Qual è lo stato dell’arte dei materiali applicati per lo spazio? Per esempio, cosa useresti per fare una tuta spaziale di nuova generazione? O la navicella spaziale che la porta su un esopianeta? Per i nostri scopi, evitiamo ciò che sta arrivando all’orizzonte; nessuno vuole leggere di vaporware, o il tipo di espediente mal consigliato che sembra brillante ma finisce per uccidere le persone. Qui ci occuperemo solo di cose che sono in uso attivo, o per lo meno, sono in fase di beta testing sul campo.
Ci sono alcune classi diverse di sviluppo tecnologico. In generale, le ricette che usiamo per fare nuovi materiali si sono coevolute con i metodi di produzione, e le cose che stiamo cercando di fare con i nostri materiali sono diventate molto più ambiziose. Siamo alla ricerca di pericoli sempre maggiori, e dobbiamo raggiungere un livello corrispondente di padronanza sulla composizione e sulle prestazioni dei materiali che usiamo.
Ci sono anche un paio di tipi fondamentali di materiali. I compositi avanzati stratificano insieme materiali separati, mentre le leghe fondono o dissolvono le cose insieme per ottenere un prodotto finito omogeneo.
Considera la ceramica. La definizione classica di una ceramica è un materiale di ossido, nitruro o carburo che è estremamente duro e fragile, vale a dire che si rompe se lo si colpisce con uno shock fisico abbastanza grande. Le ceramiche sono spesso forti sotto compressione, ma deboli sotto sollecitazioni di tensione e di taglio. Ma quando i materiali ceramici vengono riscaldati fino a diventare filanti come lo zucchero filato e poi soffiati attraverso degli ugelli in fibre, possono essere trasformati in tessuti morbidi e flessibili come la lana di ceramica, il feltro di silice e la “flexiramics”. Questi materiali semplicemente non bruciano, quindi sono utili quando c’è un’applicazione per un’imbottitura morbida e ammortizzante che sia anche ignifuga.
La vetroceramica è un po’ più familiare alla maggior parte di noi, anche se con un altro nome: Gorilla Glass, che si vede comunemente negli smartphone oggi. Si tratta di un vetro alluminosilicato formato facendo nucleare il vetro fuso intorno a particelle di drogante ceramico che sono solubili solo ad alte temperature. Quando si raffredda, si ottiene una cristallinità tra il 50 e il 99%, secondo Corning. Il materiale risultante è molto poco simile a un vetro, tranne che per la sua trasparenza. Quando viene temperato, l’equilibrio tra tensione e compressione rende il materiale molto resistente. Il vetro-ceramica gioca bene anche con rivestimenti elettricamente conduttivi, e gli ingegneri usano questa caratteristica sulle finestre dei veicoli spaziali per tenerle libere da condensa e ghiaccio.
Chimica dei materiali
Le finestre dei veicoli spaziali sono una grande applicazione della scienza dei materiali. Un modo per fare finestre degne dello spazio è la silice fusa, che è biossido di silicio fuso puro al 100%. Un altro materiale folle per le finestre è l’ossinitruro di alluminio, che è in realtà una ceramica trasparente che usiamo per rendere le cose antiproiettile. In un video prodotto da un produttore di prodotti antiproiettile all’ossinitruro di alluminio (vedi sotto), 1,6 pollici di AlON erano sufficienti per fermare completamente un proiettile perforante calibro 50. L’AlON e la silice fusa iniziano entrambi come una polvere fine chiamata fritta, che viene pressata in uno stampo e poi cotta alle temperature più strane in un unico pezzo di materiale trasparente e super duro.
A meno che non si stia lavorando con sostanze pure al 100%, cosa che in molti casi non è possibile, l’idea del doping è centrale in tutto questo. Doping significa aggiungere un pizzico di qualcosa di speciale a una ricetta altrimenti banale, per sfruttare i benefici della cosa speciale senza avere a che fare con i difetti che ha quando è pura. In molti casi, ciò che risulta dal doping finisce per assomigliare poco a uno dei suoi materiali di partenza.
