Qual é o estado da arte em materiais aplicados para o espaço? Por exemplo, o que você usaria para fazer um terno espacial de próxima geração? Ou a nave espacial que o trouxe para um exoplaneta? Para os nossos propósitos, vamos evitar o que vem no horizonte; ninguém quer ler sobre vaporware, ou o tipo de gadget mal aconselhado que parece brilhante mas acaba por matar pessoas. Aqui só vamos cobrir coisas que estão em uso ativo, ou no mínimo, são testes beta no campo.
Existem algumas classes diferentes de desenvolvimento tecnológico. Em geral, as receitas que usamos para fazer novos materiais evoluíram com os métodos de fabricação, e as coisas que estamos tentando fazer com nossos materiais se tornaram muito mais ambiciosas. Estamos a cortejar perigos cada vez maiores, e temos de atingir um nível de domínio correspondente sobre a composição e desempenho dos materiais que utilizamos.
Há também alguns tipos básicos de materiais. Os materiais compostos avançados unem materiais separados, enquanto as ligas derretem ou dissolvem coisas para obter um produto acabado homogêneo.
Considerar cerâmicas. A definição clássica de uma cerâmica é um material de óxido, nitreto ou carboneto que é extremamente duro e quebradiço, ou seja, que se quebra se for atingido com um choque físico suficientemente grande. As cerâmicas são frequentemente fortes sob compressão, mas fracas sob tensão e tensão de corte. Mas quando os materiais cerâmicos são aquecidos até serem tão fibrosos como o açúcar fiado e depois soprados através de bicos para as fibras, podem então ser transformados em tecidos macios e flexíveis como lã de cerâmica, feltro de sílica e “flexiramicas”. Estes materiais simplesmente não queimam, por isso são úteis quando há uma aplicação para acolchoamento macio e amortecedor de choque que também é retardador de chama.
A cerâmica de vidro é um pouco mais familiar para a maioria de nós, se por outro nome: Gorilla Glass, que é comumente visto nos smartphones hoje em dia. É um vidro de aluminosilicato formado por deixar o núcleo de vidro fundido ao redor de partículas de dopante cerâmico que só são solúveis a altas temperaturas. Quando arrefece, isto leva-nos a algum lugar entre 50 a 99% de cristalinidade, de acordo com a Corning. O material resultante é muito pouco parecido com um vidro, exceto por sua transparência. Quando temperado, o equilíbrio entre a tensão e a compressão torna o material duro como o inferno. A cerâmica de vidro também joga bem com revestimentos condutores de eletricidade, e os engenheiros usam esse recurso nas janelas das naves espaciais para mantê-las livres de condensação e gelo.
Material Chemistry
Spacecececececan janelas de naves espaciais são uma grande aplicação da ciência dos materiais. Uma forma de fazer janelas com bom aproveitamento de espaço é a sílica fundida, que é 100% dióxido de silício puro fundido. Outro material louco para janelas é o oxinitrido de alumínio, que na verdade é uma cerâmica transparente que usamos para tornar as coisas à prova de bala. Em um vídeo produzido por um fabricante de produtos de alumínio oxynitride à prova de bala (veja abaixo), 1,6 polegadas de AlON foi suficiente para parar completamente uma blindagem de .50 cal redonda. O AlON e a sílica fundida começam ambos como um pó fino chamado fritas, que é compactado num molde e depois cozido à temperatura mais desestabilizada num único pedaço de material transparente e super duro.
A menos que se trabalhe com substâncias 100% puras, o que em muitos casos não é possível, a ideia de doping é central em tudo isto. Doping significa adicionar uma pitada de algo especial a uma receita que de outra forma seria mundana, para aproveitar os benefícios da coisa especial sem lidar com as falhas que ela tem quando pura. Em muitos casos, o que resulta do doping acaba tendo pouca semelhança com qualquer um de seus materiais de origem.
Metalurgia depende muito do doping, que neste caso é chamado de liga. Há algumas coisas bastante fantásticas que podemos fazer com os metais. As ligas de alumínio-niobio têm temperaturas de fusão suficientemente altas para suportar o ambiente térmico dentro dos bocais do motor do Falcon 9. Mas é apenas porque eles também utilizam arrefecimento regenerativo: o propulsor faz o ciclo através de câmaras nas paredes dos bicos, arrefecendo o sino e aquecendo o propulsor. (É uma bomba de calor.) Ligas envolvendo ouro e latão são úteis porque simplesmente não corroem, não importa a temperatura ou o extremo químico. Como os aditivos antiaglomerantes no queijo Parmesão, existem até ligas metálicas que envolvem silício só porque o silício faz o metal fundido fluir mais rapidamente e, portanto, mais adequado para fundições complexas.
Soldadura por fricção-agitagem, que funde fisicamente os dois materiais a serem soldados de forma a tornarem-se uma entidade estrutural, resolve o problema da carpintaria para algumas das peças de liga de alumínio da SpaceX.
Crédito de imagem: Nature.
Vemos a química de materiais novos muito na pesquisa de semicondutores, e ultimamente o controle sobre o dopante tornou-se fino o suficiente para introduzir falhas de ponto único em uma malha de diamante. Essa precisão de fabricação também é crítica para as chamadas ligas de “alta centralização”, que são misturas híbridas de quatro, cinco ou mais elementos diferentes que podem produzir ganhos tremendos em tenacidade, além de tornar as coisas feitas a partir delas mais finas, leves e duráveis. Um metalúrgico do MIT fez uma liga de aço de alta centralidade que é extremamente dura e altamente dúctil, que são características que eu e todos os outros achamos mutuamente exclusivas.
