Quantification of RTV Intumescence using X-ray Imaging

Wenn Raumfahrzeuge in die Atmosphäre eines Planeten eintauchen, wird die Luft vor ihnen so heftig komprimiert, dass sie sich in ein glühendes Plasma verwandelt, welches die Oberfläche des Fahrzeugs auf Temperaturen erhitzt, die Stahl schmelzen können. Um dies zu überstehen, umhüllen Ingenieure diese Fahrzeuge mit einem thermischen Schutzsystem, einer Hülle aus speziellen Kacheln, die darauf ausgelegt ist, diese intensive Hitze zu absorbieren und abzuleiten. Diese Kacheln können jedoch nicht kantenbündig platziert werden; sie müssen durch kleine Lücken getrennt sein, um die Ausdehnung und Kontraktion der Materialien beim Erhitzen und Abkühlen zu ermöglichen. Diese Lücken werden mit einem weichen, gummiartigen Dichtmittel gefüllt, das als Raumtemperatur-vernetzendes Silikon bekannt ist. Dieses Material fungiert als flexibler Kleber, der die Kacheln an ihrem Platz hält und verhindert, dass die supererhitzte Luft durch die Ritzen dringt. Das Problem besteht darin, dass dieses Silikon bei zu großer Hitze nicht einfach nur dort verweilt; es reagiert chemisch, setzt Gase frei und quillt wie ein aufgehender Brotteig nach außen auf. Wenn dieses Aufquellen zu groß wird, kann das Material in den Luftstrom hineindrschen, die glatte Luftschicht stören, die das Raumfahrzeug schützt, und so zu einer noch stärkeren Hitzeentwicklung führen, was potenziell einen Ausfall verursachen kann.

Wissenschaftler wussten schon lange, dass dieses Aufquellen oder die Intumeszenz stattfindet, aber sie hatten Schwierigkeiten zu verstehen, wie genau dies im Inneren des Materials geschieht, während es erhitzt wird. Um diesen verborgenen Prozess zu verstehen, beschloss ein Forscherteam der University of Illinois und des Lawrence Berkeley National Laboratory, dem Silikon dabei zuzusehen, wie es seine Form verändert, und zwar in Echtzeit. Sie verwendeten eine leistungsstarke Röntgenmaschine, ähnlich denen in Krankenhäusern, aber weitaus intensiver, um tausende dreidimensionale Bilder des Materials während des Erhitzens aufzunehmen. Durch die Kombination dieser Bilder mit chemischen Analysen konnten sie verfolgen, wie das Gummi unter verschiedenen Bedingungen aufbläht, reißt und schrumpft, wobei sie entdeckten, dass die Geschwindigkeit, mit der das Material erhitzt wird, und die Umgebung das Ausmaß des Aufquellens dramatisch verändern.

Die Forscher begannen damit, die chemische Zersetzung des Silikons zu untersuchen. Sie erhitzten kleine Proben in einer kontrollierten Umgebung und maßen die entweichenden Gase, während das Material zerfiel. Sie fanden heraus, dass das Silikon nicht auf einmal zerfällt. Stattdessen durchläuft es mit steigender Temperatur mehrere deutliche Stadien. Zuerst gibt es eingeschlossenes Wasser und Luft ab. Wenn sich die Hitze dann intensiviert, beginnen die langen Molekülketten, aus denen das Gummi besteht, zu brechen, wodurch schwerere Gase freigesetzt werden und ein poröser, kohlenstoffreicher Verkohlungsrückstand zurückbleibt. Die Geschwindigkeit, mit der das Material erhitzt wird, spielt eine immense Rolle. Wenn es langsam erhitzt wird, haben die Gase Zeit, durch winzige Risse, die sich im Material bilden, zu entweichen, was es dem Silikon ermöglicht, nach dem Aufquellen wieder zu schrumpfen. Wenn die Hitze jedoch schnell zugeführt wird – was die Bedingungen beim Eintritt eines Raumfahrzeugs in die Atmosphäre eines Planeten simuliert –, werden die Gase eingeschlossen. Dieser eingeschlossene Druck baut sich schnell auf und zwingt das Material dazu, sich viel stärker auszudehnen, als es unter langsameren Bedingungen der Fall wäre.

