Wat is de stand van zaken op het gebied van toegepaste materialen voor de ruimte? Bijvoorbeeld, wat zou je gebruiken om een next-gen ruimtepak te maken? Of het ruimtevaartuig dat het naar een exoplaneet brengt? Laten we voor onze doeleinden vermijden wat er over de horizon komt; niemand wil lezen over vaporware, of het soort slecht geadviseerde gimmick dat er glanzend uitziet maar uiteindelijk mensen doodt. Hier gaan we alleen in op dingen die actief in gebruik zijn, of op zijn minst in beta worden getest in het veld.
Er zijn een paar verschillende klassen van technologische ontwikkeling. De recepten om nieuwe materialen te maken zijn meegeëvolueerd met de fabricagemethoden, en de dingen die we met onze materialen proberen te doen zijn veel ambitieuzer geworden. Wij lopen steeds grotere risico’s, en wij moeten een overeenkomstig niveau van beheersing bereiken over de samenstelling en de prestaties van de materialen die wij gebruiken.
Er zijn ook een paar basissoorten van materialen. Geavanceerde composieten leggen afzonderlijke materialen in lagen op elkaar, terwijl legeringen dingen samensmelten of oplossen om een homogeen eindproduct te krijgen.
Kijk eens naar keramiek. De klassieke definitie van een keramiek is een oxide, nitride, of carbide materiaal dat extreem hard en bros is, dat wil zeggen dat het breekt als je het met een groot genoeg fysieke schok raakt. Keramiek is vaak sterk onder druk, maar zwak onder spanning en afschuifspanning. Maar wanneer keramische materialen worden verhit tot ze zo draderig zijn als gesponnen suiker en dan door spuitmonden in vezels worden geblazen, kunnen ze worden verwerkt tot zachte, flexibele weefsels zoals keramische wol, silicavilt en “flexiramics”. Deze materialen zullen gewoon niet branden, zodat ze nuttig zijn wanneer er een toepassing is voor zachte, schokabsorberende vulling die ook vlamvertragend is.
Glas-keramiek is iets bekender voor de meesten van ons, zij het onder een andere naam: Gorilla Glass, dat tegenwoordig vaak in smartphones te zien is. Het is een aluminosilicaatglas dat wordt gevormd door gesmolten glas een kern te laten vormen rond keramische doteringsdeeltjes die alleen bij hoge temperaturen oplosbaar zijn. Wanneer het afkoelt, levert dit volgens Corning een kristalliniteit op van 50 tot 99%. Het resulterende materiaal heeft weinig weg van glas, behalve dan van transparantie. Wanneer het wordt gehard, maakt de balans tussen spanning en compressie het spul zo taai als de pest. Glaskeramiek werkt ook goed met elektrisch geleidende coatings, en ingenieurs gebruiken die eigenschap op ruimtevaartuigramen om ze vrij te houden van condensatie en ijs.
Material Chemistry
Ramen van ruimtevaartuigen zijn een geweldige toepassing van de materiaalkunde. Een manier om ruimtewaardige ramen te maken is gesmolten silica, dat is 100% zuiver gesmolten siliciumdioxide. Een ander gek venstermateriaal is aluminiumoxynitride, wat eigenlijk een transparante keramiek is die we gebruiken om dingen kogelvrij te maken. In een video geproduceerd door een fabrikant van aluminium oxynitride kogelwerende producten (zie hieronder), was 1.6 inches van AlON voldoende om een pantserdoorborende .50 cal kogel volledig tegen te houden. AlON en gesmolten siliciumdioxide beginnen beide als een fijn poeder, frit genoemd, dat in een vorm wordt gestampt en dan gewoon bij de meest onaardse temperaturen wordt gebakken tot een enkel stuk doorzichtig, superhard materiaal.
Tenzij je werkt met 100% zuivere stoffen, wat in veel gevallen niet mogelijk is, staat het idee van doping centraal in dit alles. Doping betekent het toevoegen van een snufje van iets speciaals aan een anders alledaags recept, om te profiteren van de voordelen van het speciale, zonder de gebreken die het in zuivere vorm heeft. In veel gevallen vertoont het resultaat van doping weinig gelijkenis met het oorspronkelijke materiaal.
