Un carbonio aperto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13135 (2023) Citare questo articolo

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Le missioni di esplorazione spaziale si affidano a scudi termici ablativi per la protezione termica dei veicoli spaziali durante i voli di ingresso nell'atmosfera. Sebbene sia necessaria una ricerca dedicata per le missioni future, la comunità scientifica ha un accesso limitato ai materiali ablativi tipicamente utilizzati nel settore aerospaziale. In questo articolo, riportiamo lo sviluppo del materiale HEFDiG Ablation-Research Laboratory Experiment Material (HARLEM), un ablatore carbonio-fenolico progettato per soddisfare la necessità di materiali ablativi negli esperimenti di laboratorio. HARLEM è prodotto utilizzando preforme in fibra di carbonio a base di poliacrilonitrile e un percorso di lavorazione semplificato per l'impregnazione fenolica. Abbiamo caratterizzato le prestazioni di protezione termica di HARLEM negli esperimenti arcjet condotti nella galleria del vento al plasma PWK1 dell'Istituto di sistemi spaziali dell'Università di Stoccarda. Abbiamo valutato le prestazioni del nuovo materiale misurando il tasso di recessione superficiale e la temperatura utilizzando rispettivamente la fotogrammetria e la termografia durante gli esperimenti. I nostri risultati mostrano che le prestazioni di protezione termica di HARLEM sono paragonabili a quelle degli ablatori carbonio-fenolici legacy che sono stati convalidati in diverse strutture arcjet o in volo, come dimostrato dai calcoli del calore effettivo di ablazione e dalla microscopia elettronica a scansione dei campioni così come prodotti. La produzione interna di ablatori carbonio-fenolici consente l'aggiunta di strumenti diagnostici integrati agli ablatori, consentendo l'acquisizione di dati sulla pressione interna e tecniche di analisi della pirolisi più sofisticate.

I veicoli spaziali che entrano nelle atmosfere planetarie sono soggetti a carichi aerotermici elevati e richiedono sistemi di protezione termica dedicati1,2. A velocità di ingresso superiori a 11 km/s, gli scudi termici ablativi vengono generalmente utilizzati per la protezione termica a causa dei flussi di calore estremi che i veicoli spaziali devono sopportare3. Una comprensione approfondita dei meccanismi combinati sotto il termine ablazione e del modo in cui incidono sulle prestazioni degli scudi termici è fondamentale per ottimizzare i sistemi di protezione termica e ridurre i rischi coinvolti nelle missioni spaziali più impegnative.

Gli ablatori carbonio-fenolici sono i materiali ablativi all'avanguardia e sono stati spesso scelti per i sistemi di protezione termica delle missioni di scoperta3. Sono in grado di dissipare grandi quantità di calore mediante ablazione e, a causa del loro elevato contenuto di carbonio, mediante riemissione di radiazioni4,5. Per valutare le prestazioni dei materiali ablativi e studiare la loro complessa interazione con flussi ad alta entalpia, i ricercatori replicano le condizioni di ingresso atmosferico nelle gallerie del vento al plasma. I dati generati in questi esperimenti sono fondamentali per convalidare i modelli numerici, che vengono poi utilizzati per progettare e ottimizzare i materiali degli scudi termici. Tuttavia, ottenere parametri materiali accurati durante un esperimento rimane una sfida, soprattutto quando si analizzano i processi interni, che richiedono apparecchiature diagnostiche specializzate. Per migliorare la qualità della ricerca, sono necessari dati materiali più fondamentali e nuove tecniche diagnostiche in grado di misurare parametri precedentemente inaccessibili.

Le tecniche diagnostiche spesso richiedono sia la produzione del materiale che l'implementazione dello strumento, il che può essere difficile da replicare. Inoltre, i metodi di lavorazione utilizzati per produrre gli ablatori convenzionali non sono generalmente divulgati nella letteratura pubblica, poiché sono spesso proprietari e posseduti da aziende o agenzie governative. Ad esempio, i rapporti che descrivono lo sviluppo dell’ablatore carbonio-fenolico PICA6,7,8 non ne consentono la riproduzione, anche se il metodo è stato brevettato9,10. Altri ablatori carbonio-fenolici, inclusi ASTERM, AQ61 e ZURAM11, così come altre varianti di ablatori come AVCOAT, Cork P50, MA-25S, MonA, SLA-561 e ACUSIL sono materiali proprietari di varie organizzazioni, inclusa la NASA Ames Research Center, il Centro aerospaziale tedesco, Airbus SE, Amorim Cork Composites, Textron Inc., Peraton Inc. e Lockheed Martin Corp. Di conseguenza, la capacità della comunità di ricerca di studiare questi materiali è limitata, il che può ostacolare lo sviluppo di sistemi avanzati di protezione termica per missioni di esplorazione spaziale.