Geavanceerde keramiek in de luchtvaart: herbruikbare hitteschilingen en verder

Keramiek werd duizenden jaren gebruikt om kunst en diverse soorten diensten te creëren. Vandaag de dag kunnen we ze gebruiken om ultra-scherpe duurzame messen te maken die hun high-tech staal tegenhangers als oude relikvieën laten lijken. Uit leefervaring weten we ook dat keramiek niet goed omgaat met plotselinge sterke krachten die op ze inwerken. Bijvoorbeeld, een vloer die ze treft met een paar meter per seconde.

De inherente brosheid van keramiek is de hoofreden waarom ze ons geschikt zijn als structureel materiaal voor de meeste toepassingen. Echter, keramiek springt uit in veel zeer specifieke aspecten, met name wanneer het aankomt op hoge temperaturen en chemische stabiliteit. In dit artikel verkennen we de cruciale rollen van keramiek in ruimtevaartuigen en hoe ze de dag redden waar metalen tekortschieten.

De meest efficiënte thermische beschermingssystem ontwerpen

Een van de meer veelvoorkomende use cases voor keramiek in ruimtevaartuigen is als deel van het thermische beschermingssysteem. Om te begrijpen waarom een keramisch materiaal de ideale kandidaat is voor deze toepassing, is het belangrijk om nauwkeurig te kijken naar de verschillende warmteafvoermethodes.

Wanneer een ruimtevaartuig een willekeurige atmosfeer binnenkomt bij baansnelheden, ervaart het significante oppervlakteverhitting door atmosferische wrijving. Dit geldt zelfs voor de relatief dunne Martiaanse atmosfeer, die slechts 1% van de aardse atmosferische dichtheid heeft. De warmte die door het ruimtevaartuig geabsorbeerd wordt, kan dan twee wegen opgaan: het kan in de omgeving gestraald worden of geleid worden in het interieur van het ruimtevaartuig, zoals aangegeven in figuur 1.

Figuur 1: Schematisch overzicht van de oppervlakteverhitting van een geïsoleerd ruimtevaartuig [1].

Straling zou een gunstige manier zijn voor de ruimtevaartuigontwerper om de geabsorbeerde warmte kwijt te raken, aangezien de omgeving nauwelijks beïnvloed wordt door de gestralde warmte, terwijl het ruimtevaartuig kan desintegreren en/of smelten als te veel warmte geaccumulereerd wordt tijdens de instapfase.

Echter, de efficiëntie van straling is gebonden aan de vierde macht van de oppervlaktetemperatuur. Dit betekent dat het nauwelijks een rol speelt voor oppervlaktetemperaturen die de meeste materialen comfortabel kunnen aan, maar de dominante warmteoverdracht/koeling mechanism wordt bij temperaturen boven ~1000 K. U bent misschien bekend met dit temperatuurbereik als praktisch alle vaste materialen rond hier zichtbaar rood gaan gloeien [2].

Gespecialiseerde coatings zijn de sleutel

De geleiding van de warmte in het ruimtevaartuig is de minder gunstige manier om de oppervlakteverhitting te hanteren vanwege de temperatuurlimieten van alle gebruikte materialen binnen het ruimtevaartuig. Er is maar zoveel warmte dat het ruimtevaartuig kan absorberen voordat de materiaallimieten overschreden worden en catastrofale falen kunnen optreden.

Ingenieurs bedachten een slimme oplossing die beide warmteoverdrachtmechanismen benut. Bijvoorbeeld, het verwarmde oppervlak van de space shuttle orbiter is bedekt met een goed warmte-isolerend materiaal, namelijk silica (siliciumdioxide). Daarnaast wordt een zwarte borosilicaat coating op dit materiaal aangebracht om de stralingemissie-eigenschappen van het oppervlak te maximaliseren. Op deze manier, tot 95% van de tegengekomen warmte wordt direct afgestoten, wat slechts 5% van de warmte overlaat om door het interieur van de tegels geabsorbeerd te worden.

