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Was passiert in Hitzeschilden von Raumfahrzeugen unter Extrembedingungen?
Ablative Hitzeschilde schützen Raumfahrzeuge, indem sich ihr Material beim Atmosphäreneintritt kontrolliert zersetzt und dabei einen Teil der Hitze aufnimmt. Zeitaufgelöste Röntgenaufnahmen und künstliche Intelligenz (KI) zeigen nun an zwei Schutzmaterialien, wie sich Poren, Füllstoffe und die schrumpfende innere Struktur verändern und liefern Daten für genauere Hitzeschild-Modelle.
Berkeley (U.S.A.). Beim Eintritt in eine Planetenatmosphäre wird Bewegungsenergie in enorme Hitze umgewandelt, der ablative Hitzeschilde durch die thermochemische Zersetzung ihrer äußeren Schichten begegnen. Für verlässliche Berechnungen müssen Ingenieure deshalb wissen, wie sich Poren, Bindemittel und Füllstoffe während dieses Vorgangs verändern.
Gerade diese Vorgänge im Inneren ließen sich bisher nur schwer während der Erhitzung verfolgen, denn hochauflösende Aufnahmen zeigen meist nur kleine Ausschnitte oder Zustände vor und nach dem Versuch. Schnelle Messungen größerer Probenbereiche liefern dagegen weniger Details.
Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign um Francesco Panerai haben nun beide Anforderungen kombiniert und die kommerziellen Superlight-Ablatoren SLA-220 und SLA-561V untersucht. Diese leichten Verbundschäume enthalten Hohlkügelchen und weitere Füllstoffe in einer Materialmatrix und dienen unter anderem als thermischer Schutz an rückwärtigen Bereichen von Raumsonden.
Die Proben wurden an der Advanced Light Source (ALS) im Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) in Argon mit 15 Grad Celsius pro Minute auf bis zu 900 Grad Celsius erhitzt. Während dieser Pyrolyse, also der thermischen Zersetzung ohne Sauerstoff, erfasste eine Röntgen-Mikrocomputertomografie die innere Struktur fortlaufend, während hochauflösende Bilder der Ausgangs- und Endzustände als Referenz für die Auswertung dienten.
„Die direkte Beobachtung, wie Hitzeschildmaterialien während des Erhitzens mit dieser Technik zerfallen, hat die Forschung zum Atmosphäreneintritt grundlegend verändert, weil sie uns einzigartige Einblicke gibt und uns hilft, die inneren Strukturveränderungen sichtbar zu machen, die die Ablation während ihres Ablaufs bestimmen. Nahezu jedes wichtige ablative Hitzeschildmaterial der NASA wurde mit dieser Technik an der Advanced Light Source untersucht, einschließlich der Materialien, die für Artemis- und Mars-Eintrittsmissionen relevant sind“, erklärt Vishnu Oruganti vom Lyndon B. Johnson Space Center (JSC).
Die konkrete Studie untersucht dabei nicht den Orion-Hitzeschild, sondern SLA-220 und SLA-561V, während sich Orugantis weiter gefasste Aussage auf die über Jahre entwickelte Messmethode und deren Einsatz an weiteren Hitzeschutzmaterialien der National Aeronautics and Space Administration (NASA) bezieht.
„Wir können Proben unter verschiedenen Extrembedingungen wie Hitze, Kälte, Druck und Zug in 3D abbilden, und wir können beobachten, wie sich die innere Struktur der Materialien entwickelt, und dabei detailliert in ihr Inneres blicken, während sich ihre Eigenschaften unter diesen Bedingungen verändern. Diese Zusammenarbeit war eine perfekte Anwendung dieser Technik. Nach der ersten Artemis-Mission, bei der die Hitzeschilde nicht so funktionierten, wie es die NASA aufgrund von Rechenmethoden erwartet hatte, nutzte man die ALS, um Materialien aus diesen Hitzeschilden zu untersuchen und besser zu verstehen, wie sich die innere Struktur im Laufe der Zeit entwickelt“, sagt Liz Clark von der Advanced Light Source (ALS).
Die beiden Werkstoffe reagierten deutlich verschieden, denn bei SLA-220 zerfiel vor allem die Silikonmatrix zwischen etwa 500 und 600 Grad Celsius. Das Material schwoll nicht an und hatte bei 900 Grad Celsius rund zwölf Prozent seines Volumens verloren.
SLA-561V enthält zusätzlich Kork, der knapp 30 Prozent der Masse ausmacht und bereits bei niedrigeren Temperaturen zu zerfallen begann, wodurch offene Hohlräume zurückblieben. Zunächst nahm das Probenvolumen um etwa fünf Prozent zu, anschließend schrumpfte e