L'obiettivo di ARTE (Advanced Research Thermal Passive Exchange) è valutare le prestazioni degli heat pipes, dispositivi passivi di trasferimento del calore utilizzati per aumentare l'effettiva conducibilità di un materiale mantenendo bassa la massa complessiva, generalmente utilizzati nello spazio, nell'aeronautica, nelle energie rinnovabili, e per applicazioni industriali.
Gli heat pipes si basano sul cambiamento di fase per trasportare calore e sulla pressione capillare per trasportare massa. Se un'estremità del tubo di calore (evaporatore) viene riscaldata, il fluido a contatto con quella superficie evapora. Il vapore fluido è a una pressione superiore rispetto al vapore a contatto con la superficie più fredda all'estremità opposta del dispositivo (condensatore). Pertanto, il vapore fluisce dall'evaporatore al condensatore, rilascia il suo calore latente di evaporazione e si condensa. Il liquido ritorna all'estremità riscaldata a causa dell'azione capillare. Nel frattempo, i menischi negli angoli cambiano forma per creare il gradiente di pressione capillare necessario per pompare il liquido all'estremità riscaldata.
Fino ad ora, alcuni heat pipes sono stati testati in ambiente di microgravità. Tuttavia, non sono state condotte ricerche sull'applicazione in condizioni di lavoro reali. Gli obiettivi di questa analisi sperimentale sono eseguire prove (a terra e in volo) su heat pipes scanalati assialmente, lunghi circa 20 cm, a sezione circolare, riempiti con fluidi puri o miscele come pentano-isoesano (5% in peso) e fluidi autorigeneranti (acqua-butanolo), in condizioni di lavoro reali (10 ° C -100 ° C). L'esperimento utilizza fluidi a bassa tossicità che, a differenza di quelli attualmente utilizzati sui circuiti termici esterni della ISS (cioè l'ammoniaca), rendono questa indagine compatibile con le future applicazioni di esplorazione umana.
Il gran numero di esperimenti condotti su heat pipes nelle condizioni di gravità della Terra ha fortemente contribuito ad aumentare le conoscenze sulle loro prestazioni. Tuttavia, il loro comportamento nell'ambiente di microgravità deve ancora essere studiato. Quindi, questa ricerca sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) potrebbe essere una pietra miliare importante per progettare un dispositivo completamente passivo adatto a una vasta gamma di applicazioni.
Il punto di partenza per la progettazione del dispositivo è stato preso principalmente dalla letteratura esistente. Per ridurre dimensioni e massa, i tubi di calore sono realizzati in Alluminio (Al-6060 o altre leghe di Alluminio certificate per applicazioni spaziali) anziché Rame. L'Alluminio ha una densità inferiore rispetto al Rame, che riduce la massa, ed è caratterizzato da un angolo di contatto dei fluidi inferiore, che aumenta l'azione capillare.
La pressione capillare, che potrebbe essere considerata la forza motrice del dispositivo, è generata da diverse scanalature nella direzione assiale. Le scanalature promuovono il ritorno della fase liquida al condensatore riducendo il rischio di fenomeni di asciugatura. Il progetto delle scanalature si basa sull'analisi della pressione capillare, delle perdite di pressione nei micro-canali e delle perdite di carico nella fase vapore. Una prima serie di risultati suggerisce l'uso di scanalature rettangolari anziché triangolari.
Come già accennato, gli heat pipes sono riempiti con sostanze o miscele pure, come pentano-isoesano (5% in peso). Il pentano è già stato utilizzato in un precedente esperimento a bordo dell'ISS, l'esperimento Constrained Vapor Bubble (CVB).
Altre fonti di letteratura suggeriscono l'uso di liquidi autorigeneranti (ad es. acqua-butanolo) per migliorare le prestazioni a causa dell'effetto Marangoni. Pertanto, è possibile testare le prestazioni del condotto termico con questi fluidi.
