Keramiek in de ruimte:van herbruikbare hitteschilden tot onzichtbaarheidsmantels

Keramiek werd duizenden jaren lang gebruikt om kunst en verschillende soorten gerechten te maken. Tegenwoordig kunnen we ze gebruiken om ultrascherpe duurzame messen te maken die hun hightech stalen tegenhangers eruit kunnen laten zien als oude relikwieën. Uit levenservaring weten we ook dat keramiek niet goed kan omgaan met plotselinge sterke krachten die erop inwerken . Een vloer raakt ze bijvoorbeeld met een paar meter per seconde.

De inherente brosheid van keramiek is de belangrijkste reden waarom ze ongeschikt zijn als constructiemateriaal voor de meeste toepassingen. Keramiek valt echter op in veel zeer specifieke aspecten , vooral als het gaat om hoge temperaturen en chemische stabiliteit . In dit artikel onderzoeken we de cruciale rol van keramiek in ruimtevaartuigen en hoe ze de dag redden waar metalen haperen.

Het meest efficiënte thermische beveiligingssysteem ontwerpen

Een van de meest voorkomende toepassingen voor keramiek in ruimtevaartuigen is als onderdeel van het thermische beschermingssysteem . Om te begrijpen waarom een ​​keramisch materiaal de ideale kandidaat is voor deze toepassing, is het belangrijk om goed te kijken naar de verschillende warmteafvoermechanismen .

Wanneer een ruimtevaartuig met baansnelheden een atmosfeer binnendringt, ervaart het aanzienlijke oppervlakteverwarming door atmosferische weerstand . Dit geldt zelfs voor de relatief dunne atmosfeer van Mars, die slechts 1% van de atmosferische dichtheid van de aarde heeft. De warmte die door het ruimtevaartuig wordt geabsorbeerd, kan dan twee kanten op :het kan naar de omgeving worden uitgestraald of naar het interieur van het ruimtevaartuig worden geleid, zoals aangegeven in figuur 1.

Figuur 1:Schematische weergave van de oppervlakteverwarming van een geïsoleerd ruimtevaartuig [1].

Straling zou een gunstige manier zijn voor de ontwerper van het ruimtevaartuig om de geabsorbeerde warmte kwijt te raken, aangezien de omgeving nauwelijks wordt beïnvloed door de uitgestraalde warmte, terwijl het ruimtevaartuig zou kunnen desintegreren en/of smelten als er te veel warmte wordt verzameld tijdens de instapfase.

De efficiëntie van straling is echter gekoppeld aan de vierde macht van de oppervlaktetemperatuur. Dit betekent dat het nauwelijks een rol speelt bij oppervlaktetemperaturen die de meeste materialen comfortabel aankunnen, maar het wordt het dominante warmteoverdrachts-/koelmechanisme bij temperaturen boven ~1000 K . U bent misschien bekend met dit temperatuurbereik, aangezien vrijwel alle vaste materialen hier zichtbaar rood beginnen te gloeien [2].

Gespecialiseerde coatings zijn de sleutel

De geleiding van de warmte naar het ruimtevaartuig is de minder gunstige manier om de oppervlakteverwarming aan te pakken vanwege de temperatuurbeperkingen van alle gebruikte materialen in het ruimtevaartuig. Er is maar zoveel warmte die het ruimtevaartuig kan absorberen vóór de materiële limieten worden overschreden en catastrofale storingen kunnen optreden .

Ingenieurs bedachten een slimme oplossing die beide mechanismen voor warmteoverdracht gebruikt . Het verwarmde oppervlak van de ruimteveer-orbiter is bijvoorbeeld bedekt met een goed warmte-isolerend materiaal , namelijk silica (siliciumdioxide). Bovendien wordt op dit materiaal een zwarte borosilicaatcoating aangebracht om de stralingsemissie-eigenschappen van het oppervlak te maximaliseren. Op deze manier wordt tot 95% van de aangetroffen warmte direct afgevoerd , waardoor slechts 5% van de warmte wordt geabsorbeerd door de binnenkant van de tegels.