La metallurgia si basa molto sul doping, che in questo caso si chiama lega. Ci sono alcune cose piuttosto fantastiche che possiamo fare con i metalli. Le leghe alluminio-niobio hanno temperature di fusione abbastanza alte da sopportare l’ambiente termico all’interno degli ugelli del motore del Falcon 9. Ma è solo perché usano anche il raffreddamento rigenerativo: il propellente attraversa le camere nelle pareti degli ugelli, raffreddando la campana e riscaldando il propellente. (È una pompa di calore.) Le leghe che coinvolgono oro e ottone sono utili perché semplicemente non si corrodono, non importa la temperatura o l’estremo chimico. Come gli additivi antiagglomeranti nel parmigiano, esistono anche leghe metalliche che coinvolgono il silicio solo perché il silicio rende il metallo fuso più fluido e quindi più adatto a fusioni complesse.
La saldatura a frizione, che fonde fisicamente insieme i due materiali da saldare in modo che diventino un’unica entità strutturale, risolve il problema della giunzione per alcune delle parti in lega di alluminio di SpaceX.
Image credit: Nature.
Vediamo spesso la chimica dei materiali innovativi nella ricerca sui semiconduttori, e ultimamente il controllo sul drogante è diventato abbastanza fine da introdurre difetti puntuali a singolo atomo in un reticolo di diamante. Questa precisione di fabbricazione è anche critica per le cosiddette leghe “ad alta entropia”, che sono miscele ibride di quattro, cinque o più elementi diversi che possono produrre enormi guadagni in tenacità, oltre a rendere le cose fatte da loro più sottili, più leggere e più durevoli. Un metallurgista del MIT ha creato una lega ad alta entropia simile all’acciaio che è sia estremamente dura che altamente duttile, caratteristiche che io e tutti gli altri pensavamo si escludessero a vicenda.
Ovviamente la scelta del drogante è importante. Il tantalio e il tungsteno sono metalli duri, densi e resistenti alle radiazioni che sono stati mescolati al titanio per creare la “volta delle radiazioni” di Juno. Il caveau protegge i delicati circuiti del carico utile scientifico, sacrificandosi all’infragilimento in modo che l’elettronica possa vivere il più a lungo possibile.
I pericoli delle radiazioni possono essere mitigati con la schermatura – in pratica, mettendo degli atomi tra il carico utile e le particelle cariche ad alta energia che possono capovolgere i bit, corrodere i metalli e mandare in corto circuito i collegamenti. Il piombo è la scelta ovvia sulla terra, ma il piombo non funziona per il volo spaziale, perché è troppo morbido per sopportare le vibrazioni e troppo pesante per essere pratico in ogni caso. Questo è il motivo per cui il caveau antiradiazioni di Juno è in gran parte in titanio; è più resistente dell’alluminio e più leggero dell’acciaio.
È davvero un grosso problema, cercare di capire come mantenere l’elettronica in funzione il più a lungo possibile mentre sono nello spazio. Non si può fare un’astronave senza un computer al suo interno. E mentre continuiamo a rendere i circuiti più piccoli e a ridurre i loro requisiti di potenza, a un certo punto ci sono dei limiti fisici di dimensione e consumo di energia. Vicino a queste soglie, è squisitamente facile perturbare un sistema. Danni da radiazioni, differenziali termici, cortocircuiti elettrici e vibrazioni fisiche sono tutti pericoli per i circuiti elettronici. La spintronica potrebbe aiutare a far progredire i computer, fornendo una larghezza di banda di calcolo molto maggiore da utilizzare per fare qualsiasi cosa sia necessario fare in un viaggio interstellare. Potrebbero anche porre un limite massimo ai rischi EM che sono così dannosi per l’elettronica in un campo magnetico intenso, come quello intorno a Giove. Ma finché non renderemo reali i circuiti ottici o la spintronica, dovremo capire come fare in modo che la buona vecchia elettronica si comporti nello spazio, e questo probabilmente comporterà una buona vecchia gabbia di Faraday.
