Keramik im Weltraum:Von wiederverwendbaren Hitzeschilden bis zu Tarnumhängen

Abbildung 1:Schematische Darstellung der Oberflächenheizung eines isolierten Raumfahrzeugs [1].

Strahlung wäre ein günstiger Weg für den Konstrukteur des Raumfahrzeugs, die absorbierte Wärme abzuführen, da die Umgebung durch die abgestrahlte Wärme kaum beeinträchtigt wird, während das Raumfahrzeug zerfallen und/oder schmelzen könnte, wenn sich zu viel Wärme ansammelt während der Einstiegsphase.

Die Effizienz der Strahlung ist jedoch an die vierte Potenz der Oberflächentemperatur gebunden. Dies bedeutet, dass es kaum eine Rolle für Oberflächentemperaturen spielt, mit denen die meisten Materialien bequem umgehen können, aber bei Temperaturen über ~1000 K zum dominierenden Wärmeübertragungs-/Kühlmechanismus wird . Dieser Temperaturbereich ist Ihnen vielleicht bekannt, da praktisch alle festen Materialien hier sichtbar rot zu glühen beginnen [2].

Spezialbeschichtungen sind der Schlüssel

Die Wärmeleitung in das Raumfahrzeug ist der weniger günstige Weg, mit der Oberflächenerwärmung umzugehen aufgrund der Temperaturbeschränkungen aller verwendeten Materialien innerhalb des Raumfahrzeugs. Es gibt nur so viel Wärme, die das Raumfahrzeug vor den Materialgrenzen absorbieren kann überschritten werden und katastrophale Ausfälle auftreten können .

Ingenieure haben eine intelligente Lösung gefunden, die beide Wärmeübertragungsmechanismen nutzt . Beispielsweise ist die beheizte Oberfläche des Space-Shuttle-Orbiters mit einem gut wärmeisolierenden Material bedeckt , nämlich Kieselerde (Siliciumdioxid). Zusätzlich wird auf dieses Material eine schwarze Borosilikatbeschichtung aufgebracht, um die Strahlungsemissionseigenschaften der Oberfläche zu maximieren. Auf diese Weise werden bis zu 95 % der auftretenden Wärme sofort abgeführt , sodass nur 5 % der Wärme vom Inneren der Fliesen absorbiert werden.

Die gesamte Unterseite der Space-Shuttle-Orbiter ist mit diesen schwarzen Kacheln bedeckt , bestehend aus einem Quarzfasersystem mit einem Volumenanteil von nur 6 %. Das verbleibende Volumen wird mit Luft gefüllt . Jede Fliese ist mit einer Identifikationsnummer gekennzeichnet, um die korrekte Wartung und Montage in ihrer einzigartigen Position zu gewährleisten. Die Fliesen werden mit einem „Kleber“ aus Silikonkautschuk auf die darunter liegende Aluminiumstruktur geklebt.

Andere thermische Schutzsysteme, wie abrasive Systeme , verwenden auch Isoliermaterialien, die bewusst durch die übermäßige Hitze erodiert werden . Die Schleifsysteme können konstruktionsbedingt nur einmal verwendet werden, bevor sie vollständig ausgetauscht werden müssen. Im Gegensatz dazu sind die Silica-Kacheln trotz ihrer beeindruckenden Spitzengebrauchstemperatur von etwa 1900 K während der Wiedereintrittsphase wiederverwendbar .

Für besonders stark erhitzte Bereiche , wie Vorderkanten von aerodynamischen Strukturen, Wärmeisolierung kann unzureichend sein , die eine aktive Kühlung erfordern. In diesem Fall befindet sich keine isolierende Keramikschicht, sondern ein relativ dünnes, wärmeleitendes Material.

