Desenvolvimento de um criotanque esférico sem revestimento e totalmente composto

Os veículos lançadores para viagens espaciais requerem muito combustível e muito armazenamento de combustível. Propelentes de foguetes típicos, como oxigênio, hidrogênio e nitrogênio podem ser armazenados como gases em temperatura ambiente, mas como os gases são de densidade relativamente baixa, o armazenamento de propelentes de gás suficientes para um lançamento espacial exigiria tanques muito grandes, aumentando o peso da espaçonave e limitando sua capacidade de carga útil. Esses propelentes, então, são idealmente armazenados em densidade mais alta como líquidos, permitindo o uso de tanques cada vez menores para armazená-los, mas muitos propelentes comuns devem ser resfriados a temperaturas ultra-frias (também conhecidas como criogênicas, geralmente referindo-se a temperaturas abaixo de -150 ° C ou -238 ° F) para existir como líquidos.

Para este fim, em abril de 2020, a Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Okla., EUA) anunciou o desenvolvimento de um criotanque esférico, sem revestimento e totalmente composto - um recipiente de pressão para armazenar propelentes criogênicos em veículos de lançamento espacial movidos a foguete.

Linerless - também conhecido como Tipo V - os vasos de pressão têm sido um objetivo no projeto de tanques de armazenamento de alta pressão de composto de fibra de carbono. Tradicionalmente, os vasos de pressão dos Tipos I a IV incorporam pelo menos alguma porcentagem de metal, pelo menos como um revestimento entre o gás ou líquido armazenado e o exterior do compósito (Tipo IV). A eliminação de componentes metálicos reduz significativamente o peso do tanque, levando, no caso de tanques de armazenamento de combustível para espaçonaves, a custos reduzidos de lançamento do veículo ou aumento da capacidade de carga útil.

No entanto, projetos totalmente compostos para combustíveis criogênicos, como nitrogênio líquido ou oxigênio líquido, tendem a causar o problema elusivo de microfissuração no laminado. Como um laminado composto enfrenta a exposição a temperaturas extremas, como resfriamento a níveis criogênicos, a diferença nos coeficientes de expansão térmica (CTE) entre cada camada pode levar a rachaduras e vazamentos. Muitos sistemas de resina também se tornam frágeis em temperaturas criogênicas, agravando o problema. De acordo com o CEO da ICT, Matt Villarreal, a Infinite Composites Technologies desenvolveu um criotanque sem revestimento que elimina os problemas de microcracking.

De acordo com Villarreal, os tanques de armazenamento criogênico totalmente compostos - os esféricos, em particular, devido ao seu tamanho menor - são considerados por muitos como uma tecnologia chave para a exploração e sobrevivência de longo prazo no espaço. Embora muitas aterrissagens lunares em desenvolvimento por agências espaciais como a NASA incorporem um design de tanque esférico, diz ele, até agora os tanques esféricos foram todos esferas metálicas mais pesadas e menos eficientes em termos de combustível ou recipientes de pressão envoltos em composto metálico esférico (COPV). O tanque totalmente composto da ICT, chamado de CryoSphere, oferece potencial para uma opção mais leve e mais econômica para armazenar combustível.

De carros de corrida a foguetes

Antes dos criotanques fazerem parte do cenário, Villarreal e o parceiro de negócios Michael Tate começaram suas carreiras em design de vasos de pressão compostos enquanto cursava a Universidade Estadual de Oklahoma (Stillwater, Okla., EUA). Em 2008, eles se juntaram à pequena equipe da Fórmula SAE da escola, que estava trabalhando no projeto de um veículo estilo Fórmula Um de escala 1/4 para competir em um evento internacional que se aproximava da competição universitária de engenharia e design da Fórmula SAE. Para atrair o financiamento tão necessário de empresas locais de gás natural, Villarreal e Tate ajudaram a converter o veículo da equipe para funcionar com gás natural comprimido (CNG), mas descobriram que o tanque de armazenamento de CNG totalmente metálico que usaram era tão pesado que afetou o do carro. eficiência de combustível a tal ponto que eles tiveram que reabastecer o carro várias vezes durante o teste de resistência de 24 horas da competição.

