Ontwerp van een voeringloze, volledig-composiet spherische cryotank voor ruimtevaartbrandstofopslag

Lancervoertuigen voor ruimtevaart vereisen veel brandstof en veel brandstofopslag. Typische raketbrandstoffen zoals zuurstof, waterstof en stikstof kunnen als gassen bij kamertemperatuur worden opgeslagen, maar aangezien gassen relatief lage dichtheid hebben, zou het opslaan van voldoende gasbrandstoffen voor een ruimtelancing zeer grote tanks noodzakelijk maken, wat het gewicht van het ruimtevaartuig verhoogt en de nuttige last beperkt. Deze brandstoffen worden daarom ideaal opgeslagen bij hogere dichtheid als vloeistoffen, waardoor kleinere en minder tanks gebruikt kunnen worden, maar veel gangbare brandstoffen moeten geKoeld worden tot ultra-koude temperaturen (ook wel cryogeen genoemd, doorgaans verwijzend naar temperaturen onder -150°C, of -238°F) om als vloeistof te kunnen bestaan.

Van raceauto's tot raketten

In april 2020 kondigde Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Oklahoma, VS) de ontwikkeling an van een spherische, voeringloze, volledig-composiet cryotank — een drukvats voor het opslaan van cryogene brandstoffen op raket-aangedreven lancervoertuigen.

Voeringloze — ook wel Type V genoemd — drukvaten zijn al lang een doel in het ontwerpen van koolstofvezel composiet hoge-druk opslagtanks. Traditioneel hebben drukvaten van Typen I tot IV tenminste een percentage metaal geïntegreerd, op zijn minst als een voering tussen de opgeslagen gas of vloeistof en het composiet exterieur (Type IV). Het elimineren van metaalcomponenten verlaagt het gewicht van de tank aanzienlijk, wat in het geval van brandstoftanks voor ruimtevaartuigen leidt tot ofwel lagere lanceringkosten ofwel verhoogde nuttige lastcapaciteit.

Echter, volledig-composiet ontwerpen voor cryogene brandstoffen zoals vloeibare stikstof of vloeibare zuurstof neigen tot het moeilijke probleem van microbarsting in het laminaat. Naarmate een composiet laminaat blootgesteld wordt aan extreme temperaturen zoals afkoeling tot cryogene niveaus, kan het verschil in thermische uitdingscoëfficiënten (CTE) tussen elke laag leiden tot barsting en lekkages. Veel harsystemen worden ook bros bij cryogene temperaturen, wat het probleem verergeren. Volgens ICT's CEO Matt Villarreal heeft Infinite Composites Technologies een voeringloze cryotank ontwikkeld die de microbarstingproblemen elimineert.

Ontwikkeling van de CryoSphere

Volgens Villarreal worden volledig-composiet cryogene opslagtanks — met name spherische, vanwege hun kleinere voetafdruk — door velen beschouwd als een sleuteltechnologie voor langetermijnexploratie en overleving in de ruimte. Hoewel veel maanlanders in ontwikkeling door ruimtevaartorganisaties zoals NASA een spherische tankontwerp incorporeren, zegt hij, zijn spherische tanks tot nu toe allemaal zwaardere, minder brandstof-efficiënte metaal spheres of spherische metaal composiet-overwonden drukvaten (COPV). ICT's volledig-composiet tank, de CryoSphere genoemd, biedt potentieel voor een lichtere, meer brandstof-efficiënte optie om brandstof op te slaan.

Voordat cryotanks onderdeel waren van het plaatje, begonnen Villarreal en zakelijke partner Michael Tate hun carrière in composiet drukvatsontwerp tijdens hun studie aan Oklahoma State University (Stillwater, Oklahoma, VS). In 2008 sloten ze zich aan bij het kleine Formula SAE-team van de school, dat werkte aan een ontwerp voor een kwart-schaal Formula One-stijl voertuig voor een komend internationaal evenement van Formula SAE's collegiale engineering en ontwerpcompetitie. Om de dringend benodigde financiering van lokale aardgasbedrijven te werven, hielpen Villarreal en Tate het voertuig van het team om te zetten naar gecomprimeerd aardgas (CNG), maar vonden dat de volledig-metaal CNG-opslagtank die ze gebruikten zo zwaar was dat het de brandstofefficiëntie van de auto beïnvloedde totdat ze de auto vaak moesten bijtanken tijdens de 24-uurs uithoudingstest van de competitie.

