Thermal design of a microbalance for space application

Space missions often deal with many optical components and instrumentation, whose operating principles require strict levels of cleanliness. In these regards, CAM (Contamination Assessment Microbalance) project is focused on the development of an in-situ molecular contamination sensor for space use: its task would be to monitor the cleanliness conditions in which the apparatuses operate on the spacecrafts. Besides measuring the mass of condensed matter, the Quartz Crystal Microbalance (QCM) for CAM programme needs to achieve the desired condensing temperature therefore a cooling system of the microbalance has been devised. CAM, in fact, will have to comply with the working conditions of spacecraft in space environment. Thus, though under vacuum, its operating modes includes thermal cycles down to -200°C and up to 130°C associated to the temperature of the spacecraft interface and peaks up to 200°C for the sensing crystal every time it needs to be regenerated. Scope of this study is to examine the hypothesis of utilizing a Peltier cell (commonly called TEC - Thermo-Electric Cooler - or TEM - Thermo-Electric Module) to cool the microbalance’s system to the desired temperature. Moreover, a properly designed film heater deposited on the crystal will allow achieving the regeneration temperatures. A TEC exhibit advantages that in the space field cannot be neglected but also limitations in performances and low efficiencies. The primary task of this work is to assess the possibility of adapting the available TEC to the CAM application. To this purpose the CAM thermal system has been modelled, the different envi-ronmental conditions analysed and the sensitivity to the design parameters in-vestigated. The experimental characterization and modelling of the TEC has been carried-out as well because of the wide range of conditions for which no data were available.

Spesse volte i programmi spaziali richiedono l’impiego di diverse attrezzature di stampo ottico, i cui principi operativi demandano per essi una necessaria e totale pulizia. A questo scopo, il progetto CAM (Contamination Assessment Microbalance) è mirato alla realizzazione di un sensore di contaminazione molecolare in-situ per il campo spaziale: il suo compito interesserà il monitorare le condizioni di contaminazione nelle quali operano le apparecchiature sullo spacecraft. Parallelamente alla misura di massa delle sostanze condensate, la Microbilancia al Quarzo (QCM, Quartz Crystal Microbalance) per il programma CAM necessita l’introduzione di un sistema di raffreddamento in modo tale da raggiungere la temperatura di condensazione. Essa, infatti, avrà come ambiente di lavoro le condizioni usuali dello spacecraft in ambito spaziale. Perciò, pur essendo in vuoto, il suo funzionamento prevede cicli termici che possono toccare i -200°C così come i 130°C associati alla temperatura stessa dello spacecraft, ed anche picchi di 200°C ogni qual volta il cristallo necessiti di rigenerazione a misura effettuata. Scopo della presente investigazione è quello di vagliare l’ipotesi dell’utilizzo di una cella di Peltier (anche detta TEC - Thermo-Electric Cooler - ovvero TEM - Thermo-Electric Module) per provvedere al raffreddamento del sistema micro-bilancia sino alla temperatura desiderata. Inoltre, il deposito di un riscaldatore a film di geometria appropriata sul cristallo permetterà il raggiungimento della temperatura di rigenerazione. Una cella di Peltier presenta vantaggi che in ambito spaziale non possono venir trascurati, tuttavia anche limitazioni nelle presta-zioni e nell’efficienza: il principale obiettivo dunque sarà quello di valutare la possibilità di adattare una TEC al sistema CAM. A questo scopo è stato modellato il sistema termico di CAM, sono state analizzate differenti condizioni ambientali ed investigata la sensitività del sistema ai parametri di disegno. Infine, sono state effettuate la caratterizzazione sperimentale e la modellazione della TEC, poiché in merito sono disponibili dati riguardo una limitata selezione di condizioni operative.