Het hele onderste oppervlak van de ruimteveer-orbiters is bedekt met deze zwarte tegels , bestaande uit een silicavezelsysteem met een volumegehalte van slechts 6%. Het resterende volume is gevuld met lucht . Elke tegel is gemarkeerd met een identificatienummer om het juiste onderhoud en de montage op zijn unieke positie te garanderen. De tegels zijn verlijmd met de onderliggende aluminium structuur met een siliconenrubber "lijm".

Andere thermische beveiligingssystemen, zoals schuursystemen , gebruik ook isolatiematerialen, die opzettelijk worden uitgehold door de extreme hitte . Door hun ontwerp kunnen de schuursystemen slechts één keer worden gebruikt voordat ze volledig moeten worden vervangen. Daarentegen zijn de silicategels herbruikbaar, ondanks hun indrukwekkende piek-service temperatuur van ongeveer 1900 K tijdens de terugkeerfase .

Voor vooral sterk verwarmde ruimtes , zoals voorranden van aerodynamische constructies, kan de thermische isolatie onvoldoende zijn , die actieve koeling vereisen. In dit geval is er geen isolerende keramieklaag maar een relatief dun, warmtegeleidend materiaal.

Dit principe is vergelijkbaar met de koeling van de hoofdverbrandingskamer in de hoofdmotor van de spaceshuttle, die in detail werd beschreven in ons vorige artikel, Metals in Space:Hoe superlegeringen het raketlandschap veranderden . Bovendien is Elon Musk van plan om actieve koeling van roestvrij staal te gebruiken op het gehele naar de wind gerichte oppervlak van het nieuw ontworpen ruimtevaartuig Starship.

De atmosferische ingangsfase is niet de enige operationele fase waarin een ruimtevaartuig wordt blootgesteld aan aanzienlijke oppervlakteverwarming. Gewoon worden blootgesteld aan het zonlicht in de ruimte kan de oppervlaktetemperatuur snel verhogen tot ongeveer 500 K .

Daartegenover werden de omloopbanen van de spaceshuttle beschermd door dezelfde silicategels met een witte coating, bestaande uit een mengsel van silicaverbindingen en aluminiumoxide [4], om de reflectie van het oppervlak te maximaliseren en absorberen slechts een minuscule fractie van de invallende zonne-energiestroom.

De nadelen van sterk reflecterende ruimtevaartuigen

In sommige gevallen kan reflectiviteit van een ruimtevaartuig problematisch zijn . Onlangs ontving SpaceX ernstige klachten over hun satellieten die waarnemingen van astronomen verstoren [5].

De optische reflectiviteit kwam niet in aanmerking voor het algehele ontwerp van de Starlink-satellieten. SpaceX heeft deze fout echter erkend en werkt actief aan een oplossing door een coating aan te brengen op de naar de aarde gerichte zijde van de satellieten [6].

Deze coating heeft een sterke invloed op de thermische eigenschappen van de satellieten, aangezien het licht dat door de aarde wordt uitgestraald en gereflecteerd, ook kan fungeren als een substantiële warmtebron waarmee in het totale systeem rekening moet worden gehouden. Dit is dus geen eenvoudige verandering, maar een die zorgvuldig moet worden ontworpen en gevalideerd met vallen en opstaan.

Het onderzoek naar elektromagnetische golven-absorberende materialen dateert uit de Tweede Wereldoorlog, toen de Duitsers te maken kregen met de zeer succesvolle eerste radarsystemen van de geallieerden. Dit onderzoek resulteerde in een verf op ferrietbasis , dat kan worden beschouwd als het eerste kunstmatig gecreëerde radarabsorberende materiaal [7].

Tegenwoordig moeten de radarsignaturen van satellieten in sommige gevallen om strategische redenen worden onderdrukt, om ze te verbergen voor vijandelijke detectiesystemen. Satellietexploitanten die ervoor kiezen om radarabsorberende technologie . toe te passen, extra aandacht moeten besteden aan ervoor zorgen dat hun satellieten niet bijdragen aan het sterk toenemende probleem van ruimteschroot in de baan van de aarde na het einde van de dienst, omdat ze nog moeilijker te vinden en te verwijderen zijn.