Compositi
I compositi sono difficili da produrre perché spesso richiedono impianti di produzione estremamente specializzati, enormi autoclavi e simili. Ma quando sono buoni, sono molto, molto buoni.
L’isolamento multistrato (MLI) è sia termicamente che elettricamente isolante, e la NASA lo usa praticamente ovunque possa. L’MLI è ciò che fa sembrare i veicoli spaziali come se fossero ricoperti di lamina d’oro. Ma c’è un tipo di MLI per le applicazioni in cui l’intera baracca deve essere messa a terra elettricamente, e che utilizza una rete metallica al posto della rete tessile simile al tulle tra i suoi strati di lamina.
SpaceX usa compositi rigidi nella costruzione dei suoi veicoli, stratificando insieme fibra di carbonio e nidi d’ape di metallo per produrre una struttura che è sia molto leggera che molto forte. Anche le schiume e gli aerogel possono fare strati leggeri, rigidi e termicamente impermeabili.
Dopo il recupero, ecco come appariva la carenatura del Falcon 9. Si noti l’involucro in fibra di carbonio che racchiude il nido d’ape metallico.
I materiali compositi eccellono contro i rischi fisici e i fattori di stress, ma i materiali rigidi non sono l’unica via da seguire. Il modulo gonfiabile BEAM Space Hab, che io chiamo affettuosamente un castello di rimbalzo in una lattina, è fatto di materiali compositi flessibili tra cui un tessuto di vetro unico chiamato beta cloth. La NASA e altri hanno usato il tessuto beta e cose simili dalla fine degli anni ’90, e per una buona ragione: Questa roba è semplicemente impossibile da rovinare. Fatto di fibre di vetro rivestite di PTFE in un tessuto a cestino, è il figlio dell’amore tra fibra di vetro e Teflon. È praticamente impossibile da tagliare o persino graffiare con le lame più dure e affilate. Poiché è flessibile, è resistente agli urti. È impenetrabile alla corrosione anche dall’attacco dell’ossigeno atmosferico libero. Gli scienziati l’hanno sparato con il laser ed è questo che alla fine l’ha fatto iniziare a degradarsi.
Simile al tessuto beta, c’è anche il tessuto metallico flessibile Chromel-R, che usiamo nelle toppe resistenti all’abrasione sui corpi dei veicoli spaziali e sulle tute spaziali. Chromel-R è come le stuoie di vetro intrecciate del tessuto beta, ma fatto di fili di metallo duro e rivestito. Inoltre, gli scienziati hanno scoperto che lo “scudo Whipple ripieno”, che è una confezione a strati di tessuto in fibra ceramica e Kevlar, ha funzionato meglio della placcatura in alluminio per fermare le palline di ceramica iperveloci che simulano i detriti spaziali – fondendo o disintegrando le palline (PDF).
Le tute spaziali sono in realtà l’applicazione perfetta per i compositi flessibili. Nessun singolo materiale è resistente a tutto. Ma se si mettono insieme strati sottili di diversi materiali che sono ciascuno resistente alla maggior parte delle cose, si ottiene un exo-tuta a prova di tutto che può ancora piegarsi e flettere con chi la indossa. Aggiungete uno strato di Darlexx o simili, come le tute spaziali next-gen di SpaceX, completate il tutto con uno strato di tessuto flexiramico e avrete una tuta a prova di fuoco. Mettete anche uno strato di imbottitura di fluido non newtoniano e alcune piastre traumatiche in lega ceramica, e ora è un’armatura a prova di fuoco. Tutto ciò di cui avete bisogno è un HUD nel vostro casco, e forse un po’ di schiuma di memoria ad alta densità nei cuscini dei sedili. Questa è roba che potremmo fare solo con i prodotti disponibili oggi.
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Credito immagine in alto: Interno di SpaceX Dragon V2