Un team europeo ha sviluppato un segmento di tubo per applicazioni spaziali stampato in 3D che integra resistenza riscaldante e sensore di temperatura, con l’obiettivo di semplificare l’integrazione dei sistemi termici nei satelliti di telecomunicazione ad alta potenza. Il lavoro è rivolto ai Mechanically Pumped Loops (MPL) a due fasi, che stanno sostituendo le tradizionali heat pipe nelle piattaforme più potenti, e che richiedono una distribuzione accurata di riscaldatori e sensori RTD (Resistance Temperature Detector) lungo le tubazioni per gestire stratificazione del fluido e procedure di riavvio. Oggi questi elementi sono per lo più heater in Kapton e sonde di temperatura esterne, incollati alla superficie dei tubi con cablaggi fragili e costi elevati in termini di tempo di assemblaggio e integrazione. Il progetto applica un approccio Design for Additive Manufacturing (DfAM) per consolidare in un unico componente strutturale funzioni termiche, elettriche e fluidiche, riducendo il tempo di lavoro in Assembly, Integration & Test (AIT) e migliorando il controllo del calore lungo geometrie curve.
Partenariato europeo e specifiche del prototipo: acciaio 316L, LPBF e AJP
Il dimostratore è frutto di una collaborazione tra CSEM (design e sensore stampato), LISI Aerospace Additive Manufacturing (produzione metallica additiva), Thales Alenia Space (requisiti e validazione) con il supporto di CERN, nell’ambito di un progetto finanziato dal programma europeo ATTRACT (iniziativa AHEAD). Il componente è un segmento di tubo lungo 150 mm, con mezzo pollice di diametro esterno, realizzato in acciaio inox 316L mediante Laser Powder Bed Fusion (LPBF) su sistema EOS M400‑1, seguito da operazioni di isolamento, lavorazioni meccaniche e integrazione di componenti. La parte integra un riscaldatore resistivo distribuito con potenza nominale fino a 60 W, cablaggi elettrici interni stampati nel corpo, un connettore D‑sub form‑fit alleggerito, interfacce fluide saldabili in TIG e un RTD stampato con tecnologia Aerosol Jet Printing (AJP) progettato per il range -65 °C / +85 °C. Per la campagna di test sono stati prodotti 15 prototipi, impiegati per prove meccaniche, termiche e di qualificazione.
Integrazione del riscaldatore e cablaggi nel tubo stampato
A differenza delle soluzioni tradizionali con film esterni, il riscaldatore è realizzato come percorso resistivo stampato che avvolge per intero la circonferenza del tubo, così da generare un campo termico più uniforme. Durante la costruzione LPBF, l’andamento tridimensionale del conduttore è supportato da ponti sacrificali che vengono rimossi nelle fasi successive. Tra il resistore integrato e il corpo del tubo è mantenuto un piccolo gap, riempito con una resina epossidica qualificata per lo spazio, che assicura isolamento elettrico e bassa resistenza termica verso l’interno; un gap più ampio verso l’esterno serve invece a limitare le perdite di calore verso l’ambiente spaziale. I cavi e la struttura del connettore vengono stampati direttamente nel volume metallico e successivamente “liberati” tramite lavorazioni meccaniche, riducendo il numero di operazioni di montaggio manuale e il rischio di danneggiare i conduttori durante integrazione e test.
Risultati meccanici: porosità ridotta, alte pressioni e vibrazioni qualificate
Le prove materiali e strutturali hanno fornito indicatori positivi per l’impiego spaziale. Le misure di porosità sul corpo in 316L hanno dato un valore medio di 0,02%, con poro massimo di 77 µm senza trattamenti termici post‑stampa, mentre le proprietà a trazione si sono attestate su circa 493 MPa di snervamento e 601 MPa di carico di rottura. Test di pressione ciclica hanno verificato la tenuta del tubo fino a 96 bar in proof test, con controlli di tenuta all’elio a 48 bar, tutti superati sui campioni esaminati. Le prove di scoppio (burst test) hanno raggiunto 1.225 bar sul corpo AM, valori nettamente superiori ai requisiti tipici per loop termici a bordo satellite, mentre le prove di vibrazione hanno soddisfatto i livelli di qualificazione con risultati modali entro pochi punti percentuali rispetto alle previsioni digitali. Dal punto di vista della pulizia secondo standard ECSS, i campioni hanno inizialmente soddisfatto i limiti di particolato e residui non volatili (NVR), ma si è osservata una sensibilità alla contaminazione nelle fasi di prova di tenuta; una circolazione prolungata di alcool isopropilico (IPA) all’interno dei tubi ha riportato i parametri entro le specifiche.
Comportamento termico e limiti del sensore AJP RTD
Sul fronte funzionale, il riscaldatore integrato ha raggiunto gli obiettivi di potenza e risposta termica. In condizioni di flusso monofase, il fluido nel tubo è stato portato al setpoint di temperatura in circa tre minuti, con formazione di una fascia di stratificazione locale vicino alla zona di riscaldamento che conferma la necessità di posizionare i punti di misura a distanza adeguata dal heater. In modalità a due fasi, i gradienti di temperatura lungo il segmento sono praticamente scomparsi e le perdite di carico si sono mantenute tra 0,5 e 3 mbar a 33 ml/s, ampiamente al di sotto del limite di 0,1 bar definito per il loop. Il comportamento del sensore di temperatura stampato AJP, invece, si è rivelato critico: in fase di calibrazione la resistenza misurata a 0 °C variava da 589 a 923 Ω rispetto al target di 1.000 Ω, con accuratezze assolute comprese fra ±1,6 °C e ±5,3 °C. Nelle prove a livello di loop, cinque dei sei RTD stampati hanno mostrato letture instabili o troppo basse, pur avendo valori di isolamento accettabili nei test a banco, evidenziando problemi di ripetibilità e affidabilità metrologica.
Affidabilità dell’isolamento, varianti in alluminio e prospettive di sviluppo
Alcune unità hanno manifestato una riduzione dell’isolamento elettrico tra riscaldatore e struttura dopo cicli termici e prove di durata in pressione, pur continuando a funzionare senza guasti evidenti. Una tomografia computerizzata con risoluzione di 60 µm per voxel non è stata sufficiente a individuare in modo univoco le cause dei pochi cortocircuiti riscontrati; il team suggerisce il ricorso a tecniche come la neutron imaging ad alta risoluzione per future indagini. Sulla base dei risultati, i ricercatori propongono di mantenere l’integrazione del riscaldatore e dei cablaggi LPBF, abbandonando però il sensore AJP a favore di RTD commerciali certificati per lo spazio, così da preservare la maggior parte dei benefici in AIT senza accettare il rischio metrologico attuale. Nel frattempo è stata già costruita una variante in alluminio del tubo, con massa pari a 45 g rispetto ai 115 g della versione in 316L, con funzionalità del riscaldatore confermata, a indicare un potenziale risparmio di massa di circa 2,5 volte in vista di una futura integrazione su evaporatori e pannelli strutturali completamente strumentati. Restano aperte aree di ricerca su compatibilità a lungo termine con l’ammoniaca, invecchiamento degli isolanti sotto radiazione e definizione di finestre di processo che permettano di mantenere i requisiti di pulizia ECSS lungo più cicli di connessione, test e manutenzione.
