Desarrollo de un criotanque esférico, totalmente compuesto y sin revestimiento

Los vehículos de lanzamiento para viajes espaciales requieren mucho combustible y mucho almacenamiento de combustible. Los propulsores de cohetes típicos como oxígeno, hidrógeno y nitrógeno se pueden almacenar como gases a temperatura ambiente, pero dado que los gases tienen una densidad relativamente baja, almacenar suficientes propulsores de gas para un lanzamiento espacial requeriría tanques muy grandes, lo que aumentaría el peso de la nave espacial y limitaría su capacidad de carga útil. Estos propulsores, entonces, se almacenan idealmente a mayor densidad como líquidos, lo que permite el uso de tanques más pequeños y menos en los que almacenarlos, pero muchos propulsores comunes deben enfriarse a temperaturas ultra frías (también conocidas como criogénicas, y generalmente se refieren a temperaturas por debajo de -150 ° C, o -238 ° F) para existir como líquidos.

Con este fin, en abril de 2020, Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Oklahoma, EE. UU.) Anunció el desarrollo de un criotanque esférico, sin revestimiento y totalmente compuesto, un recipiente a presión para almacenar propelentes criogénicos en vehículos de lanzamiento espacial propulsados ​​por cohetes.

Los recipientes a presión sin revestimiento, también conocidos como Tipo V, han sido durante mucho tiempo un objetivo en el diseño de tanques de almacenamiento de alta presión compuestos de fibra de carbono. Tradicionalmente, los recipientes a presión de los Tipos I a IV han incorporado al menos algún porcentaje de metal, al menos como un revestimiento entre el gas o líquido almacenado y el exterior compuesto (Tipo IV). La eliminación de componentes metálicos reduce significativamente el peso del tanque, lo que lleva, en el caso de los tanques de almacenamiento de combustible para naves espaciales, a reducir los costos de lanzamiento del vehículo o aumentar la capacidad de carga útil.

Sin embargo, los diseños totalmente compuestos para combustibles criogénicos como el nitrógeno líquido o el oxígeno líquido tienden a provocar el elusivo problema de las microfisuras en el laminado. Como un laminado compuesto se enfrenta a la exposición a temperaturas extremas, como el enfriamiento a niveles criogénicos, la diferencia en los coeficientes de expansión térmica (CTE) entre cada capa puede provocar grietas y fugas. Muchos sistemas de resina también se vuelven frágiles a temperaturas criogénicas, lo que agrava el problema. Según Matt Villarreal, director ejecutivo de ICT, Infinite Composites Technologies ha desarrollado un tanque criogénico sin revestimiento que elimina los problemas de microfisuras.

Según Villarreal, los tanques de almacenamiento criogénico totalmente compuestos, los esféricos, en particular, debido a su menor huella, son considerados por muchos como una tecnología habilitadora clave para la exploración y supervivencia a largo plazo en el espacio. Aunque muchos módulos de aterrizaje lunares en desarrollo por agencias espaciales como la NASA incorporan un diseño de tanque esférico, dice, hasta ahora los tanques esféricos han sido esferas metálicas más pesadas y menos eficientes en combustible o recipientes a presión con envoltura de compuesto metálico esférico (COPV). El tanque completamente compuesto de ICT, llamado CryoSphere, ofrece potencial para una opción más liviana y eficiente en el consumo de combustible para almacenar combustible.

De autos de carrera a cohetes

Antes de que los criotanques fueran parte de la imagen, Villarreal y su socio comercial Michael Tate comenzaron sus carreras en el diseño de recipientes a presión compuestos mientras estaban en la Universidad Estatal de Oklahoma (Stillwater, Oklahoma, EE. UU.). En 2008, se unieron al pequeño equipo de Fórmula SAE de la escuela, que estaba trabajando en el diseño de un vehículo estilo Fórmula Uno de un cuarto de escala para competir en un próximo evento internacional de la competencia universitaria de ingeniería y diseño de Fórmula SAE. Para atraer la financiación muy necesaria de las empresas locales de gas natural, Villarreal y Tate ayudaron a convertir el vehículo del equipo para que funcionara con gas natural comprimido (GNC), pero descubrieron que el tanque de almacenamiento de GNC totalmente metálico que usaban era tan pesado que afectaba el funcionamiento del automóvil. eficiencia de combustible hasta el punto de que tuvieron que repostar el automóvil muchas veces durante el transcurso de la prueba de resistencia de 24 horas de la competencia.

“Después de la carrera, volvimos e investigamos un poco, y descubrimos que la masa de los tanques era un problema importante en muchas industrias diferentes, y era una tecnología habilitadora clave tanto para la energía limpia para el transporte como para la exploración espacial”, dice Villarreal.