"Na de race gingen we terug en deden we onderzoek, en vonden uit dat tankmassa een groot probleem was in veel verschillende industrieën, en een sleuteltechnologie was voor zowel schone energie voor transport als ruimtevaartexploratie," zegt Villarreal.

Tijdens hun onderzoek naar technologieën die lichtere CNG-tanks faciliteren, begonnen Villarreal en Tate na te denken over concepten voor de Type V, voeringloze composiet tanks die in de industrie geprezen worden als de "Heilige Graal" van drukvaten. Later in 2008 richtten Villarreal en Tate een bedrijf op genaamd CleanNG LLC om initieel hoge-druk tanks voor aardgasopslag te ontwikkelen. Sinds 2013 wordt het cylindrische, volledig-koolstofvezel composiet infiniteCPV drukvats van het bedrijf gebruikt in grond- en industriële toepassingen om, zoals initieel ontworpen, gecomprimeerd aardgas op te slaan, en ook, in toenemende mate, gecomprimeerd krypton, stikstof en helium gassen.

Naarmate het bedrijf doorging met werk aan het drukvatsontwerp, bereikten bedrijven die ruimtevaartuigen bouwen CleanNG met onderzoek en ontwikkelingsfinanciering om versies van hun tanks te ontwikkelen voor gebruik op ruimtevaartuigen. "Na een tijdje werd de business case voor ruimtevaart aantrekkelijker," zegt Villarreal.

In 2016 veranderde het bedrijf van naam naar Infinite Composites Technologies, en in de jaren daarna heeft ICT zich voornamelijk gericht op commerciële ruimtevaartprojecten, hoewel Villarreal zegt dat het bedrijf ook werkt aan defensietoepassingen zoals raketmotorkapjes, militair vliegtuigen en onbemande luchtvaartuigen. Als onderdeel van deze transitie is het cilindrische infiniteCPV tankontwerp geïntegreerd in diverse raketlancervoertuigen die verwacht worden in 2020 te vliegen.

De CryoSphere, zegt Villarreal, is essentieel een evolutie van de oorspronkelijke infiniteCPV tank.

Ontwikkeling van de CryoSphere

Naarmate ICT's focus meer en meer ging naar de behoeften van ruimtevaartuigen, zegt Villarreal: "We begonnen een trend te zien dat de echte uitdaging het maken van composiet cryotanks was." Cryogene tanks, of cryotanks, zijn drukvaten speciaal ontworpen om niet alleen hoge druk maar ook extreme lage temperaturen te weerstaan, zoals de sub-200°F temperaturen vereist voor opslag van vloeibare stikstof, vloeibare zuurstof, vloeibare methaan of andere brandstoffen en oxidatoren gebruikt om ruimtelancervoertuigen aan te drijven.

Het bedrijf aanvroeg financiering bij de staat Oklahoma, en ontving in 2013 een driejarige subsidie van $300.000 van het Center for the Advancement of Science and Technology (OCAST) voor materiaalkarakterisatie en materiaalniveau testen van een cryotankconcept. "Het project was matig succesvol," zegt Villarreal. "We vonden enkele goede materialenkandidaten en hadden een goede indicatie dat we vooruit konden gaan met het concept en andere dingen konden aanvragen."

ICT pitchte zijn cryotankconcept aan NASA's Johnson Space Center (Houston, Texas, VS) in 2018, en startte later een snelle ontwikkelingsproject voor een composiet cryotank voor gebruik in een demonstratievoertuig voor een maanlander — een voertuig dat, zegt Villarreal, vergelijkbaar was met NASA's eerdere Morpheus verticale opstijging en verticale landing (VTVL) testvoertuig. Prestatie-eisen van de tank omvatten het kunnen weerstaan van 10 cycli van vloeibare stikstof (LN2) bij een druk van 100 psi, met een temperatuurdaling tot -290°F en terug naar omgevingstemperatuur. Daarnaast mocht de tank niet meer dan 10 psi dalen tijdens een 30-minuten heliumcontrole tussen elke LN2-cyclus, en moest het een post-cyclus cryo berst van 1.000 psi (±100 psi) kunnen weerstaan.