Waarom multifunctionele materialen/composieten een must zijn

Uit de bovenstaande overwegingen kun je zien dat ruimtevaartuigen zoals satellieten zeer complexe systemen zijn die zijn ingebed in een van de meest veeleisende omgevingen die we kennen . De sterkste verslechtering die externe satellietstructuren ervaren, houdt doorgaans verband met oppervlakte-erosie afkomstig van de UV-straling in de ruimte en van bombardementen met atomaire zuurstof [8], naast de ernstige thermische cycli , afhankelijk van hun orbitale kenmerken .

De buitenste laag van een satelliet is het bepalende oppervlak voor alle thermische interacties met de omgeving. Als het voor slechts één doel is geoptimaliseerd, bijvoorbeeld om elektromagnetische reflectie te minimaliseren , andere functies die nodig zijn voor de nominale functionaliteit, zoals een bepaalde oppervlakte-emissiviteit voor koeling of impactbescherming tegen micrometeorieten en puin van de satelliet kan ontbreken. Daarom moet de buitenste laag een veelvoud aan functies en vereisten vervullen.

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

Meerlaags keramiek op koolstofbasis hebben bewezen een effectief materiaal te zijn om een ​​multifunctionele, lichtgewicht en robuuste ruimtevaartuighuid te realiseren. Afbeelding 3 laat zien hoe met koolstofvezel versterkt koolstof (Carbon/Carbon of C/C) zorgt voor een hoge thermische stabiliteit over een groot temperatuurbereik. De C/C-componenten kunnen worden vervaardigd met een chemisch dampinfiltratieproces.

Een echte onzichtbaarheidsmantel

Het lijkt misschien triviaal om een ​​object in de ruimte te verbergen door het simpelweg op dezelfde manier te kleuren als de achtergrond :zwart . Maar zelfs objecten die al het zichtbare licht absorberen, kunnen perfecte reflectoren zijn van elektromagnetische straling op andere golflengten, bijvoorbeeld microgolven .
De superieure thermische bescherming die C/C biedt, kan worden gecombineerd met de elektromagnetische golfabsorberende eigenschappen van een epoxymatrix met toegevoegde meerwandige koolstofnanobuizen . Niet alleen hebben koolstofnanobuisjes het potentieel om de absorptie van elektromagnetische golven te vergroten, maar ze kunnen ook worden gebruikt om ultrasterke nanomaterialen te maken, zoals beschreven in dit artikel van Wade Lanning.

Figuur 4:Afbeelding van een kubussatelliet (CubeSat) en schematische weergave van het thermische beveiligingssysteem. C/C wordt gecombineerd met een meerlaagse afscherming die elektromagnetische straling absorbeert [8].

De buitenste lagen van de meerlaagse afscherming die wordt weergegeven in figuur 4, met een koolstofnanobuisje van maximaal 1,5%, bieden uitstekende microgolfabsorberende eigenschappen , fungerend als een onzichtbaarheidsmantel voor de satelliet. De dikte van de afzonderlijke lagen en hun samenstelling zijn geoptimaliseerd met behulp van een machine learning-benadering , in navolging van een recente trend in materiaalkunde.

Zoals u kunt zien, zijn moderne materialen en de toepassing van multifunctionele composieten vereist om de veeleisende omgeving van de ruimte te weerstaan .

Hoe goed een ruimtevaartuig hier op aarde ook is ontworpen en getest, een aantal verrassingen in zijn functionaliteit en onbedoelde effecten kunnen nog steeds in een baan om de aarde worden aangetroffen, zoals SpaceX en hun Starlink-satellietconstellatie hebben aangetoond. Keramische materialen, composieten en coatings bieden zeer wenselijke eigenschappen zoals stabiliteit op lange termijn en thermische bescherming, waardoor een nieuw tijdperk van geavanceerde verkenning van de ruimte mogelijk wordt.