Durante su investigación sobre tecnologías que facilitan tanques de GNC más livianos, Villarreal dice que él y Tate comenzaron a pensar en conceptos para el Tipo V, tanques compuestos sin revestimiento aclamados en la industria como el "Santo Grial" de los recipientes a presión. Más tarde, en 2008, Villarreal y Tate iniciaron una empresa llamada CleanNG LLC para, inicialmente, desarrollar tanques de alta presión para el almacenamiento de gas natural. Desde 2013, el recipiente a presión de CPV infinito compuesto de fibra de carbono cilíndrico de la compañía se ha utilizado en aplicaciones terrestres e industriales para almacenar, tal como se diseñó inicialmente, gas natural comprimido y también, cada vez más, gases comprimidos de criptón, nitrógeno y helio. .

A medida que la compañía continuaba trabajando en el diseño de su recipiente a presión, dice Villarreal, las empresas que construyen vehículos espaciales comenzaron a llegar a CleanNG con fondos de investigación y desarrollo para desarrollar versiones de sus tanques para su uso en naves espaciales. “Después de un tiempo, el caso de negocios se volvió más atractivo para el espacio”, dice Villarreal.

En 2016, la compañía cambió su nombre a Infinite Composites Technologies, y en los años posteriores, ICT se ha enfocado principalmente en proyectos espaciales comerciales, aunque Villarreal dice que la compañía también trabaja en aplicaciones de defensa como carcasas de motores de cohetes, así como aviones militares y no tripulados. vehículos aéreos. Como parte de esta transición, el diseño del tanque cilíndrico infiniteCPV se ha integrado en varios vehículos de lanzamiento de cohetes que se espera que vuelen en 2020.

El CryoSphere, dice Villarreal, es esencialmente una evolución del tanque infiniteCPV original.

Desarrollo de la crioesfera

A medida que el enfoque de las TIC se volvió cada vez más hacia las necesidades de las naves espaciales, Villarreal dice:"Comenzamos a ver una tendencia de que el verdadero desafío era fabricar tanques criogénicos compuestos". Los tanques criogénicos, o tanques criogénicos, son recipientes a presión especialmente diseñados para resistir no solo altas presiones sino también temperaturas extremadamente bajas, como las temperaturas por debajo de los 200 ° F requeridas para el almacenamiento de nitrógeno líquido, oxígeno líquido, metano líquido u otros combustibles y oxidantes utilizados. para impulsar vehículos de lanzamiento espacial.

La compañía solicitó fondos del estado de Oklahoma y recibió una subvención de $ 300,000 por tres años del Centro para el Avance de la Ciencia y la Tecnología (OCAST) en 2013 para la caracterización de materiales y las pruebas a nivel de materiales de un concepto de criotanque. “El proyecto tuvo un éxito moderado”, dice Villarreal. "Encontramos algunos buenos candidatos materiales y tuvimos una buena indicación de que podíamos seguir adelante con el concepto y comenzar a solicitar otras cosas".

ICT presentó su concepto de tanque criogénico al Centro Espacial Johnson de la NASA (Houston, Texas, EE. UU.) En 2018, y luego comenzó un proyecto de desarrollo rápido para un tanque criogénico compuesto que se usaría en un vehículo de demostración de aterrizaje lunar, un vehículo que era, dice Villarreal, similar al anterior Morpheus de la NASA vehículo de prueba de despegue vertical y aterrizaje vertical (VTVL). Los requisitos de rendimiento del tanque incluían la capacidad de soportar 10 ciclos de nitrógeno líquido (LN2) a una presión de 100 psi, lo que implica una caída de temperatura hasta -290 ° F y luego de regreso a la temperatura ambiente. Además, el tanque no podía caer más de 10 psi durante una verificación de helio de 30 minutos entre cada ciclo de LN2, y necesitaba resistir una explosión criogénica posterior al ciclo de 1,000 psi (± 100 psi).

La primera ronda de pruebas en un criotanque cilíndrico fue un éxito parcial, sobreviviendo solo a cinco ciclos criogénicos. “Aceleramos el proyecto y básicamente cambiamos el diseño en unas ocho semanas”, dice Villarreal. “Fue una carrera loca”, admite, “y el tanque sobrevivió a un par de ciclos térmicos, pero luego comenzó a tener fugas”. El problema era la microfisuración del laminado. El equipo terminó las pruebas y luego "volvió a la mesa de dibujo", dice Villarreal.

“La tecnología central está en los materiales”, dice Efren Luevano, gerente de ingeniería de ICT. El CryoSphere está hecho de fibra de carbono Toray (Tokio, Japón) T800 y una resina epoxi, y se fabrica mediante bobinado de filamentos, curado a temperatura ambiente y poscurado en un horno industrial (en lugar de un autoclave) en las instalaciones de ICT en Tulsa.

