Cerâmicas Avançadas na Aeroespacial: Escudos Térmicos Reutilizáveis e Além

As cerâmicas foram usadas para criar arte e vários tipos de loiça durante milhares de anos. Hoje, podemos usá-las para fabricar facas ultra-afiadas e duráveis que fazem as suas congéneres de aço de alta tecnologia parecer relíquias antigas. Da experiência de vida, também sabemos que as cerâmicas não lidam bem com forças fortes e súbitas a atuar sobre elas. Por exemplo, um chão a atingi-las a alguns metros por segundo.

A fragilidade inerente das cerâmicas é a principal razão pela qual são inadequadas como material estrutural para a maioria das aplicações. No entanto, as cerâmicas destacam-se em muitos aspetos altamente específicos, especialmente quando se trata de altas temperaturas e estabilidade química. Neste artigo, exploramos os papéis cruciais das cerâmicas em naves espaciais e como salvam a situação onde os metais falham.

Projetar o sistema de proteção térmica mais eficiente

Um dos casos de uso mais comuns para cerâmicas em naves espaciais é como parte do sistema de proteção térmica. Para entender por que um material cerâmico é o candidato ideal para esta aplicação, é importante analisar de perto os diferentes mecanismos de dissipação de calor.

Quando uma nave espacial entra em qualquer tipo de atmosfera a velocidades orbitais, experimenta aquecimento significativo da superfície através do arrasto atmosférico. Isto mantém-se verdade mesmo para a atmosfera marciana relativamente rarefeita, que tem apenas 1% da densidade atmosférica da Terra. O calor absorvido pela nave espacial pode então seguir dois caminhos: pode ser radiado para o ambiente ou conduzido para o interior da nave espacial, como indicado na figura 1.

A radiação seria uma forma favorável para o projetista da nave espacial se livrar do calor absorvido, já que o ambiente é dificilmente afetado pelo calor radiado, enquanto a nave espacial poderia desintegrar-se e/ou derreter se demasiado calor for acumulado durante a fase de entrada.

No entanto, a eficiência da radiação está ligada à quarta potência da temperatura da superfície. Isto significa que desempenha dificilmente algum papel para temperaturas de superfície que a maioria dos materiais pode lidar confortavelmente, mas torna-se o mecanismo dominante de transferência de calor/arrefecimento a temperaturas acima de ~1000 K. Pode estar familiarizado com esta gama de temperaturas como virtualmente todos os materiais sólidos começam a brilhar visivelmente a vermelho por aqui [2].

Revestimentos especializados são a chave

A condução do calor para o interior da nave espacial é a forma menos favorável de lidar com o aquecimento da superfície devido às limitações de temperatura de todos os materiais usados dentro da nave espacial. Há apenas tanto calor que a nave espacial pode absorver antes de os limites do material serem excedidos e falhas catastróficas poderem ocorrer.

Engenheiros encontraram uma solução inteligente que utiliza ambos os mecanismos de transferência de calor. Por exemplo, a superfície aquecida do orbitador do vaivém espacial é coberta com um bom material isolante térmico, 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. Desta forma, até 95% do calor encontrado é dissipado imediatamente, deixando apenas 5% do calor para ser absorvido pelo interior dos azulejos.

A toda a superfície inferior dos orbitadores do vaivém espacial é coberta com estes azulejos pretos, consistindo num sistema de fibra de sílica com um teor de volume de apenas 6%. O volume restante é preenchido com ar. Cada azulejo é marcado com um número de identificação para garantir a correta manutenção e montagem na sua posição única. Os azulejos são colados à estrutura de alumínio subjacente com uma "cola" de borracha de silicone.

Outros sistemas de proteção térmica, como sistemas ablativos, também usam materiais isolantes, que são deliberadamente erodidos pelo calor excessivo. Por design, os sistemas ablativos só podem ser usados uma vez antes de requererem uma substituição completa. Em contraste, os azulejos de sílica são reutilizáveis, apesar da sua impressionante temperatura de pico de serviço de cerca de 1900 K durante a fase de reentrada.

Para áreas especialmente fortemente aquecidas, como bordos de ataque de estruturas aerodinâmicas, o isolamento térmico pode ser insuficiente, exigindo arrefecimento ativo. Neste caso, não há camada de cerâmica isolante mas um material termicamente condutor relativamente fino no seu lugar.