“Depois da corrida, voltamos e fizemos algumas pesquisas e descobrimos que a massa do tanque era um grande problema em muitos setores diferentes e era uma tecnologia chave para a geração de energia limpa para transporte e exploração espacial”, disse Villarreal.

Durante sua pesquisa em tecnologias que facilitam os tanques de GNV mais leves, Villarreal diz que ele e Tate começaram a pensar em conceitos para o Tipo V, tanques compostos sem revestimento aclamados na indústria como o “Santo Graal” dos vasos de pressão. Mais tarde, em 2008, Villarreal e Tate fundaram uma empresa chamada CleanNG LLC para, inicialmente, desenvolver tanques de alta pressão para armazenamento de gás natural. Desde 2013, o vaso de pressão cilíndrico de compósito de fibra de carbono infiniteCPV da empresa tem sido usado em aplicações terrestres e industriais para armazenar, conforme projetado inicialmente, gás natural comprimido e também, cada vez mais, gases comprimidos de criptônio, nitrogênio e hélio. .

Conforme a empresa continuou a trabalhar no projeto do vaso de pressão, Villarreal disse, as empresas que construíam veículos espaciais começaram a buscar a CleanNG com financiamento de pesquisa e desenvolvimento para desenvolver versões de seus tanques para uso em espaçonaves. “Depois de um tempo, o business case se tornou mais atraente para o espaço”, diz Villarreal.

Em 2016, a empresa mudou seu nome para Infinite Composites Technologies e, nos anos seguintes, a ICT se concentrou principalmente em projetos espaciais comerciais, embora Villarreal diga que a empresa também trabalha em aplicações de defesa, como carcaças de motores de foguetes, bem como aeronaves militares e não tripuladas veículos aéreos. Como parte dessa transição, o projeto do tanque cilíndrico infiniteCPV foi integrado a vários veículos lançadores de foguetes que deverão voar em 2020.

O CryoSphere, diz Villarreal, é essencialmente uma evolução do tanque infiniteCPV original.

Desenvolvendo a CryoSphere

À medida que o foco da ICT se voltava cada vez mais para as necessidades das espaçonaves, Villarreal diz:“Começamos a ver uma tendência de que o verdadeiro desafio era fazer criotanques compostos.” Os tanques criogênicos, ou criotanques, são vasos de pressão especialmente projetados para resistir não apenas a altas pressões, mas também a temperaturas extremamente baixas, como as temperaturas abaixo de 200 ° F necessárias para o armazenamento de nitrogênio líquido, oxigênio líquido, metano líquido ou outros combustíveis e oxidantes usados para fornecer energia aos veículos lançadores espaciais.

A empresa solicitou financiamento do estado de Oklahoma e recebeu uma doação de três anos e $ 300.000 do Centro para o Avanço da Ciência e Tecnologia (OCAST) em 2013 para caracterização de materiais e testes em nível de materiais de um conceito de criotanque. “O projeto teve um sucesso moderado”, diz Villarreal. “Encontramos bons candidatos a materiais e tivemos uma boa indicação de que poderíamos seguir em frente com o conceito e começar a nos inscrever para outras coisas”.

A ICT apresentou seu conceito de criotanque ao Johnson Space Center da NASA (Houston, Texas, EUA) em 2018 e, mais tarde, iniciou um projeto de desenvolvimento rápido para um criotanque composto a ser usado em um veículo de demonstração lunar - um veículo que era, diz Villarreal, semelhante para o Morpheus anterior da NASA veículo de teste de decolagem e aterrissagem vertical (VTVL). Os requisitos de desempenho do tanque incluíram a capacidade de suportar 10 ciclos de nitrogênio líquido (LN2) a uma pressão de 100 psi, envolvendo uma queda na temperatura de até -290 ° F e, em seguida, de volta à temperatura ambiente. Além disso, o tanque não podia cair mais de 10 psi durante uma verificação de hélio de 30 minutos entre cada ciclo de LN2 e precisava resistir a uma explosão criogênica pós-ciclo de 1.000 psi (± 100 psi).