Um diese Ausdehnung zu visualisieren, platzierten die Teams Silikonproben in eine spezielle Kammer und erhitzten sie, während sie Röntgenbilder aufnahmen. In einem Satz von Experimenten erhitzten sie die Proben langsam und nahmen alle Minute eine dreidimensionale Aufnahme auf. Sie sahen, dass sich das Material zuerst durch einfache thermische Ausdehnung leicht ausdehnte, dann signifikant aufquellte, da sich innerhalb geschlossener Taschen im Gummi Gase bildeten. Schließlich, als das Material Risse und Poren entwickelte, entwich diese Gase, und die Probe schrumpfte wieder zusammen. Wenn sie jedoch die Probe so einschränkten, dass sie sich nur in eine Richtung ausdehnen konnte, quoll sie noch stärker auf und schrumpfte langsamer, da die Gase nicht so leicht entweichen konnten. Dies bestätigte, dass die physische Form des Materials und die Art und Weise, wie es gehalten wird, eine entscheidende Rolle dabei spielen, wie es auf Hitze reagiert.

Das Team widmete sich dann den extremeren Bedingungen, die für die tatsächliche Raumfahrt relevant sind, indem sie Proben mit wesentlich höheren Raten erhitzte, wobei Temperaturen erreicht wurden, die um fast zweitausend Grad Celsius pro Minute steigen. In diesen schnellen Tests beobachteten sie einen dramatischen Unterschied. Das Silikon quoll auf mehr als das Doppelte seiner ursprünglichen Höhe auf, bevor es wieder schrumpfen konnte. Sie testeten auch Proben, die vorbehandelt worden waren, um eingeschlossene Luft und Wasser zu entfernen. Überraschenderweise quollen diese „entgasten“ Proben sogar stärker auf als die unbehandelten. Dieses kontraintuitive Ergebnis kam zustande, weil die unbehandelten Proben bereits winzige offene Wege für den Gasaustritt besaßen, während die entgassten Proben weniger Fluchtwege hatten, was dazu führte, dass der interne Druck auf höhere Werte anstieg, bevor das Material schließlich riss und das Gas freisetzte.

Auch die Umgebung des Materials veränderte das Ergebnis. Wenn die Forscher das Silikon in Luft anstatt in einem Inertgas wie Argon erhitzten, bildete sich auf der Oberfläche der Probe eine harte, glasartige Schicht. Diese Schicht wirkte wie eine Haut, die die Gase im Inneren einschloss und verhinderte, dass das Material nach dem Aufquellen wieder schrumpfte. Infolgedessen blieben die Proben in der Luft aufgequollen und starr, während sie sich in dem Inertgas schließlich wieder zusammenzogen. Dieser Befund deutet darauf an, dass die chemische Reaktion mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre das Verhalten des Dichtungsmittels während einer echten Mission erheblich verändern kann.

Schließlich untersuchten die Forscher, wie sich das Silikon verhält, wenn es nicht nur in einem Behälter liegt, sondern tatsächlich mit den porösen Kacheln verbunden ist, die es schützen soll. Sie tränkten das flüssige Silikon in die winzigen Löcher einer Kohlenstofffaser-Kachel und eines ähnlichen porösen Materials, bevor sie es aushärten ließen. Als sie diese verbundenen Proben erhitzten, war das Aufquellen viel geringer als bei den freistehenden Proben. Die poröse Kachel wirkte wie ein Schwamm, der die Gase aufsaugt, die das Silikon freisetzen wollte, und bot einen Weg für deren Entweichen. Diese „poröse Entlastung“ hielt den internen Druck niedriger und verhinderte das dramatische Aufquellen, das in den anderen Tests beobachtet wurde. Dies ist eine entscheidende Entdeckung für die Konstruktion von Raumfahrzeugen, da sie darauf hindeutet, dass die Art und Weise, wie das Dichtungsmittel mit den Kacheln interagiert, an die es gebunden ist, das Aufquellen natürlich begrenzen und den Hitzeschild sicher halten kann.

Durch die Kombination dieser Röntgenbilder mit chemischen Daten zeichneten die Forscher ein klares Bild davon, wie sich dieses lebenswichtige Dichtungsmittel unter der Belastung des atmosphärischen Eintritts verhält. Sie fanden heraus, dass das Aufquellen durch eingeschlossene Gase verursacht wird, die Druck aufbauen, wenn das Material zu schnell erhitzt wird, um deren Entweichen zu ermöglichen. Das Ausmaß dieses Aufquellens hängt davon ab, wie schnell die Hitze zugeführt wird, ob das Material vorbehandelt wurde, um Luft zu entfernen, und ob es mit einer porösen Oberfläche verbunden ist, die beim Ablassen der Gase helfen kann. Diese Erkenntnisse liefern den Ingenieuren die notwendigen Daten, um vorherzusagen, wie sich das Dichtungsmittel bei zukünftigen Missionen verhalten wird, um sicherzustellen, dass die Lücken zwischen den Hitzeschutzkacheln auch dann sicher bleiben, wenn das Raumfahrzeug der extremen Hitze beim Eintritt in eine neue Welt ausgesetzt ist.