Cerâmica no espaço:de escudos térmicos reutilizáveis ​​a capas de invisibilidade

A cerâmica foi usada para criar arte e vários tipos de pratos por milhares de anos. Hoje, podemos usá-los para criar facas duráveis ​​ultra afiadas que podem fazer com que suas contrapartes de aço de alta tecnologia pareçam relíquias antigas. Pela experiência de vida, também sabemos que cerâmicas não lidam bem com forças fortes repentinas agindo sobre elas . Por exemplo, um piso batendo neles a poucos metros por segundo.


A inerente fragilidade da cerâmica é a principal razão pela qual eles são inadequados como material estrutural para a maioria das aplicações. No entanto, a cerâmica se destaca em muitos aspectos altamente específicos , especialmente quando se trata de altas temperaturas e estabilidade química . Neste artigo, exploramos os papéis cruciais da cerâmica em naves espaciais e como eles salvam o dia em que os metais vacilam.

Projetando o sistema de proteção térmica mais eficiente

Um dos casos de uso mais comuns para cerâmica em espaçonaves é como parte do sistema de proteção térmica . Para entender por que um material cerâmico é o candidato ideal para essa aplicação, é importante observar atentamente os diferentes mecanismos de dissipação de calor .

Quando uma espaçonave entra em qualquer tipo de atmosfera em velocidades orbitais, ela experimenta aquecimento significativo da superfície através do arrasto atmosférico . Isso vale até para a relativamente fina atmosfera marciana, que tem apenas 1% da densidade atmosférica da Terra. O calor absorvido pela espaçonave pode então tomar duas direções :pode ser irradiado para o ambiente ou conduzido para o interior da nave, conforme indicado na figura 1.

Figura 1:Vista esquemática do aquecimento da superfície de uma espaçonave isolada [1].

Radiação seria uma maneira favorável para o projetista da espaçonave se livrar do calor absorvido, já que o ambiente dificilmente é afetado pelo calor irradiado, enquanto a nave espacial pode se desintegrar e/ou derreter se muito calor for acumulado durante a fase de entrada.

No entanto, a eficiência da radiação está ligada à quarta potência da temperatura da superfície. Isso significa que quase não desempenha nenhum papel nas temperaturas de superfície que a maioria dos materiais pode suportar confortavelmente, mas se torna o mecanismo dominante de transferência de calor/resfriamento em temperaturas acima de ~1000 K . Você pode estar familiarizado com essa faixa de temperatura, pois praticamente todos os materiais sólidos começam a brilhar visivelmente em vermelho por aqui [2].

Revestimentos especializados são a chave

A condução do calor para a espaçonave é a maneira menos favorável de lidar com o aquecimento da superfície devido às limitações de temperatura de todos os materiais usados ​​dentro da espaçonave. Há tanto calor que a espaçonave pode absorver antes dos limites materiais são excedidos e falhas catastróficas podem ocorrer .


Os engenheiros criaram uma solução inteligente que utiliza os dois mecanismos de transferência de calor . Por exemplo, a superfície aquecida do orbitador do ônibus espacial é coberta com um bom material isolante de calor , nomeadamente sílica (dióxido de silício). Além disso, um revestimento de borossilicato preto é aplicado a este material para maximizar as propriedades de emissão de radiação da superfície. Dessa forma, até 95% do calor encontrado é eliminado imediatamente , deixando apenas 5% do calor para ser absorvido pelo interior das telhas.

Toda a superfície inferior dos orbitadores do ônibus espacial é coberta com esses ladrilhos pretos , constituído por um sistema de fibra de sílica com um teor de volume de apenas 6%. O volume restante está cheio de ar . Cada telha é marcada com um número de identificação para garantir a correta manutenção e montagem em sua posição única. As telhas são coladas à estrutura de alumínio subjacente com uma “cola” de borracha de silicone.



Outros sistemas de proteção térmica, como sistemas abrasivos , também use materiais isolantes, que estão sendo deliberadamente corroídos pelo calor excessivo . Por design, os sistemas abrasivos só podem ser usados ​​uma vez antes de exigirem uma substituição completa. Em contraste, os ladrilhos de sílica são reutilizáveis, apesar de seu impressionante pico de serviço temperatura de cerca de 1900 K durante a fase de reentrada .



Para áreas especialmente aquecidas , como bordas de ataque de estruturas aerodinâmicas, isolamento térmico pode ser insuficiente , exigindo resfriamento ativo. Neste caso, não há uma camada de cerâmica isolante, mas sim um material termicamente condutor relativamente fino.

Este princípio é comparável ao resfriamento da câmara de combustão principal no motor principal do ônibus espacial, que foi descrito em detalhes em nosso artigo anterior, Metais no espaço:como as superligas mudaram o cenário dos foguetes . Além disso, Elon Musk está planejando usar resfriamento ativo de aço inoxidável em toda a superfície voltada para o barlavento da espaçonave recém-projetada Starship.

A fase de entrada atmosférica não é a única fase operacional em que uma espaçonave é submetida a um aquecimento de superfície considerável. Simplesmente sendo exposto à luz do sol no espaço pode aumentar a temperatura da superfície rapidamente até cerca de 500 K .

Contra isso, os orbitadores do ônibus espacial foram protegidos pelas mesmas telhas de sílica usando um revestimento branco, composto por uma mistura de compostos de sílica e óxido de alumínio [4], para maximizar a refletividade da superfície e absorvem apenas uma fração minúscula do fluxo de energia solar incidente.