Het gehele onderste oppervlak van de space shuttle orbiters is bedekt met deze zwarte tegels, bestaande uit een silica vezelsysteem met een volume-inhoud van slechts 6%. De overige volume is gevuld met lucht. Elke tegel is gemarkeerd met een identificatienummer om correct onderhoud en montage in zijn unieke positie te garanderen. De tegels zijn gebonden aan de onderliggende aluminiumstructuur met een siliconen rubber "lijm".

Andere thermische beschermingssystemen, zoals ablatieve systemen, gebruiken ook isolerende materialen, die opzettelijk worden geërodeerd door de overmatige warmte. Door ontwerp, kunnen ablatieve systemen slechts één keer gebruikt worden voordat ze een complete vervanging vereisen. In tegenstelling, zijn de silica tegels herbruikbaar, ondanks hun indrukwekkende piekdienst temperatuur van ongeveer 1900 K tijdens de herinstapfase.

Voor met name sterk verwarmde gebieden, zoals voorste randen van aerodynamische structuren, kan thermische isolatie onvoldoende zijn, wat actieve koeling vereist. In dit geval is er geen isolerende keramieklaag maar een relatief dun, thermisch geleidend materiaal op zijn plaats.

Dit principe is vergelijkbaar met de koeling van de hoofdbrandkamer in de space shuttle hoofdmotor, die in detail beschreven werd in ons vorige artikel, Metalen in de Ruimte: Hoe superlegeringen het raketlandschap veranderden. Bovendien plannet Elon Musk actieve koeling van roestvrij staal op het gehele windwaartse oppervlak van het nieuw ontworpen ruimtevaartuig Starship.

De atmosferische instapfase is niet de enige operationele fase waar een ruimtevaartuig aan aanzienlijke oppervlakteverhitting wordt blootgesteld. Puur blootgesteld zijn aan het zonlicht in de ruimte kan de oppervlaktetemperatuur snel tot ongeveer 500 K doen stijgen.

Tegen dit, werden de space shuttle orbiters beschermd door dezelfde silica tegels met een witte coating, bestaande uit een mengsel van silica verbindingen en aluminiumoxide [4], om de oppervlakte reflectiviteit te maximaliseren en slechts een minuscule fractie van de incidente zonnewarmtestroom te absorberen.

De nadelen van hoog reflecterende ruimtevaartuigen

In sommige gevallen, kan reflectiviteit van een ruimtevaartuig problematisch zijn. Net onlangs, ontving SpaceX ernstige klachten over hun satellieten die interfereren met waarnemingen van astronomen [5].

De optische reflectiviteit werd niet overwogen voor het algehele ontwerp van de Starlink satellieten. Echter, SpaceX erkende deze fout en werkt actief aan een oplossing door een coating op de aardzugezichte kant van de satellieten aan te brengen [6].

Deze coating beïnvloedt de thermische eigenschappen van de satellieten sterk omdat het licht dat door de aarde uitgezonden en gereflecteerd wordt ook kan fungeren als een substantiële bron van verwarming die in rekening gebracht moet worden in het algehele systeem. Daarom is dit geen eenvoudige verandering maar een die zorgvuldig ontworpen en gevalideerd moet worden via trial and error.

Het onderzoek naar elektromagnetische-golven absorberende materialen dateert uit de Tweede Wereldoorlog, toen de Duitsers geconfronteerd waren met de hoogst succesvolle eerste radarsystemen van de Geallieerden. Dit onderzoek resulteerde in een ferriet-gebaseerde verf, wat beschouwd kan worden als het eerste kunstmatig gecreëerde radar absorberend materiaal [7].

Tegenwoordig moeten de radarsignaturen van satellieten in sommige gevallen onderdrukt worden voor strategische redenen, ze te verbergen voor vijandige detectiesystemen. Echter, satellietoperators die ervoor kiezen radar absorberende technologie toe te passen, moeten extra aandacht besteden aan ervoor te zorgen dat hun satellieten niet bijdragen aan het sterk toenemende probleem van ruimtevuilnis in de aardse baan na het einde van de dienst, aangezien ze nog moeilijker te vinden en te verwijderen zijn.