Dieses Prinzip ist vergleichbar mit der Kühlung der Hauptbrennkammer im Haupttriebwerk des Space Shuttles, das in unserem vorherigen Artikel Metalle im Weltraum:Wie Superlegierungen die Raketenlandschaft veränderten ausführlich beschrieben wurde . Darüber hinaus plant Elon Musk die Verwendung von aktiver Kühlung aus Edelstahl auf der gesamten windzugewandten Oberfläche des neu gestalteten Raumschiffs Starship.

Die atmosphärische Eintrittsphase ist nicht die einzige Betriebsphase, in der ein Raumfahrzeug einer beträchtlichen Oberflächenerwärmung ausgesetzt ist. Einfach dem Sonnenlicht im Weltraum ausgesetzt werden kann die Oberflächentemperatur schnell bis auf etwa 500 K erhöhen .

Dagegen wurden die Space-Shuttle-Orbiter durch die gleichen Silica-Kacheln mit einer weißen Beschichtung geschützt, die aus einer Mischung von Silica-Verbindungen und Aluminiumoxid [4] bestand, um das Oberflächenreflexionsvermögen zu maximieren und absorbieren nur einen winzigen Bruchteil des einfallenden Sonnenenergieflusses.

Die Nachteile stark reflektierender Raumfahrzeuge

In einigen Fällen kann das Reflexionsvermögen eines Raumfahrzeugs problematisch sein . Erst kürzlich erhielt SpaceX ernsthafte Beschwerden darüber, dass seine Satelliten die Beobachtungen von Astronomen stören [5].

Die Starlink-Satelliten von SpaceX erzeugen Konstellationen künstlicher Sterne am Himmel, von denen Astronomen befürchten, dass sie ihre Datenberechnungen stören und den Nachthimmel verschmutzen werden.

Das optische Reflexionsvermögen wurde für das Gesamtdesign der Starlink-Satelliten nicht berücksichtigt. SpaceX hat diesen Fehler jedoch eingeräumt und arbeitet aktiv an einer Lösung, indem eine Beschichtung auf der erdzugewandten Seite angebracht wird der Satelliten [6].

Diese Beschichtung wirkt sich stark auf die thermischen Eigenschaften der Satelliten aus, da das von der Erde emittierte und reflektierte Licht auch eine erhebliche Wärmequelle darstellen kann was im Gesamtsystem berücksichtigt werden muss. Daher ist dies keine einfache Änderung, sondern eine, die sorgfältig entworfen und durch Versuch und Irrtum validiert werden muss.

Die Forschung an elektromagnetischen Wellen absorbierenden Materialien reicht bis in den Zweiten Weltkrieg zurück, als die Deutschen den äußerst erfolgreichen ersten Radarsystemen der Alliierten gegenüberstanden. Diese Forschung führte zu einer Ferrit-basierten Farbe , das als das erste künstlich erzeugte radarabsorbierende Material angesehen werden kann [7].

Heutzutage müssen die Radarsignaturen von Satelliten in einigen Fällen aus strategischen Gründen unterdrückt werden, um sie vor feindlichen Erkennungssystemen zu verbergen. Allerdings Satellitenbetreiber, die sich für die Anwendung der Radarabsorptionstechnologie entscheiden müssen besonders darauf achten, sicherzustellen, dass ihre Satelliten nicht zum stark zunehmenden Problem des Weltraumschrotts beitragen in der Erdumlaufbahn nach dem Ende des Dienstes, da sie noch schwerer zu finden und zu entfernen sind.

Warum multifunktionale Materialien/Verbundwerkstoffe ein Muss sind

Aus den obigen Überlegungen können Sie erkennen, dass Raumfahrzeuge wie Satelliten hochkomplexe Systeme sind, die in eine der anspruchsvollsten Umgebungen eingebettet sind, die wir kennen . Die stärkste Verschlechterung, der äußere Satellitenstrukturen ausgesetzt sind, hängt typischerweise mit der Oberflächenerosion zusammen die aus der UV-Bestrahlung stammen im Weltraum und vor Beschuss mit atomarem Sauerstoff [8], zusätzlich zu den starken thermischen Zyklen , abhängig von ihren Orbitaleigenschaften .