Metallurgie leunt veel op doping, wat in dit geval legeren wordt genoemd. Er zijn fantastische dingen die we met metalen kunnen doen. Aluminium-niobium legeringen hebben smelttemperaturen die hoog genoeg zijn om de thermische omgeving in de straalbuizen van de Falcon 9 te weerstaan. Maar dat is alleen omdat ze ook regeneratieve koeling gebruiken: stuwstof cycli door kamers in de straalpijp wanden, koeling van de bel en opwarming van de stuwstof. (Het is een warmtepomp.) Legeringen van goud en messing zijn nuttig omdat ze gewoon niet corroderen, ongeacht de temperatuur of chemische extremen. Net als de antiklonter additieven in Parmezaanse kaas, bestaan er zelfs metaallegeringen waarin silicium is verwerkt, alleen maar omdat het silicium het gesmolten metaal gemakkelijker laat vloeien, en daardoor beter geschikt maakt voor complex gietwerk.
Wrijvingsroerlassen, waarbij de twee materialen die worden gelast fysiek samensmelten zodat ze één structurele entiteit worden, lost het probleem op van het schrijnwerk voor sommige van SpaceX’s aluminium-legering onderdelen.
Image credit: Nature.
We zien nieuwe materiaalchemie veel in halfgeleideronderzoek, en de laatste tijd is de controle over het doteringsmiddel fijn genoeg geworden om enkel-atoompuntfouten in een diamantrooster aan te brengen. Deze fabricageprecisie is ook van cruciaal belang voor zogenaamde “hoog-entropische” legeringen, hybride mengsels van vier, vijf of meer verschillende elementen die een enorme taaiheidswinst kunnen opleveren, en dingen die ervan zijn gemaakt dunner, lichter en duurzamer kunnen maken. Een metaalbewerker van het MIT heeft een staalachtige legering met een hoogentropiegehalte gemaakt die zowel extreem hard als zeer buigzaam is, eigenschappen waarvan ik en iedereen dachten dat ze elkaar uitsluiten. Tantaal en wolfraam zijn harde, dichte, stralingsbestendige metalen die in het titanium zijn geroerd om het “stralingsgewelf” van Juno te maken. De kluis beschermt de delicate schakelingen in de wetenschappelijke lading, en offert zichzelf op aan verbrossing, zodat de elektronica zo lang mogelijk kan leven.
Stralingsgevaren kunnen worden beperkt met afscherming – in feite atomen plaatsen tussen je lading en de hoog-energetische geladen deeltjes die bits kunnen omdraaien, metalen kunnen aantasten, en verbindingen kunnen kortsluiten. Lood is de voor de hand liggende keuze op aarde, maar lood werkt niet voor ruimtevluchten, omdat het te zacht is om de trillingen te weerstaan en te zwaar om hoe dan ook praktisch te zijn. Daarom bestaat Juno’s stralingskluis voor het grootste deel uit titanium; het is taaier dan aluminium en lichter dan staal.
Het is eigenlijk een groot probleem, om uit te vinden hoe we elektronica zo lang mogelijk aan de gang kunnen houden terwijl ze in de ruimte zijn. Je kunt geen ruimteschip maken zonder een computer erin. En terwijl we de schakelingen steeds kleiner maken en het stroomverbruik steeds verder terugdringen, zijn er op een gegeven moment fysieke grenzen aan de afmetingen en het stroomverbruik. In de buurt van die drempels is het buitengewoon makkelijk om een systeem te verstoren. Stralingsschade, thermische verschillen, elektrische kortsluiting en fysieke trillingen vormen allemaal een gevaar voor elektronische circuits. Spintronics zouden kunnen helpen om computers verder te ontwikkelen, door een veel grotere bandbreedte te bieden voor het doen van alles wat je op een interstellaire reis zou moeten doen. Ze zouden ook een harde grens kunnen stellen aan de EM-gevaren die zo schadelijk zijn voor elektronica in een intens magnetisch veld, zoals dat rond Jupiter. Maar totdat we optische circuits of spintronics echt maken, zullen we moeten uitzoeken hoe we goede oude elektronica zich kunnen laten gedragen in de ruimte, en dat zal waarschijnlijk een goede oude kooi van Faraday inhouden.