Waarom multifunctionele materialen/composieten een must zijn

Uit de bovenstaande overwegingen kunt u zien dat ruimtevaartuigen zoals satellieten hoogst complexe systemen zijn ingebed in een van de meest eisende omgevingen die we kennen. De sterkste deterioratie die exterieure satellietstructuren ervaren is doorgaans gerelateerd aan oppervlakte-erosie afkomstig van de UV-bestraling in de ruimte en van bombardement met atoomzuurstof [8], naast de severe thermische cycli, afhankelijk van hun baan kenmerken.

De uiterste laag van een satelliet is het definerende oppervlak voor alle thermische interacties met de omgeving. Als het geoptimaliseerd is voor slechts één doel, bijvoorbeeld om elektromagnetische reflectiviteit te minimaliseren, kunnen andere functies die vereist zijn voor de nominale functionaliteit zoals een bepaalde oppervlakte emissiviteit voor koeling of impactbescherming van micrometeoroïeten en puin van de satelliet ontbreken. Daarom moet de uiterste laag een veelvoud van functies en eisen vervullen.

Figuur 3: Thermische stabiliteit van verschillende materialen [9].

Meerlagige koolstof-gebaseerde keramiek hebben zich bewijs als een effectief materiaal om een multifunctioneel, lichtgewicht en robuust ruimtevaartuigvel te bereiken. Figuur 3 laat zien hoe koolstofvezel versterkte koolstof (Koolstof/Koolstof of C/C) een hoge thermische stabiliteit biedt over een groot temperatuurbereik. De C/C componenten kunnen geproduceerd worden met een chemische dampinfiltratieproces.

Een echte onzichtbaarheidsmantel

Het kan triviaal lijken om een object in de ruimte te verstoppen door het simpelweg dezelfde kleur als de achtergrond te geven: zwart. Echter, zelfs objecten die alle zichtbare licht absorberen, kunnen perfecte reflectoren zijn van elektromagnetische bestraling op andere golflengtes, bijvoorbeeld microgolven.
De superieure thermische bescherming die C/C biedt kan gecombineerd worden met de elektromagnetische-golf-absorberende kenmerken van een epoxymatrix met toegevoegde multi-wall koolstofnanobuizen. Niet alleen hebben koolstofnanobuizen het potentieel om de absorptie van elektromagnetische golven te verhogen, maar ze kunnen ook gebruikt worden om ultra sterke nanomaterialen te fabriceren, zoals beschreven in dit artikel door Wade Lanning.

Figuur 4: Afbeelding van een kubus satelliet (CubeSat) en schematisch overzicht van zijn thermische beschermingssysteem. C/C gecombineerd met een schermende meerlaag die elektromagnetische straling absorbeert [8].

De buitenste lagen van de schermende meerlaag getoond in figuur 4, met een koolstofnanobuisinhoud van tot 1,5%, bieden uitstekende microgolf absorberende kenmerken, fungerend als een onzichtbaarheidsmantel voor de satelliet. De dikte van de individuele lagen alsook hun samenstelling zijn geoptimaliseerd met een machine learning benadering, volgend een recente trend in materialenwetenschap.

Zoals u kunt zien, cutting-edge materialen en de toepassing van multifunctionele composieten zijn vereist om de eisende omgeving van de ruimte te weerstaan.

Ongeacht hoe goed een ruimtevaartuig ontworpen en getest is hier op aarde, kunnen er nog verrassingen in zijn functionaliteit en onbedoelde effecten in de baan worden ontdekt, zoals SpaceX en hun Starlink satellietconstellatie hebben getoond. Keramische materialen, composieten, en coatings bieden hoogst wenselijke kenmerken zoals lange termijn stabiliteit en thermische bescherming, wat een nieuwe era van geavanceerde ruimtevaart mogelijk maakt.