De eerste testronde op een cylindrische cryotank was een deelsucces, met alleen vijf cryogene cycli overleefd. "We versnelden het project, en keerden het ontwerp basis in ongeveer acht weken om," zegt Villarreal. "Het was een gekke rush," geeft hij toe, "en de tank overleefde een paar thermische cycli, maar begon toen te lekken." Het probleem was microbarsting in het laminaat. Het team voltooi de testen en ging dan "terug naar het tekenbord," zegt Villarreal.

"De kerntechnologie zit in de materialen," zegt Efren Luevano, ICT's engineering manager. De CryoSphere is gemaakt van Toray (Tokyo, Japan) T800 koolstofvezel en een epoxyhars, en geproduceerd via filament winding, gecureerd bij kamertemperatuur, en na-gecureerd in een industriële oven (in tegenstelling tot een autoclave) op ICT's Tulsa-faciliteit.

In een poging het microbarstingdilemma op te lossen, begon ICT met iteratieve tests van verschillende typen additieven binnen een eigen, chemisch-versterkte epoxy harsmatrix, in verschillende concentraties. In het proces ontdekte het team een combinatie van twee additieven die, toen de tank opnieuw getest werd, het ontwerp in staat stelde om aan de thermische eisen te voldoen. Een hiervan is grafeen.

"Voor dit geval gebruiken we grafeen als mechanische versterking op de nanoschaal," zegt Villarreal. Hij legt uit dat de grafeenplaatjes zich uitrekken over de ruimte tussen de vezels en een obstakel creëren voor barsten om in het laminaat te vormen. De grafeen verbetert ook de sterkte van de bindingen tussen de lagen.

"Wat je probeert te doen is de vezels op hun plek te houden terwijl je de tank onder druk zet en de belasting op de tank toepast," legt Villarreal uit. Bij lage temperaturen wordt de hars bros en begint te barsten — naarmate druk aan de vezels wordt toegevoegd, beginnen ze over elkaar heen te glijden en de chemische bindingen tussen hen te breken, zegt hij. De grafeenplaatjes fungeren als mechanische versterking tussen de vezellaag, wat de kans op beweging en breuk vermindert.

Een additioneel eigen additief wordt ook geïntegreerd in de matrix, wat het laminaat duktiler maakt bij lage temperaturen en meer isolerende eigenschappen aan het laminaat geeft. Naast microbarsting, "is [isolatie] een van de uitdagingen van deze cryotanks," zegt Villarreal. In testen nam het nieuwe CryoSphere-ontwerp met de grafeen-versterkte hars bijna een uur met vloeibare stikstof erin "om uiterlijke tekenen van kou te tonen." Hoewel er geen specifieke eis hiervoor was, voegt hij toe dat bij eerdere geteste tanks met vloeibare stikstof, vorst zich binnen 10 minuten na het vullen van de tank met vloeibare stikstof op het externe tankoppervlak had gevormd.

Naast de cryogene compatibiliteit, voegt Luevano toe dat het spherische ontwerp an sich een uitdaging was. Volgens Villarreal is het voordeel van de spherische vorm dat het betere inpak-efficiëntie mogelijk maakt voor toepassingen met strakke of specifieke groottevereisten, zoals maanlanders. Eén uitdaging was dat de potentiële glijduring productie groter was op een sferisch oppervlak vergeleken met een cilindrisch oppervlak, wat Villarreal toeschrijft aan zowel de benodigde windinghoek als dat de oppervlakteafwerking op de mandrel niet genoeg wrijving creëerde om de nat geïmpregneerde vezels op hun plek te houden — beide maakten vezelcontrole en leggen moeilijker. Een andere uitdaging was dat de patroonontwerpsoftware die het team gebruikte geoptimaliseerd was voor cylinders, en geen haalbare patronen voor de sfeer kon genereren met normale workflow. "We moesten creatief zijn met workarounds," voegt hij toe.

