and 100% of the nominal exchange capacity (CEC) of the Mt. A full characterization of the organo-montmorillonite (OMt) obtained has been made, including thermal analysis, X-Ray Diffraction, elemental analysis CHN and nitrogen adsorption. According to the results, 12% in mass of the surfactant added is strongly retained by the Mt. When the mass percentage of EHDDMA exchanged in the OMt is increased up to this level, the interactions OMt–EHDDMA are steeply reduced depending on the EHDDMA content. Clay polymer nanocomposites (CPN) were prepared by melt mixing of EVA and different loads of OMt. The CPN were compress molded to obtain 1 mm thick sheets, which have been characterized according to their mechanical, thermal and rheological behaviors. The major changes in the structure of the OMt are obtained for low contents of EHDDMA. Nevertheless, the CPN containing OMt exchanged at 20 and 50% of the CEC show relatively low effect of the EHDDMA while the mechanical response and rheological behavior of CPN with OMt modified at 80 and 100% of the CEC are much more pronounced.

Pyrolysis and combustion study of flexible polyurethane foam

The thermal degradation of flexible polyurethane foam has been studied under different conditions by thermogravimetric analysis (TG), thermogravimetric analysis-infrared spectrometry (TG-IR) and thermogravimetric analysis-mass spectrometry (TG-MS). For the kinetic study, dynamic and dynamic+isothermal runs were performed at different heating rates (5, 10 and 20 °C min−1) in three different atmospheres (N2, N2:O2 4:1 and N2:O2 9:1). Two reaction models were obtained, one for the pyrolysis and another for the combustion degradation (N2:O2 4:1 and N2:O2 9:1), simultaneously correlating the experimental data from the dynamic and dynamic+isothermal runs at different heating rates. The pyrolytic model considered consisted of two consecutive reactions with activation energies of 142 and 217.5 kJ mol−1 and reaction orders of 0.805 and 1.246. Nevertheless, to simulate the experimental data from the combustion runs, three consecutive reactions were employed with activation energies of 237.9, 103.5 and 120.1 kJ mol−1, and reaction orders of 2.003, 0.778 and 1.025. From the characterization of the sample employing TG-IR and TG-MS, the results obtained showed that the FPUF, under an inert atmosphere, started the decomposition breaking the urethane bond to produce long chains of ethers which were degraded immediately in the next step. However, under an oxidative atmosphere, at the first step not only the urethane bonds were broken but also some ether polyols started their degradation which finished at the second step producing a char that was degraded at the last stage.

Layered silicate nanocomposites based on various high-functionality epoxy resins: The influence of an organoclay on resin cure

The influence of an organically modified clay on the curing behavior of three epoxy systems widely used in the aerospace industry and of different structures and functionalities, was studied. Diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA), triglycidyl p-amino phenol (TGAP) and tetraglycidyl diamino diphenylmethane (TGDDM) were mixed with an octadecyl ammonium ion modified organoclay and cured with diethyltoluene diamine (DETDA). The techniques of dynamic mechanical thermal analysis (DMTA), chemorheology and differential scanning calorimetry (DSC) were applied to investigate gelation and vitrification behavior, as well as catalytic effects of the clay on resin cure. While the formation of layered silicate nanocomposite based on the bifunctional DGEBA resin has been previously investigated to some extent, this paper represents the first detailed study of the cure behavior of different high performance, epoxy nanocomposite systems.

Poly(hydroxyether of phenolphthalein) and its blends with poly(ethylene oxid)

Poly(hydroxyether of phenolphthalein) (PPH) was synthesized through the polycondensation of phenolphthalein with epichlorohydrin. It was characterized by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, NMR spectroscopy, and differential scanning calorimetry (DSC). The miscibility of the blends of PPH with poly(ethylene oxide) (PEO) was established on the basis of the thermal analysis results. DSC showed that the PPH/PEO blends prepared via casting from N,N-dimethylformamide possessed single, composition-dependent glass-transition temperatures. Therefore, the blends were miscible in the amorphous state for all compositions. FTIR studies indicated that there were competitive hydrogen-bonding interactions with the addition of PEO to the system, which were involved with (OHO)-O-. . .=C

Effect of preparation conditions on the formation of the active phase of carbon fiber catalytic systems for the low-temperature oxidation of carbon monoxide

We studied the effects of the composition of impregnating solution and heat treatment conditions on the activity of catalytic systems for the low-temperature oxidation of CO obtained by the impregnation of Busofit carbon-fiber cloth with aqueous solutions of palladium, copper, and iron salts. The formation of an active phase in the synthesized catalysts at different stages of their preparation was examined with the use of differential thermal and thermogravimetric analyses, X-ray diffraction analysis, X-ray photoelectron spectroscopy, and elemental spectral analysis. The catalytic system prepared by the impregnation of electrochemically treated Busofit with the solutions of PdCl, FeCl, CuBr, and Cu(NO ) and activated under optimum conditions ensured 100% CO conversion under a respiratory regime at both low (0.03%) and high (0.5%) carbon monoxide contents of air. It was found that the activation of a catalytic system at elevated temperatures (170-180°C) leads to the conversion of Pd(II) into Pd(I), which was predominantly localized in a near-surface layer. The promoting action of copper nitrate consists in the formation of a crystalline phase of the rhombic atacamite CuCl(OH). The catalyst surface is finally formed under the conditions of a catalytic reaction, when a joint Pd(I)-Cu(I) active site is formed. © 2014 Pleiades Publishing, Ltd.

Preformulation studies on grewia gum as a formulation excipient

Grewia gum is a naturally occurring polysaccharide which has potential as a pharmaceutical excipient. Differential scanning calorimetry and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy techniques were used to examine the thermal and molecular behaviours, respectively, of mixtures of grewia gum with cimetidine, ibuprofen or standard excipients, to assess potential interactions. No disappearance or broadening of the melting endotherm was seen with cimetidine or ibuprofen. Similarly, there was no interaction between grewia gum and the standard excipients tested. The results obtained using thermal analyses were supported by FT-IR analysis of the material mixtures. Grewia gum is an inert natural polymer which can be used alone or in combination with other excipients in the formulation of pharmaceutical dosage forms. © 2011 Akadémiai Kiadó, Budapest, Hungary.