As desvantagens de naves espaciais altamente reflexivas

Em alguns casos, a refletividade de uma espaçonave pode ser problemática . Recentemente, a SpaceX recebeu sérias reclamações sobre seus satélites interferirem nas observações dos astrônomos [5].


Os satélites Starlink da SpaceX estão criando constelações de estrelas artificiais no céu, que os astrônomos temem que interfiram em seus cálculos de dados e poluam o céu noturno.

A refletividade óptica não foi considerado para o projeto geral dos satélites Starlink. No entanto, a SpaceX reconheceu essa falha e está trabalhando ativamente para encontrar uma solução colocando um revestimento no lado voltado para a Terra dos satélites [6].

Este revestimento afeta fortemente as propriedades térmicas dos satélites, pois a luz emitida e refletida pela Terra também pode atuar como uma fonte substancial de aquecimento que precisa ser levado em conta no sistema geral. Portanto, esta não é uma mudança direta, mas que precisa ser cuidadosamente projetada e validada por tentativa e erro.


A pesquisa sobre materiais absorventes de ondas eletromagnéticas remonta à Segunda Guerra Mundial, quando os alemães enfrentaram os primeiros sistemas de radar dos Aliados, de grande sucesso. Essa pesquisa resultou em uma tinta à base de ferrite , que pode ser considerado como o primeiro material absorvente de radar criado artificialmente [7].

Hoje em dia, as assinaturas de radar dos satélites precisam ser suprimidas em alguns casos por razões estratégicas, ocultando-as dos sistemas de detecção do inimigo. No entanto, os operadores de satélite que optam por aplicar a tecnologia de absorção de radar precisam prestar atenção extra para garantir que seus satélites não contribuam para o problema cada vez maior de detritos espaciais na órbita da Terra após o fim do serviço, pois são ainda mais difíceis de encontrar e remover.

Por que materiais/compósitos multifuncionais são obrigatórios

A partir das considerações acima, você pode ver que naves espaciais como satélites são sistemas altamente complexos incorporados em um dos ambientes mais exigentes que conhecemos . A deterioração mais forte que as estruturas externas dos satélites experimentam geralmente está relacionada à erosão da superfície provenientes da irradiação UV no espaço e do bombardeio com oxigênio atômico [8], além dos severos ciclos térmicos , dependendo de suas características orbitais .


Os satélites são sistemas altamente complexos incorporados em um dos ambientes mais exigentes que conhecemos.

A camada mais externa de um satélite é a superfície que define todas as interações térmicas com o ambiente. Se for otimizado para apenas uma finalidade, por exemplo, para minimizar a refletividade eletromagnética , outros recursos necessários para a funcionalidade nominal, como uma certa emissividade de superfície para resfriamento ou proteção contra impacto de micrometeoritos e detritos do satélite podem estar faltando. Portanto, a camada mais externa precisa atender a diversas funções e requisitos.

Figura 3:Estabilidade térmica de diferentes materiais [9].

Cerâmica à base de carbono multicamadas provaram ser um material eficaz para obter uma pele de espaçonave multifuncional, leve e robusta. A Figura 3 mostra como carbono reforçado com fibra de carbono (Carbono/Carbono ou C/C) fornece uma alta estabilidade térmica em uma ampla faixa de temperatura. Os componentes C/C podem ser fabricados com um processo de infiltração de vapor químico.

Um verdadeiro manto de invisibilidade

Pode parecer trivial ocultar um objeto no espaço simplesmente colorindo-o da mesma forma que o plano de fundo :preto . No entanto, mesmo objetos que absorvem toda a luz visível podem ser refletores perfeitos de irradiação eletromagnética em outros comprimentos de onda, por exemplo, microondas .
A proteção térmica superior que o C/C oferece pode ser combinada com as características de absorção de ondas eletromagnéticas de uma matriz de epóxi com nanotubos de carbono de parede múltipla adicionados . Não só os nanotubos de carbono têm o potencial de aumentar a absorção de ondas eletromagnéticas, mas também podem ser usados ​​para fabricar nanomateriais ultra fortes, conforme descrito neste artigo por Wade Lanning.

Figura 4:Imagem de um satélite cubo (CubeSat) e vista esquemática de seu sistema de proteção térmica. O C/C é combinado com uma multicamada de blindagem que absorve a radiação eletromagnética [8].

As camadas externas da multicamada de blindagem mostradas na figura 4, com um teor de nanotubos de carbono de até 1,5%, fornecem excelentes características de absorção de micro-ondas , agindo como uma capa de invisibilidade para o satélite. A espessura das camadas individuais, bem como sua composição, são otimizadas usando uma abordagem de aprendizado de máquina , seguindo uma tendência recente na ciência dos materiais.

Como você pode ver, materiais de ponta e a aplicação de compósitos multifuncionais são necessários para suportar o ambiente exigente do espaço .

Não importa quão bem uma espaçonave seja projetada e testada aqui na Terra, algumas surpresas em sua funcionalidade e efeitos não intencionais ainda podem ser encontrados em órbita, como a SpaceX e sua constelação de satélites Starlink mostraram. Materiais, compostos e revestimentos cerâmicos oferecem características altamente desejáveis, como estabilidade a longo prazo e proteção térmica, permitindo uma nova era de exploração espacial avançada.