Cerámicas avanzadas en aeroespacial: escudos térmicos reutilizables y más allá

Las cerámicas se usaron para crear arte y platos durante miles de años. Hoy, podemos usarlas para fabricar cuchillos ultra afilados y duraderos que hacen parecer a sus homólogos de acero de alta tecnología como reliquias antiguas. Por experiencia vital, también sabemos que las cerámicas no lidian bien con fuerzas fuertes repentinas. Por ejemplo, un suelo golpeándolas a pocos metros por segundo.

La fragilidad inherente de las cerámicas es la principal razón por la que son inadecuadas como material estructural para la mayoría de aplicaciones. Sin embargo, las cerámicas destacan en muchos aspectos altamente específicos, especialmente en altas temperaturas y estabilidad química. En este artículo exploramos los papeles cruciales de las cerámicas en naves espaciales y cómo salvan la situación donde los metales fallan.

Diseñando el sistema de protección térmica más eficiente

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

Cuando una nave entra en cualquier atmósfera a velocidades orbitales, experimenta calentamiento superficial significativo por arrastre atmosférico. Esto ocurre incluso en la atmósfera marciana, relativamente delgada, con solo el 1 % de la densidad terrestre. El calor absorbido por la nave puede tomar dos caminos: radiarse al entorno o conducirse al interior de la nave, como indica la figura 1.

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

La radiación sería una forma favorable para el diseñador de deshacerse del calor absorbido, ya que el entorno apenas se ve afectado por el calor radiado, mientras que la nave podría desintegrarse y/o fundirse 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 superficial. Esto significa que apenas juega papel para temperaturas que la mayoría de materiales soportan cómodamente, pero se convierte en el mecanismo dominante de transferencia/enfriamiento a temperaturas superiores a ~1000 K. Puede conocer este rango como casi todos los materiales sólidos empiezan a brillar visiblemente en rojo por aquí [2].

Los recubrimientos especializados son la clave

La conducción del calor al interior de la nave es la forma menos favorable de gestionar el calentamiento superficial debido a las limitaciones de temperatura de todos los materiales usados dentro. Solo hay tanto calor que la nave puede absorber antes de que se superen los límites de material y puedan ocurrir fallos catastróficos.

Los ingenieros idearon 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, sílice (dióxido de silicio). Además, se aplica un recubrimiento negro de borosilicato a este material para maximizar las propiedades de emisión de radiación de la superficie. Así, hasta el 95 % del calor encontrado se disipa inmediatamente, dejando solo el 5 % para ser absorbido por el interior de los azulejos.

Toda la superficie inferior de los orbitadores del transbordador está cubierta con estos azulejos negros, consistentes en un sistema de fibra de sílice con contenido volumétrico del 6 %. El volumen restante se llena de aire. Cada azulejo lleva un número de identificación para asegurar el mantenimiento y montaje correctos en su posición única. Los azulejos se unen a la estructura de aluminio subyacente con «pegamento» de goma de silicona.

Otros sistemas de protección térmica, como los sistemas ablativos, también usan materiales aislantes que se erosionan deliberadamente por el calor excesivo. Por diseño, los sistemas ablativos solo pueden usarse una vez antes de requerir reemplazo completo. En contraste, los azulejos de sílice son reutilizables, a pesar de su impresionante temperatura pico de servicio de unos 1900 K durante la reentrada.

Para áreas especialmente calentadas, como bordes de ataque de estructuras aerodinámicas, el aislamiento térmico puede ser insuficiente, requiriendo refrigeración activa. En este caso, no hay capa cerámica aislante sino un material relativamente fino y térmicamente conductor.

Este principio es comparable al enfriamiento de la cámara de combustión principal en el motor principal del transbordador, descrito en detalle en nuestro artículo anterior, Metales en el espacio: cómo las superaleaciones cambiaron el panorama de los cohetes. Además, Elon Musk planea usar refrigeración activa de acero inoxidable en toda la superficie de barlovento de la nueva nave Starship.

La fase de entrada atmosférica no es la única donde una nave sufre calentamiento superficial considerable. Simplemente estar expuesto a la luz solar en el espacio puede elevar la temperatura superficial rápidamente hasta unos 500 K.

