Cerámica en el espacio:de escudos térmicos reutilizables a capas de invisibilidad

La cerámica se utilizó para crear arte y diversos tipos de platos durante miles de años. Hoy en día, podemos usarlos para fabricar cuchillos duraderos ultra afilados que pueden hacer que sus contrapartes de acero de alta tecnología parezcan reliquias antiguas. Por experiencia de vida, también sabemos que las cerámicas no resisten bien las fuerzas fuertes repentinas que actúan sobre ellas . Por ejemplo, un suelo golpeándolos a unos pocos metros por segundo.

La inherente fragilidad de la cerámica es la razón principal por la que son inadecuados como material estructural para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, la cerámica sí destaca en muchos aspectos muy específicos , especialmente cuando se trata de altas temperaturas y estabilidad química . En este artículo, exploramos las funciones cruciales de la cerámica en las naves espaciales y cómo salvan el día en que los metales fallan.

Diseñando el sistema de protección térmica más eficiente

Uno de los casos de uso más comunes de la cerámica en naves espaciales es como parte del sistema de protección térmica. . Para entender por qué un material cerámico es el candidato ideal para esta aplicación, es importante observar de cerca los diferentes mecanismos de disipación de calor .

Cuando una nave espacial ingresa a cualquier tipo de atmósfera a velocidades orbitales, experimenta un calentamiento superficial significativo. a través de arrastre atmosférico . Esto es válido incluso para la atmósfera marciana relativamente delgada, que tiene solo el 1% de la densidad atmosférica de la Tierra. El calor absorbido por la nave espacial puede tomar dos direcciones :puede ser irradiado al medio ambiente o conducido al interior de la nave espacial, como se indica en la figura 1.

Figura 1:Vista esquemática del calentamiento superficial de una nave espacial aislada [1].

Radiación sería una forma favorable para que el diseñador de la nave espacial se deshaga del calor absorbido, ya que el medio ambiente apenas se ve afectado por el calor irradiado, mientras que la nave espacial podría desintegrarse y/o derretirse si se acumula demasiado calor durante la fase de entrada.

Sin embargo, la eficiencia de la radiación está ligada a la cuarta potencia de la temperatura de la superficie. Esto significa que apenas juega ningún papel en las temperaturas de la superficie que la mayoría de los materiales pueden manejar cómodamente, pero se convierte en el mecanismo dominante de transferencia de calor/enfriamiento a temperaturas superiores a ~1000 K. . Es posible que esté familiarizado con este rango de temperatura ya que prácticamente todos los materiales sólidos comienzan a brillar de color rojo visiblemente por aquí [2].

Los recubrimientos especializados son la clave

La conducción del calor hacia la nave espacial es la forma menos favorable de manejar el calentamiento de la superficie. debido a las limitaciones de temperatura de todos los materiales utilizados dentro de la nave espacial. Hay tanto calor que la nave espacial puede absorber antes de los límites materiales se exceden y pueden ocurrir fallas catastróficas .

A los ingenieros se les ocurrió una solución inteligente que utiliza ambos mecanismos de transferencia de calor . Por ejemplo, la superficie calentada del orbitador del transbordador espacial está cubierta con un buen material aislante del calor , concretamente sílice (dióxido de silicio). Además, se aplica un revestimiento de borosilicato negro a este material para maximizar las propiedades de emisión de radiación de la superficie. De esta forma, hasta el 95 % del calor encontrado se elimina inmediatamente , dejando sólo un 5% del calor para ser absorbido por el interior de las tejas.

Toda la superficie inferior de los transbordadores espaciales está cubierta con estos mosaicos negros , que consiste en un sistema de fibra de sílice con un contenido en volumen de solo el 6%. El volumen restante se llena con aire . Cada teja está marcada con un número de identificación para asegurar el correcto mantenimiento y montaje en su posición única. Las tejas están unidas a la estructura de aluminio subyacente con un "pegamento" de caucho de silicona.

Otros sistemas de protección térmica, como los sistemas abrasivos , utilice también materiales aislantes, que se erosionan deliberadamente por el calor excesivo . Por diseño, los sistemas abrasivos solo se pueden usar una vez antes de que requieran un reemplazo completo. Por el contrario, las placas de sílice son reutilizables, a pesar de su impresionante temperatura máxima de servicio de alrededor de 1900 K durante la fase de reingreso. .

 

Para áreas especialmente calientes , como los bordes de ataque de las estructuras aerodinámicas, el aislamiento térmico puede ser insuficiente , que requiere refrigeración activa. En este caso, no hay una capa de cerámica aislante, sino un material térmicamente conductor relativamente delgado.

Este principio es comparable al enfriamiento de la cámara de combustión principal en el motor principal del transbordador espacial, que se describió en detalle en nuestro artículo anterior, Metales en el espacio:cómo las superaleaciones cambiaron el panorama de los cohetes . Además, Elon Musk planea usar enfriamiento activo de acero inoxidable en toda la superficie orientada hacia el barlovento de la nave espacial Starship recientemente diseñada.

La fase de entrada a la atmósfera no es la única fase operativa en la que una nave espacial está sujeta a un calentamiento superficial considerable. Simplemente estar expuesto a la luz del sol en el espacio puede elevar la temperatura de la superficie rápidamente hasta unos 500 K .

Contra esto, los orbitadores del transbordador espacial fueron protegidos por las mismas placas de sílice usando una capa blanca, que consiste en una mezcla de compuestos de sílice y óxido de aluminio [4], para maximizar la reflectividad de la superficie. y absorber solo una fracción minúscula del flujo de energía solar incidente.

