Quantification of RTV Intumescence using X-ray Imaging

عندما تهبط المركبات الفضائية في الغلاف الجوي لكوكب ما، ينضغط الهواء أمامها بعنف شديد لدرجة أنه يتحول إلى بلازما حارقة، مما يرفع درجة حرارة سطح المركبة إلى مستويات يمكن أن تذيب الفولاذ. وللبقاء على قيد الحياة، يقوم المهندسون بتغليف هذه المركبات بنظام حماية حرارية، وهو عبارة عن غلاف مكون من بلاطات خاصة مصممة لامتصاص وتصريف تلك الحرارة الشديدة. ومع ذلك، لا يمكن وضع هذه البلاطات جنباً إلى جنب دون فواصل؛ بل يجب فصلها بفجوات صغيرة للسماح بتمدد وانكماش المواد أثناء تسخينها وتبريدها. تُملأ هذه الفجوات بمادة سد رقيقة تشبه المطاط تُعرف باسم السيليكون الملدن في درجة حرارة الغرفة (RTV). تعمل هذه المادة كغراء مرن، حيث تثبت البلاطات في مكانها وتمنع الهواء شديد السخونة من التسرب عبر الشقوق. المشكلة تكمن في أنه عندما يسخن هذا السيليكون كثيراً، فإنه لا يكتفي بالبقاء ساكناً، بل يتفاعل كيميائياً، مطلقاً غازات ومتورماً نحو الخارج مثل رغيف خبز يرتفع في الفرن. وإذا أصبح هذا التورم كبيراً جداً، فقد يدفع المادة نحو تدفق الهواء، مما يؤدي إلى اضطراب طبقة الهواء الناعمة التي تحمي المركبة الفضائية ويتسبب في تراكم المزيد من الحرارة، مما قد يؤدي إلى حدوث فشل.

لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن هذا التورم، أو الانتفاخ، يحدث، لكنهم واجهوا صعوبة في رؤية كيفية حدوثه بالضبط داخل المادة أثناء تسخينها. ولفهم هذه العملية الخفية، قرر فريق من الباحثين من جامعة إلينوي ومختبر لورانس بيركلي الوطني مراقبة تغير شكل السيليكون في الوقت الفعلي. استخدموا جهاز أشعة سينية قوياً، يشبه تلك المستخدمة في المستشفيات ولكنه أكثر شدة، لالتقاط آلاف الصور ثلاثية الأبعاد للمادة أثناء تسخينها. ومن خلال دمج هذه الصور مع التحليل الكيميائي، تمكنوا من تتبع كيفية تمدد وتقشر وانكماش المطاط تحت ظروف مختلفة، وكشفوا أن السرعة التي تسخن بها المادة والبيئة المحيطة بها تغيران بشكل كبير مقدار تورمها.

بدأ الباحثون بدراسة التحلل الكيميائي للسيليكون؛ حيث قاموا بتسخين عينات صغيرة في بيئة محكومة وقاسوا الغازات المتسربة أثناء تحلل المادة. ووجدوا أن السيليكون لا يتحلل دفعة واحدة، بل يمر بعدة مراحل متميزة مع ارتفاع درجة الحرارة. أولاً، يطلق الماء والهواء المحتبسين. ثم، مع اشتداد الحرارة، تبدأ السلاسل الجزيئية الطويلة التي يتكون منها المطاط في التكسر، مما يؤدي إلى إطلاق غازات أثقل وترك بقايا كربونية مسامية. وتلعب سرعة تسخين المادة دوراً هائلاً؛ فعند تسخينها ببطء، يكون للغازات وقت للهروب عبر شقوق صغيرة تتشكل في المادة، مما يسمح للسيليكون بالانكماش مرة أخرى بعد تورمه. ولكن عند تطبيق الحرارة بسرعة، محاكيةً الظروف التي تواجهها المركبة الفضائية عند دخول غلاف جوي لكوكب ما، تُحبس الغازات بالداخل. هذا الضغط المحتبس يتراكم بسرعة، مما يجبر المادة على التمدد بشكل أكبر بكثير مما لو كانت تحت ظروف تسخين أبطأ.

ولتصور هذا التمدد، وضع الفريق عينات من السيليكون داخل غرفة خاصة وسخنوها مع التقاط صور بالأشعة السينية. في مجموعة واحدة من التجارب، قاموا بتسخين العينات ببطء، مع أخذ مسوحات ثلاثية الأبعاد كل دقيقة. ورأوا أن المادة تمددت قليلاً في البداية بسبب التمدد الحراري البسيط، ثم تورمت بشكل ملحوظ مع تكون الغازات داخل جيوب مغلقة داخل المطاط. وفي النهاية، مع تطور الشقوق والمسام في المادة، تسربت هذه الغازات وانكمشت العينة مرة أخرى. ومع ذلك، عندما قاموا بتقييد العينة بحيث لا يمكنها التمدد إلا في اتجاه واحد، تورمت بشكل أكبر وانكمشت ببطء أكثر، لأن الغازات لم تستطع الهروب بسهولة. وقد أكد هذا أن الشكل الفيزيائي للمادة وكيفية تثبيتها يلعبان دوراً رئيسياً في كيفية تفاعلها مع الحرارة.