Este princípio é comparável ao arrefecimento da câmara de combustão principal no motor principal do vaivém espacial, que foi descrito em detalhe no nosso artigo anterior, Metais no Espaço: Como superligas mudaram o panorama dos foguetões. Além disso, Elon Musk planeia usar arrefecimento ativo de aço inoxidável em toda a superfície voltada a favor do vento da recém-projetada nave espacial Starship.

A fase de entrada atmosférica não é a única fase operacional onde uma nave espacial é submetida a aquecimento considerável da superfície. Simplesmente estar exposto à luz solar no espaço pode elevar a temperatura da superfície rapidamente até cerca de 500 K.

Contra isto, os orbitadores do vaivém espacial eram protegidos pelos mesmos azulejos de sílica usando um revestimento branco, consistindo numa mistura de compostos de sílica e óxido de alumínio [4], para maximizar a refletividade da superfície e absorver apenas uma fração minúscula do fluxo de energia solar incidente.

Os lados negativos de naves espaciais altamente refletivas

Em alguns casos, a refletividade de uma nave espacial pode ser problemática. Recentemente, a SpaceX recebeu sérias queixas sobre os seus satélites a interferir com observações de astrónomos [5].

A refletividade ótica não foi considerada para o design global dos satélites Starlink. No entanto, a SpaceX reconheceu esta falha e está a trabalhar ativamente para 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 de ser tida em conta no sistema global. Portanto, esta não é uma mudança simples, mas uma que precisa de ser cuidadosamente projetada e validada por tentativa e erro.

A investigação em materiais absorventes de ondas eletromagnéticas remonta à Segunda Guerra Mundial, quando os alemães enfrentaram os sistemas de radar altamente bem-sucedidos dos Aliados. Esta investigação resultou numa tinta à base de ferrite, que pode ser considerada como o primeiro material absorvente de radar artificialmente criado [7].

Hoje em dia, as assinaturas de radar de satélites precisam de ser suprimidas em alguns casos por razões estratégicas, ocultando-os de sistemas de deteção inimigos. No entanto, operadores de satélites que escolham aplicar tecnologia absorvente de radar precisam de prestar atenção extra para garantir que os seus satélites não contribuem para a questão fortemente crescente 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

Das considerações acima pode ver-se que naves espaciais como satélites são sistemas altamente complexos inseridos num dos ambientes mais exigentes que conhecemos. A deterioração mais forte que as estruturas exteriores de satélites experimentam é tipicamente relacionada com erosão de superfície originada da irradiação UV no espaço e de bombardeamento com oxigénio atómico [8], além de severos ciclos térmicos, dependendo das suas características orbitais.

A camada mais externa de um satélite é a superfície definidora para todas as interações térmicas com o ambiente. Se for otimizada para apenas um propósito, por exemplo para minimizar a refletividade eletromagnética, outras características necessárias para a funcionalidade nominal como uma certa emissividade de superfície para arrefecimento ou proteção contra impacto de micrometeoritos e detritos do satélite podem estar em falta. Portanto, a camada mais externa tem de cumprir uma multiplicidade de funções e requisitos.

Cerâmicas multicamadas à base de carbono provaram ser um material eficaz para alcançar uma pele de nave espacial multifuncional, leve e robusta. A Figura 3 mostra como o carbono reforçado com fibra de carbono (Carbono/Carbono ou C/C) fornece alta estabilidade térmica numa ampla gama de temperaturas. Os componentes C/C podem ser fabricados com um processo de infiltração de vapor químico.

Um verdadeiro manto de invisibilidade

Pode parecer trivial esconder um objeto no espaço simplesmente colorindo-o da mesma forma que o fundo: preto. No entanto, mesmo objetos que absorvem toda a luz visível podem ser perfeitos refletores de irradiação eletromagnética noutros comprimentos de onda, por exemplo micro-ondas.

A superior proteção térmica que o C/C fornece pode ser combinada com as características de absorção de ondas eletromagnéticas de uma matriz epóxi com nanotubos de carbono de paredes múltiplas 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-resistentes, como descrito neste artigo por Wade Lanning.

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

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

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