宇宙のセラミック：再利用可能な熱シールドから不可視のマントまで

陶磁器は何千年もの間、芸術やさまざまな種類の料理を作るために使用されてきました。今日、私たちはそれらを使用して、ハイテク鋼の対応物を古代の遺物のように見せることができる超鋭利で耐久性のあるナイフを作ることができます。人生の経験から、セラミックはそれらに作用する突然の強い力にうまく対処できないこともわかっています 。たとえば、床が毎秒数メートルでそれらにぶつかる。

セラミック固有の脆性 構造材料として不適切である主な理由です ほとんどのアプリケーションで。ただし、セラミックは多くの非常に特殊な側面で際立っています 、特に高温と化学的安定性に関しては 。この記事では、宇宙船におけるセラミックの重要な役割について説明します。 そして、金属が衰える日をどのように救うか。

最も効率的な熱保護システムの設計

宇宙船でのセラミックのより一般的な使用例の1つは、熱保護システムの一部です。 。セラミック材料がこのアプリケーションの理想的な候補である理由を理解するには、さまざまな熱放散メカニズムを詳しく調べることが重要です。 。

宇宙船が軌道速度であらゆる種類の大気圏に入ると、かなりの表面加熱が発生します。 大気ドラッグを介して 。これは、地球の大気密度の1％しかない比較的薄い火星の大気にも当てはまります。 宇宙船によって吸収される熱は、2つの方法をとることができます ：図1に示すように、環境に放射したり、宇宙船の内部に導いたりすることができます。

<図>

図1：断熱宇宙船の表面加熱の概略図[1]。

放射線 環境は放射熱の影響をほとんど受けないため、宇宙船の設計者は吸収された熱を取り除くのに適した方法ですが、蓄積された熱が多すぎると宇宙船は崩壊したり溶けたりする可能性があります エントリーフェーズ中。

ただし、輻射の効率は表面温度の4乗に関係しています。これは、ほとんどの材料が快適に処理できる表面温度にはほとんど影響を与えないことを意味しますが、〜1000Kを超える温度では主要な熱伝達/冷却メカニズムになります 。 事実上すべての固体材料がこのあたりで目に見えて赤く光り始めるので、この温度範囲に精通しているかもしれません [2]。

特殊なコーティングが鍵です

宇宙船への熱の伝導は、表面加熱を処理するにはあまり好ましくない方法です。 宇宙船内で使用されるすべての材料の温度制限のため。 材料の限界の前に宇宙船が吸収できる熱はそれほど多くありません を超え、壊滅的な障害が発生する可能性があります 。

エンジニアは、両方の熱伝達メカニズムを利用するスマートなソリューションを考案しました。 。たとえば、スペースシャトルオービターの加熱された表面は、優れた断熱材で覆われています。 、すなわちシリカ（二酸化ケイ素）。さらに、表面の放射線放出特性を最大化するために、この材料に黒色のホウケイ酸塩コーティングが施されています。このようにして、発生した熱の最大95％がすぐに放出されます 、タイルの内部で吸収される熱のわずか5％を残します。

スペースシャトルオービターの下面全体がこれらの黒いタイルで覆われています 、体積含有量がわずか6％のシリカ繊維システムで構成されています。 残りのボリュームは空気で満たされています 。各タイルには識別番号が付けられており、固有の位置での正しいメンテナンスと組み立てが保証されます。タイルは、シリコンゴムの「接着剤」で下にあるアルミニウム構造に接着されています。

研磨システムなどの他の熱保護システム 、また、過度の熱によって故意に侵食されている断熱材を使用します。 。設計上、研磨システムは完全な交換が必要になる前に1回だけ使用できます。対照的に、シリカタイルは、印象的なピークサービス再突入段階での約1900Kの温度にもかかわらず、再利用可能です。 。

特に強く加熱された領域の場合 、空力構造の前縁のように、断熱が不十分な場合があります 、アクティブな冷却が必要です。この場合、絶縁セラミック層はありませんが、比較的薄い熱伝導性材料が配置されています。

この原理は、主燃焼室の冷却に匹敵します 前回の記事で詳しく説明したスペースシャトルのメインエンジンでは、宇宙の金属：超合金がロケットの風景をどのように変えたか 。さらに、イーロンマスクは、新しく設計された宇宙船スターシップの風上に面する表面全体にステンレス鋼の能動冷却を使用することを計画しています。

大気圏突入段階は、宇宙船がかなりの表面加熱にさらされる唯一の運用段階ではありません。 宇宙で日光にさらされるだけです 表面温度をすばやく上げることができます最大約500K 。

これに対して、スペースシャトルオービターは、表面反射率を最大化するために、シリカ化合物と酸化アルミニウムの混合物からなる白いコーティングを使用して同じシリカタイルで保護されました[4]。 入射する太陽エネルギーフラックスのごく一部のみを吸収します。