Las desventajas de las naves espaciales altamente reflectantes

En algunos casos, la reflectividad de una nave espacial puede ser problemática . Recientemente, SpaceX recibió serias quejas sobre sus satélites que interfieren con las observaciones de los astrónomos [5].

Los satélites Starlink de SpaceX están creando constelaciones de estrellas artificiales en el cielo, que a los astrónomos les preocupa que interfieran con sus cálculos de datos y contaminen el cielo nocturno.

La reflectividad óptica no se consideró para el diseño general de los satélites Starlink. Sin embargo, SpaceX reconoció esta falla y está trabajando activamente para encontrar una solución al poner una capa en el lado que mira hacia la Tierra de los satélites [6].

Este recubrimiento afecta fuertemente las propiedades térmicas de los satélites ya que la luz emitida y reflejada por la Tierra también puede actuar como una fuente importante de calor. que debe tenerse en cuenta en el sistema general. Por lo tanto, este no es un cambio sencillo, sino uno que debe diseñarse cuidadosamente y validarse mediante prueba y error.

La investigación sobre materiales absorbentes de ondas electromagnéticas se remonta a la Segunda Guerra Mundial, cuando los alemanes se enfrentaron con los primeros sistemas de radar de los aliados, que tuvieron mucho éxito. Esta investigación dio como resultado una pintura a base de ferrita , que puede considerarse como el primer material absorbente de radar creado artificialmente [7].

Hoy en día, las firmas de radar de los satélites deben suprimirse en algunos casos por razones estratégicas, ocultándolos de los sistemas de detección enemigos. Sin embargo, los operadores de satélites que decidan aplicar tecnología de absorción de radar deben prestar especial atención para asegurarse de que sus satélites no contribuyan al problema cada vez mayor de los desechos espaciales en la órbita de la Tierra después del final del servicio, ya que son aún más difíciles de encontrar y eliminar.

Por qué los materiales/composites multifuncionales son imprescindibles

A partir de las consideraciones anteriores, puede ver que las naves espaciales, como los satélites, son sistemas muy complejos integrados en uno de los entornos más exigentes que conocemos . El mayor deterioro que experimentan las estructuras exteriores de los satélites suele estar relacionado con la erosión de la superficie. procedente de la irradiación UV en el espacio y del bombardeo con oxígeno atómico [8], además de los severos ciclos térmicos , dependiendo de sus características orbitales .

Los satélites son sistemas muy complejos integrados en uno de los entornos más exigentes que conocemos.

La capa más externa de un satélite es la superficie que define todas las interacciones térmicas con el medio ambiente. Si está optimizado para un solo propósito, por ejemplo, para minimizar la reflectividad electromagnética , otras características requeridas para la funcionalidad nominal como una cierta emisividad superficial para enfriamiento o protección contra impactos de micrometeoritos y es posible que falten restos del satélite. Por lo tanto, la capa más externa tiene que cumplir multitud de funciones y requisitos.

Figura 3:Estabilidad térmica de diferentes materiales [9].

Cerámica multicapa a base de carbono han demostrado ser un material eficaz para conseguir una piel para naves espaciales multifuncional, ligera y robusta. La Figura 3 muestra cómo el carbono reforzado con fibra de carbono (Carbono/Carbono o C/C) proporciona una alta estabilidad térmica en un amplio rango de temperatura. Los componentes de C/C se pueden fabricar con un proceso de infiltración de vapor químico.

Un verdadero manto de invisibilidad

Puede parecer trivial ocultar un objeto en el espacio simplemente coloreándolo de la misma manera que el fondo :negro . Sin embargo, incluso los objetos que absorben toda la luz visible pueden ser reflectores perfectos de la radiación electromagnética en otras longitudes de onda, por ejemplo, microondas. .
La protección térmica superior que proporciona C/C se puede combinar con las características de absorción de ondas electromagnéticas de una matriz epoxi con nanotubos de carbono de pared múltiple añadidos . Los nanotubos de carbono no solo tienen el potencial de aumentar la absorbancia de las ondas electromagnéticas, sino que también se pueden usar para fabricar nanomateriales ultrarresistentes, como se describe en este artículo de Wade Lanning.

Figura 4:Imagen de un satélite cubo (CubeSat) y vista esquemática de su sistema de protección térmica. C/C se combina con un blindaje multicapa que absorbe la radiación electromagnética [8].

Las capas exteriores de la multicapa protectora que se muestra en la figura 4, con un contenido de nanotubos de carbono de hasta el 1,5 %, proporcionan excelentes características de absorción de microondas. , actuando como una capa de invisibilidad para el satélite. El grosor de las capas individuales, así como su composición, se optimizan mediante un enfoque de aprendizaje automático , siguiendo una tendencia reciente en la ciencia de los materiales.

Como puede ver, se requieren materiales de vanguardia y la aplicación de compuestos multifuncionales para soportar el exigente entorno del espacio .

No importa qué tan bien esté diseñada y probada una nave espacial aquí en la Tierra, algunas sorpresas en su funcionalidad y efectos no deseados todavía se pueden encontrar en órbita, como han demostrado SpaceX y su constelación de satélites Starlink. Materiales cerámicos, compuestos y revestimientos ofrecen características muy deseables como estabilidad a largo plazo y protección térmica, lo que permite una nueva era de exploración espacial avanzada.