Wood and seagrass fibre-based materials including TPSea on hot sounding rocket structures

Resumen Técnico: Materiales Basados en Madera y Fibras de Posidonia para la Protección Térmica de Cohetes de Sondeo

Planteamiento del Problema
La industria espacial se desplaza cada vez más hacia cargas útiles más pequeñas y lanzamientos más frecuentes, lo que requiere un mayor consumo de recursos materiales. Actualmente, la mayoría de los componentes de los vehículos de lanzamiento están diseñados como piezas de un solo uso para priorizar el coste y la eficiencia, lo que genera un importante desperdicio de recursos e impacto ambiental. Si bien la Agencia Espacial Europea (ESA) promueve una "Agenda Verde" para reducir la huella ambiental de los sistemas espaciales, el desarrollo de materiales sostenibles para componentes desechables sigue siendo limitado. Específicamente, los bordes de ataque de las aletas estabilizadoras de los cohetes de sondeo están sometidos a cargas térmicas y mecánicas extremas. Las soluciones actuales, como las aleaciones de acero de alta temperatura o los compuestos reforzados con fibra de vidrio fenólico, a menudo carecen de propiedades de peso óptimas o de sostenibilidad ambiental. Existe la necesidad de investigar materiales renovables y de base biológica que puedan servir como Sistemas de Protección Térmica (TPS) para estos componentes de alto estrés y un solo uso, alineándose con los principios de la economía circular (específicamente las jerarquías de "Reciclar" y "Rechazar") mediante la utilización de materiales que puedan biodegradarse o retornar a la naturaleza tras su vida útil.

Metodología
El estudio, realizado por la Universidad Tecnológica de Dresde (TUD) en colaboración con el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), tuvo como objetivo evaluar la aplicabilidad de materiales basados en madera y fibras de posidonia como TPS para los bordes de ataque de las aletas de cohetes de sondeo. La investigación siguió un proceso sistemático de cribado y pruebas:

1. Definición de Requisitos: El estudio estableció requisitos generales, opcionales y adicionales para los bordes de ataque bio-basados, comparándolos con los materiales existentes: un compuesto de fibra de vidrio fenólico (CM 1) y una aleación de acero de alta temperatura (CM 2). Los requisitos clave incluyeron operación a prueba de fallos, integridad estructural bajo cargas térmicas, baja masa y estabilidad geométrica.
2. Cribado de Materiales: Se seleccionó una gama diversa de materiales, incluyendo maderas sólidas nativas sin tratar (roble, abedul, alerce, caoba) y compuestos de fibra de madera. Los materiales de fibra incluyeron un material basado en madera industrial (I-WBM) y variantes desarrolladas por la TUD (TPSea-0, TPSea-1 y TPSea-C). Notablemente, el TPSea-C es un compuesto novedoso que contiene fibras de madera, fibras de posidonia (Zostera marina) y un retardante de llama de base biológica.
3. Pruebas Preliminares: El cribado inicial consistió en pruebas preliminares en el túnel de viento de arco calentado L2K y en Análisis Termogravimétrico (TGA). El TGA se utilizó para determinar la pérdida de masa, el rendimiento de carbonización y el comportamiento pirolítico bajo una atmósfera de nitrógeno hasta los 1000 °C.
4. Pruebas en Túnel de Viento: Los materiales seleccionados se sometieron a rigurosas pruebas en el túnel de viento de arco calentado L2K del DLR. Las condiciones de prueba simularon la carga térmica máxima de la trayectoria de vuelo del STORT (aprox. 41.5 km de altitud, Mach 8.6), utilizando una mezcla de gases de 96% de nitrógeno y 4% de aire para aproximar las condiciones de vuelo mientras se gestionaban los efectos de no equilibrio químico. Las pruebas duraron 120 segundos.
5. Análisis Post-Prueba: El rendimiento de los materiales se evaluó mediante tres métricas primarias:
   • Análisis de Masa: Medición de la pérdida de masa relativa a la masa original.
   • Análisis de Sección Transversal: Uso de ImageJ para cuantificar el área de la sección transversal intacta, el área de la sección transversal máxima (incluyendo la capa de carbón) y el área original.
   • Análisis de Contorno: Escaneo de la geometría de la superficie antes y después de la prueba para evaluar la estabilidad dimensional y la degradación geométrica.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio proporciona una evaluación comparativa de los materiales de fibra natural frente a los materiales aeroespaciales tradicionales bajo cargas térmicas hipersónicas:

