Numerical and experimental analysis of heat transfer in a liquid cooling garment for humans in extreme environments

This thesis investigates the thermal behaviour of an astronaut wearing a Liquid Cooling Garment (LCG) through an integrated numerical and experimental approach. The research was conducted within the MEEVA project, which aimed to design and validate a low-cost, lightweight prototype of a cooling vest for analogue space missions, such as those proposed by the Asclepios student program. In the context of future lunar and Martian explorations, where astronauts will face prolonged exposure to extreme temperatures, the development of efficient and wearable thermal control systems is increasingly critical. The prototype studied in this work consists of a two-layer fabric suit integrated with flexible silicone tubing. Cooled water (initially at 20 °C) is pumped through the embedded tubing network and thermally reconditioned via phase change materials (PCMs) held at 0 °C. This creates a recirculating flow capable of extracting heat from the astronaut’s body, without direct contact between the tubes and the skin. The main goal of this thesis was to investigate, through numerical simulations, the temperature distribution within the human body under various environmental and design conditions and to validate the MEEVA prototype through experimental thermal imaging. The study combines Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations with thermographic tests conducted in a controlled laboratory setting on a real human subject. Among the configurations tested, the final version, having water initial temperature of 293 K, human mean conductivity equal to 0.3 W/m·K and internal generated bioheat of 350 W/m³, provided the best performance: a uniform and physiologically realistic temperature distribution, minimal overheating and an effective balance between internal conductivity and surface cooling. Notably, even the inguinal region, identified as the warmest area due to the absence of local tubing and the uniform heat generation assumption, remained within acceptable physiological limits (36 °C – 38 °C). Additionally, the study demonstrated that lighter tube configurations, compared to earlier high-density systems developed by space agencies in early studies, combined with proper material selection, can offer sufficient cooling performance even during light physical activity. These findings align with recent theoretical predictions from NASA and other institutions and support the feasibility of simpler, lighter garments for analogue missions and beyond. This thesis contributes to the current body of research by validating a functional prototype, demonstrating the effectiveness of simplified tube arrangements and offering insights into cost-effective solutions for future wearable cooling systems in both space and terrestrial environments.

Questa tesi analizza il comportamento termico di un astronauta dotato di un sistema di raffreddamento a liquido (Liquid Cooling Garment – LCG) tramite un approccio integrato numerico e sperimentale. La ricerca è stata condotta nell’ambito del progetto MEEVA, il cui obiettivo era progettare e validare un prototipo di tuta raffreddante, composta da maglia e pantalone, economico e leggero, pensato per missioni spaziali analoghe come quelle proposte dal programma studentesco Asclepios. In previsione delle future esplorazioni lunari e marziane, dove gli astronauti saranno esposti per lunghi periodi a condizioni termiche estreme, lo sviluppo di sistemi di controllo termico efficienti e indossabili risulta sempre più cruciale. Il prototipo analizzato consiste in una tuta in tessuto a due strati, al cui interno sono integrati tubi flessibili in silicone. L’acqua raffreddata (inizialmente a 20 °C) viene fatta circolare attraverso la rete di tubazioni e successivamente riportata in temperatura tramite materiali a cambiamento di fase (Phase Change Materials – PCM) mantenuti a 0 °C. Questo sistema genera un flusso ricircolante capace di estrarre calore dal corpo dell’astronauta, senza che vi sia contatto diretto tra i tubi e la pelle. L’obiettivo principale della tesi è stato studiare, attraverso simulazioni numeriche, la distribuzione della temperatura nel corpo umano in diverse condizioni ambientali e progettuali, e validare il prototipo MEEVA mediante termografie sperimentali. Lo studio combina simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics) con test termografici condotti in laboratorio su un soggetto umano reale in ambiente controllato. Tra le configurazioni testate, quella finale, con temperatura iniziale dell’acqua pari a 293 K, conducibilità termica media del corpo umano di 0.3 W/m·K e generazione interna di calore di 350 W/m³, ha fornito i risultati migliori: distribuzione uniforme e fisiologicamente realistica della temperatura, surriscaldamenti minimi e un buon equilibrio tra conducibilità interna e raffreddamento superficiale. In particolare, anche la zona inguinale, identificata come la più calda a causa dell’assenza di tubazioni locali e dell’ipotesi di generazione uniforme del calore, è rimasta entro i limiti fisiologici accettabili (36 °C – 38 °C). Inoltre, lo studio ha dimostrato che configurazioni con un numero ridotto di tubi, rispetto ai sistemi ad alta densità sviluppati inizialmente dalle agenzie spaziali, combinate con una corretta scelta dei materiali, possono garantire prestazioni di raffreddamento adeguate anche in presenza di lieve attività fisica. Questi risultati sono in linea con le previsioni teoriche più recenti della NASA e di altri enti di ricerca, confermando la fattibilità di soluzioni più leggere e semplificate per missioni analoghe e future applicazioni spaziali. Questa tesi contribuisce al panorama scientifico attuale validando un prototipo funzionale, dimostrando l’efficacia di configurazioni semplificate e offrendo spunti per lo sviluppo di sistemi indossabili di controllo termico efficienti e a basso costo, applicabili tanto in ambito spaziale quanto terrestre.