Intentando resolver el dilema del microfisurado, ICT comenzó a realizar pruebas iterativas de varios tipos de aditivos dentro de una matriz de resina epoxi endurecida químicamente, patentada, en diferentes concentraciones. En el proceso, el equipo descubrió una combinación de dos aditivos que, cuando se volvió a probar el tanque, permitieron que el diseño cumpliera con los requisitos térmicos. Uno de ellos es el grafeno.

"Para este caso, estamos usando grafeno como refuerzo mecánico en la nanoescala", dice Villarreal. Explica que las plaquetas de grafeno, suministradas por Applied Graphene Materials (Cleveland, Reino Unido), se extienden a través del espacio entre las fibras y crean un obstáculo para que se formen grietas en el laminado. El grafeno también mejora la fuerza de los enlaces entre las capas.

"Lo que estás tratando de hacer es mantener las fibras en su lugar mientras presurizas el tanque y aplicas la carga al tanque", explica Villarreal. A bajas temperaturas, la resina se vuelve quebradiza y comienza a fracturarse; a medida que se agrega presión a las fibras, comienzan a deslizarse entre sí y a romper los enlaces químicos entre ellas, dice. Las plaquetas de grafeno actúan como refuerzo mecánico entre las capas de fibra, reduciendo la probabilidad de movimiento y fractura.

También se incorpora un aditivo patentado adicional a la matriz, lo que hace que el laminado sea más dúctil a bajas temperaturas y crea más propiedades aislantes en el laminado. Además de la microfisuración, “[el aislamiento es] uno de los desafíos de estos crotanques”, dice Villarreal. En las pruebas, el nuevo diseño de CryoSphere que incorpora la resina mejorada con grafeno tardó casi una hora con nitrógeno líquido en "mostrar signos externos de frío". Aunque no existía un requisito particular para esto, agrega que en tanques anteriores que habían probado con nitrógeno líquido, se había formado escarcha en la superficie externa del tanque dentro de los 10 minutos posteriores al llenado del tanque con nitrógeno líquido.

Además de la compatibilidad criogénica, Luevano agrega que el diseño esférico fue un desafío en sí mismo. Según Villarreal, el beneficio de la forma esférica es que permite una mejor eficiencia de empaque para aplicaciones con requisitos de tamaño específicos o ajustados, como los módulos de aterrizaje lunares. Sin embargo, un desafío era que el potencial de deslizamiento durante la fabricación era mayor en una superficie esférica en comparación con una superficie cilíndrica, lo que, según Villarreal, se debía tanto al ángulo de enrollado necesario como a que el acabado de la superficie del mandril no creaba suficiente fricción para mantener las fibras húmedas impregnadas en su lugar, lo que dificultaba el control y la colocación de la fibra. Otro desafío fue que el software de diseño de patrones que utilizó el equipo estaba optimizado para cilindros y no podía generar patrones factibles para la esfera utilizando el flujo de trabajo normal. "Tuvimos que ser creativos con las soluciones", agrega.

El diseño esférico también ayudó con el problema de las microfisuras, un beneficio no intencional, dice Villarreal. El equipo se dio cuenta en una iteración de diseño temprana que había una diferencia de temperatura de aproximadamente 150 ° F entre el fondo del tanque y la parte superior del tanque, causada por el proceso de llenado de una hora en el que el nitrógeno líquido se encontraba en el fondo de la mitad del tanque a -290 ° F mientras que el nitrógeno gaseoso que llenaba la mitad superior estaba solo a -140 ° F. "Cuando se obtienen esos gradientes de temperatura muy marcados en el laminado, se pueden producir fracturas, porque una parte intenta estirarse a un ritmo diferente al de otra", dice Villarreal. Ese gradiente entre la parte superior e inferior del tanque se reduce con una forma esférica más pequeña, lo que ayuda a disminuir la disparidad de temperatura.

Con un nuevo diseño optimizado en la mano, ICT firmó un contrato a fines de 2019 con el Centro Espacial Kennedy de la NASA (Cabo Cañaveral, Florida, EE. UU.) Para entregar dos tanques criogénicos esféricos para pruebas que tenían la mitad de la escala del Morpheus tanques de aterrizaje. "Nuestras CryoSpheres completaron todas las pruebas de ciclo térmico con controles de helio entre cada ciclo para asegurarse de que no se hubieran desarrollado microfracturas", dice Villarreal. "Hasta donde sabemos", agrega, "había otros tres proveedores compitiendo por este contrato, pero cuando completamos las pruebas, ninguno de los otros proveedores había creado sus primeros prototipos todavía".