Contra esto, los orbitadores del transbordador estaban protegidos por los mismos azulejos de sílice con un recubrimiento blanco, consistente en una mezcla de compuestos de sílice y óxido de aluminio [4], para maximizar la reflectividad superficial y absorber solo una fracción minúscula del flujo de energía solar incidente.

Los inconvenientes de naves altamente reflectantes

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

La reflectividad óptica no se consideró en el diseño general de los satélites Starlink. Sin embargo, SpaceX reconoció este fallo y trabaja activamente en una solución aplicando un recubrimiento en el lado 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 actúa como fuente sustancial de calentamiento que debe considerarse en el sistema general. Por tanto, no es un cambio sencillo, sino uno que debe diseñarse y validarse cuidadosamente mediante prueba y error.

La investigación en materiales absorbentes de ondas electromagnéticas se remonta a la Segunda Guerra Mundial, cuando los alemanes se enfrentaron a los exitosos sistemas de radar de los Aliados. Esto resultó en una pintura a base de ferrita, que puede considerarse el primer material absorbente de radar creado artificialmente [7].

Hoy, las firmas de radar de satélites deben suprimirse a veces por razones estratégicas, ocultándolos de sistemas de detección enemigos. Sin embargo, operadores que apliquen tecnología absorbente de radar deben prestar atención extra para asegurar que sus satélites no contribuyan al creciente problema de basura espacial en órbita terrestre tras su vida útil, ya que son aún más difíciles de encontrar y eliminar.

Por qué los materiales/compuestos multifuncionales son imprescindibles

De las consideraciones anteriores se ve que naves como satélites son sistemas altamente complejos incrustados en uno de los entornos más exigentes que conocemos. El deterioro más fuerte que experimentan las estructuras exteriores suele relacionarse con erosión superficial originada por irradiación UV en el espacio y bombardeo de oxígeno atómico [8], además de severos ciclos térmicos, según sus características orbitales.

La capa más externa de un satélite es la superficie definitoria para todas las interacciones térmicas con el entorno. Si se optimiza para un solo propósito, por ejemplo minimizar la reflectividad electromagnética, pueden faltar otras características requeridas para la funcionalidad nominal como una cierta emisividad superficial para enfriamiento o protección contra impactos de micrometeoritos y basura del satélite. Por tanto, la capa más externa debe cumplir multitud de funciones y requisitos.

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

Cerámicas multicapa basadas en carbono han demostrado ser un material eficaz para lograr una piel de nave multifuncional, ligera y robusta. La figura 3 muestra cómo el carbono reforzado con fibra de carbono (Carbono/Carbono o C/C) proporciona alta estabilidad térmica en un amplio rango de temperatura. Los componentes C/C pueden fabricarse con un proceso de infiltración de vapor químico.

Una verdadera capa de invisibilidad

Podría parecer trivial ocultar un objeto en el espacio simplemente coloreándolo como el fondo: negro. Sin embargo, incluso objetos que absorben toda la luz visible pueden ser reflectores perfectos de irradiación electromagnética en otras longitudes de onda, por ejemplo microondas.
La superior protección térmica que C/C proporciona puede combinarse con las características absorbentes de ondas electromagnéticas de una matriz epoxi con nanotubos de carbono de pared múltiple añadidos. No solo los nanotubos de carbono tienen potencial para aumentar la absorbancia de ondas electromagnéticas, sino que también pueden usarse para fabricar nanomateriales ultra-resistentes, como se describe en el artículo de Wade Lanning.

Figura 4: Imagen de un CubeSat y vista esquemática de su sistema de protección térmica. C/C combinado con multicapa absorbente de radiación electromagnética [8].

Las capas externas del multicapa absorbente mostrado en la figura 4, con contenido de nanotubos de carbono 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 y su composición se optimizan usando un enfoque de aprendizaje automático, siguiendo una tendencia reciente en ciencia de materiales.

Como se ve, materiales de vanguardia y la aplicación de compuestos multifuncionales son necesarios para resistir el entorno exigente del espacio.

Por bien diseñada y probada que esté una nave aquí en la Tierra, algunas sorpresas en su funcionalidad y efectos no intencionados pueden encontrarse en órbita, como demostraron SpaceX y su constelación Starlink. Materiales cerámicos, compuestos y recubrimientos ofrecen características altamente deseables como estabilidad a largo plazo y protección térmica, permitiendo una nueva era de exploración espacial avanzada.