A primeira rodada de testes em um criotanque cilíndrico foi um sucesso parcial, sobrevivendo a apenas cinco ciclos criogênicos. “Aceleramos o projeto e basicamente mudamos o design em cerca de oito semanas”, diz Villarreal. “Foi uma corrida louca”, admite ele, “e o tanque sobreviveu a alguns ciclos térmicos, mas então começou a vazar”. O problema era microcracking no laminado. A equipe terminou os testes e “voltou ao desenho”, diz Villarreal.

“A tecnologia principal está nos materiais”, diz Efren Luevano, gerente de engenharia de ICT. O CryoSphere é feito de fibra de carbono Toray (Tóquio, Japão) T800 e uma resina epóxi, e fabricado via enrolamento de filamento, curado em temperatura ambiente e pós-curado em um forno industrial (em oposição a uma autoclave) na instalação de Tulsa da ICT.

Tentando resolver o dilema do microcracking, o ICT começou o teste iterativo de vários tipos de aditivos dentro de uma matriz de resina epóxi endurecida quimicamente, em diferentes concentrações. No processo, a equipe descobriu uma combinação de dois aditivos que, quando o tanque foi testado novamente, permitiu que o projeto atendesse aos requisitos térmicos. Um deles é o grafeno.

“Para este caso, estamos usando o grafeno como um reforço mecânico em nanoescala”, diz Villarreal. Ele explica que as plaquetas de grafeno, fornecidas pela Applied Graphene Materials (Cleveland, U.K.), se estendem pelo espaço entre as fibras e criam um obstáculo para a formação de rachaduras no laminado. O grafeno também melhora a resistência das ligações entre as camadas.

“O que você está tentando fazer é manter as fibras no lugar enquanto pressuriza o tanque e aplica a carga ao tanque”, explica Villarreal. Em baixas temperaturas, a resina se torna quebradiça e começa a se quebrar - conforme a pressão é adicionada às fibras, elas começam a deslizar umas sobre as outras e quebrar as ligações químicas entre elas, diz ele. As plaquetas de grafeno atuam como um reforço mecânico entre as camadas de fibra, reduzindo a probabilidade de movimento e fratura.

Um aditivo proprietário adicional também é incorporado à matriz, tornando o laminado mais dúctil em baixas temperaturas e criando mais propriedades isolantes no laminado. Além do microcracking, “[o isolamento é] um dos desafios desses criotanques”, diz Villarreal. Nos testes, o novo design do CryoSphere incorporando a resina aprimorada com grafeno levou quase uma hora com nitrogênio líquido "para mostrar sinais externos de frio". Embora não houvesse nenhum requisito específico para isso, ele acrescenta que em tanques anteriores testados com nitrogênio líquido, o gelo se formou na superfície externa do tanque 10 minutos após o enchimento do tanque com nitrogênio líquido.

Além da compatibilidade criogênica, Luevano acrescenta que o design esférico foi um desafio por si só. De acordo com Villarreal, o benefício da forma esférica é que ela permite uma melhor eficiência de embalagem para aplicações com requisitos de tamanho apertados ou específicos, como módulos lunares. No entanto, um desafio era que o potencial de deslizamento durante a fabricação era maior em uma superfície esférica em comparação com uma superfície cilíndrica, o que Villarreal diz ser devido ao ângulo de enrolamento necessário e que o acabamento da superfície do mandril não criava atrito suficiente para manter as fibras úmidas impregnadas no lugar - ambas tornando o controle e a disposição das fibras mais difíceis. Outro desafio era que o software de design de padrão usado pela equipe era otimizado para cilindros e não conseguia gerar padrões viáveis ​​para a esfera usando o fluxo de trabalho normal. “Tivemos que ser criativos com as soluções alternativas”, acrescenta ele.