Het spherische ontwerp hielp ook bij het microbarstingprobleem — een ongewild voordeel, zegt Villarreal. Het team realiseerde zich in een vroege ontwerpiteratie dat er ongeveer 150°F temperatuurverschil was tussen de bodem van de tank en de top van de tank, veroorzaakt door het uur-lange vulproces waarbij vloeibare stikstof op de bodem van de helft van de tank zat bij -290°F terwijl gasvormige stikstof de bovenste helft vulde bij slechts -140°F. "Wanneer je die heel scherpe gradienten in temperatuur in het laminaat krijgt, kan dat breuken veroorzaken, omdat het ene deel probeert uit te rekken met een andere snelheid dan het andere deel," zegt Villarreal. Die gradient tussen de top en bodem van de tank wordt verminderd met een kleinere, sferische vorm, wat helpt de temperatuurongelijkheid te verminderen.

Met nieuw, geoptimaliseerd ontwerp in handen, tekende ICT eind 2019 een contract met NASA's Kennedy Space Center (Cape Canaveral, Florida, VS) om twee spherische, cryogene tanks te leveren voor testen die half zo groot waren als de cilindrische Morpheus lander tanks. "Onze CryoSpheres hebben alle thermische cyclustesten met heliumcontroles tussen elke cyclus voltooid om te controleren of microbarsten zich niet hadden ontwikkeld," zegt Villarreal. "Onze kennis naar," voegt hij toe, "waren er drie andere aanbieders die om deze contract vochten, maar op het moment dat we testen hadden voltooid, had geen van de andere aanbieders zelfs hun eerste prototypes al gemaakt."

Volgende stappen naar ruimtevlucht

Tests zijn gaande. ICT heeft ook financiering ontvangen voor NASA's MISSE-programma, dat materialen naar het Internationale Ruimtestation (ISS) lanceert voor experimentele doeleinden. Hiervoor creëerde ICT spheres van tweeënhalve inch diameter — een grootte ontwikkeld voornamelijk voor testdoeleinden maar die Villarreal toevoegt gebruikt kunnen worden in toepassingen zoals pneumatische systemen voor robots. "Ze lijken vreemd genoeg op kleine granaten," merkt hij op. ICT leverde vijf van deze CryoSpheres aan NASA's Langley Advanced Research Center (Hampton, Virginia, VS) in februari 2020. De MISSE-lancing naar de ISS was initieel gepland voor augustus 2020, maar is uitgesteld tot waarschijnlijk november, zegt Villarreal. Eenmaal geleverd aan de ISS, zullen de CryoSpheres aan de buitenkant van het station worden geplaatst en ongeveer zes maanden bestudeerd met stralingssensoren eraan bevestigd, om de uithoudingsvermogen van de materialen te testen wanneer blootgesteld aan hitte en straling tijdens het draaien om de aarde en direct blootgesteld aan de zon. Als deze tests succesvol zijn, ontvangt ICT de CryoSpheres terug voor additionele cryogene testen en om de effecten van stralingsblootstelling op de materialen te beoordelen. De primaire zor is hoe chemische bindingen in de hars beïnvloed kunnen worden.

Daarna, zegt Villarreal, is de volgende stap vluchtkwalificatie. Hij zegt dat ICT al ongeveer de helft van de kwalificatietesten heeft voltooid met een aangepaste versie van de American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) S-081B standaard, en verwacht dat de rest van de testen voltooid zal zijn aan het einde van het derde kwartaal van 2020.

Het bedrijf plannet ook de tankgrootte op te schalen tot 48 inch diameter, de grootte gespecificeerd voor commerciële maanlanders in ontwikkeling door NASA, en werkt aan partnerschappen om de CryoSphere naar de maan te sturen.

"Ons team verlegt de grenzen van wat mogelijk is met volledig-composiet tanks," concludeert Villarreal. "Deze technologie heeft het potentieel om ruimtevaartexploratie en duurzaam transport te revolutioneren."