• Rendimiento de la Madera Sólida: Las maderas sólidas sin tratar (roble, alerce, abedul, caoba) resultaron inadecuadas para los bordes de ataque de las aletas. Exhibieron una pérdida de masa sustancial (62%–73%) y una severa degradación geométrica. La naturaleza anisotrópica de la madera, particularmente la diferencia entre la madera temprana y la tardía y la orientación de los radios de la madera, provocó una combustión desigual, una geometría irregular del borde de ataque y desintegración estructural.
• Rendimiento de los Materiales de Fibra de Madera: Los materiales de fibra de madera demostraron un rendimiento significativamente mejor que las maderas sólidas, con pérdidas de masa que oscilaron entre el 36% y el 47%, y pérdidas de área de la sección transversal entre el 18% y el 38%.
  • Superioridad del TPSea-C: El material TPSea-C emergió como el candidato más prometedor. Exhibió la menor pérdida de masa (aprox. 36–40%) y la mayor estabilidad dimensional. El material mantuvo un contorno de borde de ataque recto y puntiagudo durante toda la prueba, a diferencia de las formas romas e irregulares formadas por las maderas sólidas.
  • Mecanismo de Protección: El rendimiento superior del TPSea-C se atribuye a su homogeneidad y a la presencia de fibras de posidonia. Las sales naturales y el contenido mineral en la posidonia (por ejemplo, cloruro de sodio, arena de cuarzo) actúan como retardantes de llama naturales, formando un depósito rico en minerales y de color claro en la superficie que ralentiza la descomposición. Esto resultó en una capa de carbón porosa, más gruesa y estructuralmente intacta en comparación con otros materiales.
• Propiedades Térmicas: Los materiales de fibra de madera mostraron una baja conductividad térmica (0.225–0.353 W/mK) y una alta capacidad calorífica específica (1446–1493 J/kgK). Estas propiedades sugieren un aislamiento efectivo, reduciendo la transferencia de calor a la estructura de la aleta subyacente en comparación con la aleación de acero (CM 2) y siendo comparable o superior al compuesto fenólico (CM 1) en términos de resistencia térmica.
• Densidad y Ahorro de Masa: Con una densidad de 0.89 g/cm³, el TPSea-C ofrece un potencial de reducción de masa significativo en comparación con el compuesto de fibra de vidrio fenólico (CM 1, 2.0 g/cm³) y el acero (CM 2, 7.9 g/cm³), lo que podría reducir la masa total de la estructura del cohete de sondeo.

Significación y Reivindicaciones
El artículo sostiene que, si bien la madera sólida sin tratar no es un material viable para los componentes estructurales primarios de los cohetes de sondeo debido a su alta degradación térmica, los materiales de fibra de madera de ingeniería muestran una promesa considerable. Específicamente, el material TPSea-C, desarrollado en la TUD, demuestra el potencial de servir como una alternativa sostenible para los bordes de ataque de las aletas.

El estudio posiciona estos hallazgos como un paso fundacional hacia una "bioeconomía en el espacio". Al sustituir los componentes de un solo uso por materiales renovables y de base biológica que pueden optimizarse para la protección térmica, la investigación busca reducir el impacto ambiental de los sistemas espaciales y disminuir las emisiones de CO2 asociadas con la producción y eliminación de materiales. Los autores enfatizan que, aunque el TPSea-C aún no cumple plenamente con todos los requisitos para la certificación de vuelo inmediata sin una optimización adicional (como la adaptación de la geometría para distribuir las cargas térmicas), representa un potencial de innovación viable para el vuelo espacial sostenible. Los resultados también sugieren una aplicabilidad más amplia para estos materiales en componentes con menor estrés térmico (por ejemplo, aislamiento, amortiguadores de vibración) y en otras industrias de alta temperatura como la construcción y la aviación.