O design esférico também ajudou com o problema do microcracking - um benefício não intencional, diz Villarreal. A equipe percebeu em uma iteração de projeto inicial que havia uma diferença de cerca de 150 ° F na temperatura entre o fundo do tanque e a parte superior do tanque, causada pelo processo de enchimento de uma hora em que o nitrogênio líquido ficava no fundo da metade do tanque a -290 ° F, enquanto o nitrogênio gasoso enchendo a metade superior estava apenas a -140 ° F. “Quando você obtém aqueles gradientes muito acentuados de temperatura no laminado, isso pode causar fraturas, porque uma parte está tentando se esticar a uma taxa diferente da outra”, diz Villarreal. Esse gradiente entre o topo e o fundo do tanque é diminuído com uma forma esférica menor, ajudando a diminuir a disparidade de temperatura.

Com um projeto novo e otimizado em mãos, a ICT assinou um contrato no final de 2019 com o Centro Espacial Kennedy da NASA (Cabo Canaveral, Flórida, EUA) para fornecer dois tanques criogênicos esféricos para teste que tinham metade da escala do Morpheus tanques de aterragem. “Nossas CryoSpheres concluíram todos os testes de ciclo térmico com verificações de hélio entre cada ciclo para garantir que as microfraturas não tivessem se desenvolvido”, diz Villarreal. “Até onde sabemos”, acrescenta ele, “havia três outros fornecedores disputando este contrato, mas quando concluímos os testes, nenhum dos outros fornecedores ainda tinha criado seus primeiros protótipos”.

Próximas etapas em direção ao voo espacial

Os testes estão em andamento. A ICT também recebeu financiamento para o programa MISSE da NASA, que lança materiais para a Estação Espacial Internacional (ISS) para fins experimentais. Para isso, a ICT criou esferas com duas polegadas e meia de diâmetro - um tamanho desenvolvido principalmente para fins de teste, mas que Villarreal acrescenta que poderia ser usado em aplicações como sistemas pneumáticos para robôs. “Eles se parecem estranhamente com minúsculas granadas”, observa ele. A ICT entregou cinco dessas CryoSpheres ao Langley Advanced Research Center da NASA (Hampton, Va., EUA) em fevereiro de 2020. O lançamento do MISSE para a ISS foi inicialmente planejado para agosto de 2020, mas foi adiado até provavelmente novembro, diz Villarreal. Depois de entregues à ISS, as CryoSpheres serão colocadas do lado de fora da estação e estudadas por cerca de seis meses com sensores de radiação acoplados a elas, para testar a resistência dos materiais quando expostos ao calor e à radiação enquanto orbitam a Terra e são expostos diretamente para o sol. Se esses testes forem bem-sucedidos, o ICT receberá as CryoSpheres de volta para testes criogênicos adicionais e para avaliar os efeitos da exposição à radiação nos materiais. A principal preocupação é como as ligações químicas na resina podem ser afetadas.

Depois disso, diz o Villarreal, o próximo passo é a qualificação para o vôo. Ele diz que a ICT já concluiu cerca de metade dos testes de qualificação usando uma versão personalizada do padrão S-081B do Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica (AIAA) e prevê que o restante dos testes será concluído até o final do terceiro trimestre de 2020.

A empresa também planeja dimensionar o tamanho do tanque para até 48 polegadas de diâmetro, o tamanho especificado para sondas lunares comerciais em desenvolvimento pela NASA, e está trabalhando em parcerias para enviar a Crioesfera à lua.

“Nossa equipe está expandindo os limites do que é possível com tanques totalmente compostos”, conclui Villarreal. “Esta tecnologia tem o potencial de revolucionar a exploração espacial e o transporte sustentável.”