Controle térmico de uma bateria em um nanossatélite utilizando materiais de mudança de fase

Abstract

O crescimento do número de lançamentos de nanossatélites na última década evidencia as diversas oportunidades e aplicações encontradas nesse setor. Esses satélites vêm sendo empregados desde projetos amadores e de baixo custo até projetos para fins comerciais, científicos e militares. Assim, para garantir uma longa vida útil ao nanossatélite, torna-se vital desenvolver sistemas de gerenciamento térmico capazes de preservar a integridade dos componentes e subsistemas expostos ao ambiente espacial. Com esse propósito, este presente trabalho avaliou numericamente o comportamento térmico de um CubeSat 1U, que é um padrão dentro dos nanossatélites, em órbita baixa, utilizando um material de mudança de fase (PCM) como um sistema de controle passivo da temperatura da bateria. As análises foram conduzidas utilizando o software Ansys Fluent 2024 R1 e foram consideradas as fontes de radiação típicas dessa órbita, como fluxo solar, o albedo terrestre, a radiação infravermelha da Terra e o calor perdido pelo CubeSat para o espaço. Os resultados mostraram que o PCM diminui drasticamente as oscilações de temperatura da bateria em comparação com outros materiais analisados, como alumínio e teflon, chegando a uma diferença de até 6 °C no caso mais crítico. Portanto, pelo desempenho térmico apresentado pelo PCM e sua menor densidade em relação a outros materiais, conclui-se que o PCM tem um grande potencial para aplicações de controle térmico no setor aeroespacial.

The growing number of nanosatellite launches over the last decade highlights the wide range of opportunities and applications explored in this sector. These satellites have been employed in projects ranging from low-cost amateur missions to commercial, scientific, and military applications. To ensure a longer operational lifetime for the nanosatellite, it is essential to develop a thermal management system capable of preserving the integrity of the components and subsystems exposed to the space environment. In this context, the present work carried out a numerical evaluation of the thermal behavior of a 1U CubeSat, which is a category of nanosatellites, in low Earth orbit, using a phase change material (PCM) as a passive temperature control system for the battery. The simulations were performed using Ansys Fluent 2024 R1, considering the main radiation sources present in the orbital environment, including solar flux, Earth’s albedo, infrared radiation emitted by the planet, and radiative heat exchange between the CubeSat and space. The results obtained demonstrated that the use of PCM significantly reduces the temperature variation of the battery when compared to other analyzed materials, such as aluminum and teflon, reaching a difference of up to 6 °C in the most critical case. Therefore, based on its thermal performance and lower density relative to alternative materials, it is concluded that PCM has strong potential for thermal control applications in the aerospace sector.