ثم انتقل الفريق إلى الظروف الأكثر تطرفاً ذات الصلة بالرحلات الفضائية الفعلية، حيث قاموا بتسخين العينات بمعدلات أسرع بكثير من ذي قبل، لتصل درجات الحرارة إلى الارتفاع بنحو ألفي درجة مئوية في الدقيقة. في هذه الاختبارات السريعة، لاحظوا فرقاً دراماتيكياً؛ فقد تورم السيليكون لأكثر من ضعف طوله الأصلي قبل أن يتمكن من الانكماش مجدداً. كما اختبروا عينات تمت معالجتها مسبقاً لإزالة الهواء والماء المحتبسين. ومن المثير للدهشة أن هذه العينات "المفرغة من الغازات" تورمت أكثر من العينات غير المعالجة. حدثت هذه النتيجة المنافية للحدس لأن العينات غير المعالجة كانت تحتوي بالفعل على مسارات صغيرة مفتوحة لهروب الغازات، بينما كانت العينات المفرغة تحتوي على مسارات هروب أقل، مما تسبب في تراكم الضغط الداخلي إلى مستويات أعلى قبل أن تتشقق المادة أخيراً وتطلق الغاز.

كما غيرت البيئة المحيطة بالمادة النتيجة أيضاً. فعندما قام الباحثون بتسخين السيليكون في الهواء بدلاً من غاز خامل مثل الأرجون، تشكلت طبقة صلبة تشبه الزجاج على سطح العينة. عملت هذه الطبقة كجلد، يحبس الغازات بالداخل ويمنع المادة من الانكماش بعد تورمها. ونتي نتج عن ذلك بقاء العينات في الهواء متورمة وصلبة، بينما انكمشت العينات في الغاز الخامل في النهاية. تشير هذه النتائج إلى أن التفاعل الكيميائي مع الأكسجين في الغلاف الجوي يمكن أن يغير بشكل كبير سلوك المادة العازلة خلال مهمة حقيقية.

أخيراً، بحث الباحثون في كيفية سلوك السيليكون عندما لا يكون مجرد قطعة موضوعة في حاوية، بل عندما يكون مرتبطاً فعلياً بالبلاطات المسامية التي يُفترض أن يحميها. قاموا بنقع السيليكون السائل في الثقوب الصغيرة لبلاطة من ألياف الكربون ومادة مسامية مماثلة قبل تركه يتصلب. وعندما قاموا بتسخين هذه العينات المرتبطة، كان التورم أقل بكثير مما كان عليه في العينات الحرة. فقد عملت البلاطة المسامية مثل الإسفنج، حيث امتصت الغازات التي حاول السيليكون إطلاقها ووفرت مساراً لهروبها. هذا "التنفيس المسامي" حافظ على انخفاض الضغط الداخلي، مما منع التورم الكبير الذي شوهد في الاختبارات الأخرى. وهذا اكتشاف حاسم لتصميم المركبات الفضائية، حيث يشير إلى أن الطريقة التي يتفاعل بها المادة العازلة مع البلاطات التي يلتصق بها يمكن أن تحد طبيعياً من التورم وتحافظ على سلامة الدرع الحراري.

ومن خلال الجمع بين صور الأشعة السينية والبيانات الكيميائية، رسم الباحثون صورة واضحة لكيفية سلوك هذا المادة العازلة الحيوية تحت ضغط الدخول إلى الغلاف الجوي. لقد وجدوا أن التورم مدفوع بالغازات المحتبسة التي يتراكم ضغطها عندما تسخن المادة بسرعة تمنعها من الهروب. ويعتمد مدى هذا التورم على السرعة التي تُطبق بها الحرارة، وما إذا كانت المادة قد عولجت مسبقاً لإزالة الهواء، وما إذا كانت مرتبطة بسطح مسامي يمكنه المساعدة في تصريف الغازات. توفر هذه الرؤى للمهندسين البيانات التي يحتاجونها للتنبؤ بكيفية سلوك المادة العازلة في المهمات المستقبلية، مما يضمن بقاء الفجوات بين بلاطات الدرع الحراري آمنة حتى عندما تواجه المركبة الفضائية الحرارة الشديدة عند دخول عالم جديد.