反射率の高い宇宙船の欠点

場合によっては、宇宙船の反射率が問題になることがあります 。つい最近、SpaceXは、衛星が天文学者からの観測を妨害しているという深刻な苦情を受けました[5]。

<図>

SpaceXのStarlink衛星は、天文学者がデータ計算に干渉して夜空を汚染することを心配している、空に人工星の星座を作成しています。

光反射率 スターリンク衛星の全体的な設計については考慮されていませんでした。ただし、SpaceXはこの欠陥を認めました 地球に面する側にコーティングを施すことで、解決に向けて積極的に取り組んでいます。 衛星の[6]。

このコーティングは衛星の熱特性に強く影響します。地球から放出および反射された光は、実質的な熱源としても機能する可能性があるためです これは、システム全体で考慮する必要があります。したがって、これは簡単な変更ではありませんが、試行錯誤しながら慎重に設計および検証する必要があります。

電磁波吸収材料の研究は、ドイツ人が連合国の大成功を収めた最初のレーダーシステムに直面した第二次世界大戦にまでさかのぼります。この調査の結果、フェライトベースの塗料が生まれました。 、最初の人工的に作成されたレーダー吸収材料と見なすことができます [7]。

今日、衛星のレーダー署名は、戦略的な理由で、敵の検出システムからそれらを隠すために、場合によっては抑制される必要があります。ただし、レーダー吸収技術の適用を選択した衛星オペレーター 衛星がスペースデブリの問題の大幅な増加に寄与しないようにすることに特別な注意を払う必要があります。 地球の軌道上では、サービスの終了後、それらを見つけて削除するのがさらに困難になるためです。

多機能材料/複合材料が必須である理由

上記の考慮事項から、衛星などの宇宙船は、私たちが知っている最も要求の厳しい環境の1つに組み込まれた非常に複雑なシステムであることがわかります 。外部衛星構造が経験する最も強い劣化は、通常、表面侵食に関連しています。 UV照射に由来 宇宙で、原子状酸素による砲撃から [8]、厳しい熱サイクルに加えて 、軌道特性に応じて 。

<図>

衛星は、私たちが知っている最も要求の厳しい環境の1つに組み込まれた非常に複雑なシステムです。

衛星の最外層 環境とのすべての熱的相互作用の定義面です。 1つの目的のみに最適化されている場合、たとえば電磁反射率を最小限に抑えるために 、冷却のための特定の表面放射率などの公称機能に必要なその他の機能 または微小隕石からの衝撃保護 衛星の破片が欠落している可能性があります。 したがって、最外層は多数の機能と要件を満たす必要があります。

<図>

図3：さまざまな材料の熱安定性[9]。

多層カーボンベースのセラミック 多機能で軽量で頑丈な宇宙船の外板を実現するための効果的な材料であることが証明されています。図3は、炭素繊維強化カーボンの方法を示しています。 （カーボン/カーボンまたはC / C）は、広い温度範囲で高い熱安定性を提供します。 C / Cコンポーネントは、化学蒸気浸透プロセスで製造できます。

本当の隠れ蓑

背景と同じように色を付けるだけで、オブジェクトを空間に隠すのは簡単に思えるかもしれません ：黒 。ただし、すべての可視光を吸収する物体でさえ、他の波長、たとえばマイクロ波での電磁照射の完全な反射体になる可能性があります。 。
C/ Cが提供する優れた熱保護は、多層カーボンナノチューブを追加したエポキシマトリックスの電磁波吸収特性と組み合わせることができます。 。カーボンナノチューブは電磁​​波の吸収を高める可能性があるだけでなく、Wade Lanningによるこの記事で説明されているように、超強力なナノ材料の製造にも使用できます。

<図>

図4：立方体衛星（CubeSat）の画像とその熱保護システムの概略図。 C / Cは、電磁放射を吸収するシールド多層膜と組み合わされています[8]。

図4に示すシールド多層膜の外層は、カーボンナノチューブの含有量が最大1.5％で、優れたマイクロ波吸収特性を提供します。 、不可視のマントとして機能します 衛星のために。個々のレイヤーの厚さとその構成は、機械学習アプローチを使用して最適化されます 、材料科学の最近の傾向に続いて。

ご覧のとおり、宇宙の厳しい環境に耐えるためには、最先端の材料と多機能複合材料の適用が必要です 。

宇宙船が地球上でどれほどうまく設計およびテストされていても、その機能と意図しない効果にいくつかの驚きがあります SpaceXとそのスターリンク衛星コンステレーションが示しているように、まだ軌道上で遭遇する可能性があります。 セラミック材料、複合材料、コーティング 長期安定性や熱保護などの非常に望ましい特性を提供し、高度な宇宙探査の新時代を可能にします。