Composieten
Composieten zijn moeilijk te produceren omdat ze vaak extreem gespecialiseerde fabricagefaciliteiten vereisen, enorme autoclaven en dergelijke. Maar als ze goed zijn, zijn ze zeer, zeer goed.
Multi-layer isolatie (MLI) is zowel thermisch als elektrisch isolerend, en NASA gebruikt het spul praktisch overal waar ze kunnen. MLI is wat maakt ruimtevaartuigen kijken als ze zijn bedekt met goudfolie. Maar er is een soort MLI voor toepassingen waar de hele shebang moet elektrisch worden geaard, ook, en dat maakt gebruik van een metalen gaas in plaats van de tule-achtige textiel gaas tussen de lagen van de folie.
SpaceX maakt gebruik van stijve composieten in hun voertuig constructie, lagen samen koolstofvezel en metalen honingraten om een structuur die zowel zeer licht en zeer sterk te produceren. Schuim en aerogels kunnen ook lichtgewicht, stijve, thermisch ondoordringbare lagen vormen.
Zo zag de kuip van de Falcon 9 er na het terughalen uit. Let op het koolstofvezel omhulsel dat de metalen honingraat omhult.
Composieten blinken uit tegen fysieke gevaren en stressfactoren, maar stijve materialen zijn niet de enige manier om te gaan. De BEAM opblaasbare ruimte hab module, die ik liefkozend een springkasteel in een blikje noem, wordt gemaakt van flexibele samengestelde materialen met inbegrip van een uniek glasweefsel genoemd betadoek. NASA en anderen hebben betadoek en dingen zoals het sinds de late jaren ’90 gebruikt, en met goede reden: Het spul is gewoon niet kapot te krijgen. Gemaakt van PTFE-gecoate glasvezels in een mand-weefsel stof, is het het liefdeskind van glasvezel en Teflon. Het is praktisch onmogelijk te snijden of zelfs te bekrassen met de hardste, scherpste messen. Omdat het flexibel is, is het schokbestendig. Het is ongevoelig voor corrosie, zelfs door vrije atmosferische zuurstofaanvallen. Wetenschappers beschoten het met lasers en dat is wat het uiteindelijk deed degraderen.
Gelijk aan betadoek, is er ook het flexibele Chromel-R metaaldoek, dat we gebruiken in slijtvaste patches op ruimtevaartuigen en ruimtepakken. Chromel-R is als de geweven glasmatten van betadoek, maar gemaakt van harde, gecoate metaaldraden. Bovendien ontdekten wetenschappers dat het “gevulde Whipple-schild”, een gelaagde confectie van keramische vezeldoek en Kevlar, beter werkte dan aluminiumbeplating om hypersnelle keramische pellets tegen te houden die ruimtepuin simuleren – door de pellets te smelten of te desintegreren (PDF).
Ruimtepakken zijn eigenlijk de perfecte toepassing voor flexibele composieten. Geen enkel materiaal is tegen alles bestand. Maar als je dunne lagen van verschillende materialen samenvoegt die elk bestand zijn tegen de meeste dingen, krijg je een alles-proof exo-pak dat nog steeds kan buigen en buigen met de drager. Voeg een laag Darlexx of iets dergelijks toe, zoals SpaceX’s next-gen ruimtepakken, top het af met een laag flexiramic doek, en je hebt een vuurbestendig drukpak. Doe er ook een laag niet-Newtoniaanse vloeistofkussens en wat keramische traumaplaten in, en het is een vuurbestendig lichaamspantser. Alles wat je dan nog nodig hebt is een HUD in je helm, en misschien wat hoge-dichtheid traagschuim in de zitkussens. Dit zijn dingen die we gewoon zouden kunnen doen met producten die vandaag beschikbaar zijn.
Kijk naar onze ExtremeTech Explains-serie voor meer diepgaande dekking van de heetste tech-onderwerpen van vandaag.
Top image credit: SpaceX Dragon V2 interieur