De certeza que a escolha do dopante é importante. Tântalo e tungstênio são metais duros, densos e resistentes à radiação que foram agitados no titânio para fazer o “cofre de radiação” de Juno. O cofre protege os delicados circuitos na carga útil da ciência, sacrificando-se ao fragilização para que a eletrônica possa viver o máximo de tempo possível.
Perigos de radiação podem ser mitigados com a blindagem – basicamente, colocando átomos entre sua carga útil e as partículas carregadas de alta energia que podem virar bits, corroer metais e fazer conexões curtas. O chumbo é a escolha óbvia na Terra, mas o chumbo não funciona para o voo espacial, porque é demasiado macio para suportar as vibrações e demasiado pesado para ser prático em qualquer caso. É por isso que o cofre de radiação de Juno é maioritariamente de titânio; é mais resistente que o alumínio e mais leve que o aço.
É na verdade um grande problema, tentando descobrir como manter a eletrônica funcionando o máximo de tempo possível enquanto eles estiverem no espaço. Você não pode fazer uma nave espacial sem um computador dentro dela. E enquanto continuamos a fazer circuitos menores e a cortar os seus requisitos de energia, a um certo ponto há pisos físicos de tamanho e consumo de energia. Perto desses limites, é extremamente fácil perturbar um sistema. Danos por radiação, diferenciais térmicos, curto-circuitos elétricos e vibrações físicas, tudo isso representa riscos aos circuitos eletrônicos. A Spintronics poderia ajudar a fazer avançar os computadores, fornecendo uma largura de banda computacional muito maior para uso, fazendo o que você precisaria fazer em uma viagem interestelar. Eles também poderiam colocar um máximo de dificuldade nos perigos EM que são tão prejudiciais à eletrônica em um campo magnético intenso, como aquele ao redor de Júpiter. Mas até tornarmos os circuitos ópticos ou spintrônicos reais, teremos que descobrir como fazer com que os bons velhos eletrônicos se comportem no espaço, e isso provavelmente envolverá uma boa e velha gaiola de Faraday.
Compósitos
Compósitos são difíceis de produzir porque muitas vezes requerem instalações de fabricação extremamente especializadas, grandes autoclaves e similares. Mas quando eles são bons, eles são muito, muito bons.
Isolamento multi-camada (MLI) é tanto térmica como eletricamente isolante, e a NASA usa o material praticamente em todos os lugares que eles podem. O MLI é o que faz com que as naves pareçam estar cobertas de folha de ouro. Mas há um tipo de MLI para aplicações onde todo o shebang precisa ser aterrado eletricamente também, e que usa uma malha metálica em vez da malha têxtil tipo tule entre suas camadas de folha.
SpaceX usa compósitos rígidos na construção de seus veículos, sobrepondo fibras de carbono e favos de metal para produzir uma estrutura que é muito leve e muito forte. Espumas e aerogeles também podem fazer camadas leves, rígidas e termicamente impermeáveis.
Após a recuperação, este é o aspecto da carenagem do Falcon 9. Observe o envoltório de fibra de carbono que envolve o favo metálico.
Os compósitos são excelentes contra riscos físicos e estressantes, mas materiais rígidos não são o único caminho a seguir. O módulo de habitação do espaço insuflável BEAM, que eu carinhosamente chamo um castelo de ressalto numa lata, é feito de materiais compostos flexíveis, incluindo um tecido de vidro único chamado tecido beta. A NASA e outros têm usado tecido beta e coisas assim desde o final dos anos 90, e por uma boa razão: O material é simplesmente impossível de fazer. Feito de fibras de vidro revestidas com PTFE em um tecido de cestaria, é o filho amoroso da fibra de vidro e do teflon. É praticamente impossível cortar ou mesmo arranhar com as lâminas mais duras e afiadas. Por ser flexível, é resistente a impactos. É impermeável à corrosão, mesmo por ataque de oxigénio atmosférico livre. Os cientistas atiraram com lasers e foi isso que finalmente o fez começar a se degradar.
Similiar ao pano beta, há também o pano metálico flexível Chromel-R, que usamos em manchas resistentes à abrasão em corpos de naves espaciais e fatos espaciais. Chromel-R é como os tapetes de vidro tecido de tecido beta, mas feito de fios metálicos duros e revestidos. Além disso, os cientistas descobriram que o “revestimento de Whipple”, que é uma confecção em camadas de tecido de fibra cerâmica e Kevlar, funcionou melhor que o revestimento de alumínio para parar a hipervelocidade das pelotas cerâmicas simulando detritos espaciais – derretendo ou desintegrando as pelotas (PDF).
Fatos espaciais são na verdade a aplicação perfeita para compósitos flexíveis. Nenhum material isolado é resistente a tudo. Mas se você sanduiche camadas finas de vários materiais que são cada um resistente à maioria das coisas, você obtém um exo-suit à prova de tudo que ainda pode dobrar e flexionar com o usuário. Adicione uma camada de Darlexx ou similar, um fato espacial de la SpaceX de próxima geração, encha com uma camada de tecido flexiramico, e você tem um fato de pressão à prova de fogo. Coloque também uma camada de amortecimento de fluido não Newtoniano e algumas placas de trauma de liga cerâmica, e agora é uma armadura corporal à prova de fogo. Tudo o que você precisa então é de um HUD no capacete, e talvez alguma espuma de memória de alta densidade nas almofadas dos assentos. Isto é algo que poderíamos fazer apenas com os produtos disponíveis hoje.
Exibir a nossa série ExtremeTech Explica a nossa série para uma cobertura mais profunda dos tópicos técnicos mais quentes de hoje.
Crédito da imagem: SpaceX Dragon V2 interior