Satelliten sind hochkomplexe Systeme, eingebettet in eine der anspruchsvollsten Umgebungen, die wir kennen.

Die äußerste Schicht eines Satelliten ist die definierende Oberfläche für alle thermischen Wechselwirkungen mit der Umgebung. Wenn es nur für einen Zweck optimiert ist, zum Beispiel um die elektromagnetische Reflektivität zu minimieren , andere Eigenschaften, die für die nominelle Funktionalität erforderlich sind, wie ein bestimmter Oberflächenemissionsgrad für die Kühlung oder Aufprallschutz von Mikrometeoriten und Trümmer des Satelliten könnten fehlen. Daher muss die äußerste Schicht eine Vielzahl von Funktionen und Anforderungen erfüllen.

Abbildung 3:Thermische Stabilität verschiedener Materialien [9].

Mehrschichtige Keramik auf Kohlenstoffbasis haben sich als effektives Material für eine multifunktionale, leichte und robuste Raumfahrzeughaut erwiesen. Abbildung 3 zeigt, wie kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff (Carbon/Carbon oder C/C) bietet eine hohe thermische Stabilität über einen großen Temperaturbereich. Die CFC-Bauteile können mit einem chemischen Dampfinfiltrationsverfahren hergestellt werden.

Ein echter Tarnmantel

Es mag trivial erscheinen, ein Objekt im Raum zu verstecken, indem man es einfach genauso einfärbt wie den Hintergrund :schwarz . Aber auch Objekte, die das gesamte sichtbare Licht absorbieren, können perfekte Reflektoren für elektromagnetische Strahlung anderer Wellenlängen sein, zum Beispiel Mikrowellen .
Der überlegene Wärmeschutz, den C/C bietet, kann mit den elektromagnetischen Wellen absorbierenden Eigenschaften einer Epoxidmatrix mit zusätzlichen mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren kombiniert werden . Kohlenstoffnanoröhren haben nicht nur das Potenzial, die Absorption elektromagnetischer Wellen zu erhöhen, sondern sie können auch zur Herstellung ultrastarker Nanomaterialien verwendet werden, wie in diesem Artikel von Wade Lanning beschrieben.

Abbildung 4:Bild eines Würfelsatelliten (CubeSat) und schematische Ansicht seines Wärmeschutzsystems. C/C wird mit einem abschirmenden Multilayer kombiniert, der elektromagnetische Strahlung absorbiert [8].

Die äußeren Schichten des in Abbildung 4 gezeigten abschirmenden Multilayers mit einem Gehalt an Kohlenstoffnanoröhren von bis zu 1,5 % bieten hervorragende mikrowellenabsorbierende Eigenschaften , die als Unsichtbarkeitsmantel fungieren für den Satelliten. Die Dicke der einzelnen Schichten sowie deren Zusammensetzung werden mithilfe eines Machine-Learning-Ansatzes optimiert , einem aktuellen Trend in der Materialwissenschaft folgend.

Wie Sie sehen können, sind modernste Materialien und die Anwendung multifunktionaler Verbundwerkstoffe erforderlich, um den anspruchsvollen Umgebungsbedingungen des Weltraums standzuhalten .

Ganz gleich, wie gut ein Raumschiff hier unten auf der Erde entworfen und getestet wird, manche Überraschungen in seiner Funktionalität und unbeabsichtigten Auswirkungen kann immer noch im Orbit angetroffen werden, wie SpaceX und ihre Starlink-Satellitenkonstellation gezeigt haben. Keramische Materialien, Verbundwerkstoffe und Beschichtungen bieten äußerst wünschenswerte Eigenschaften wie Langzeitstabilität und Wärmeschutz und ermöglichen eine neue Ära der fortschrittlichen Weltraumforschung.

Woraus bestehen Drohnen? Bleiben Sie sicher und stabil mit Wintersportausrüstung auf Aluminiumbasis