Quantification of RTV Intumescence using X-ray Imaging

Cuando las naves espaciales se sumergen en la atmósfera de un planeta, el aire frente a ellas se comprime tan violentamente que se convierte en un plasma abrasador, calentando la superficie del vehículo a temperaturas que pueden fundir el acero. Para sobrevivir a esto, los ingenieros envuelven estos vehículos en un sistema de protección térmica, una carcasa hecha de baldosas especiales diseñadas para absorber y desprender ese calor intenso. Sin embargo, estas baldosas no pueden colocarse borde con borde; deben estar separadas por pequeñas brechas para permitir la expansión y contracción de los materiales a medida que se calientan y se enfrían. Estas brechas se rellenan con un sellador suave, de aspecto gomoso, conocido como silicona de vulcanización a temperatura ambiente. Este material actúa como un pegamento flexible, manteniendo las baldosas en su lugar y evitando que el aire sobrecalentado se filtre a través de las grietas. El problema es que cuando esta silicona se calienta demasiado, no se queda simplemente allí; reacciona químicamente, liberando gases y expandiéndose hacia afuera como una masa de pan que sube. Si este hinchamiento se vuelve demasiado grande, el material puede introducirse en el flujo de aire, perturbando la capa suave de aire que protege a la nave espacial y provocando que se acumule aún más calor, lo que podría conducir a un fallo.

Los científicos han sabido durante mucho tiempo que este hinchamiento, o intumescencia, ocurre, pero han tenido dificultades para ver exactamente cómo ocurre dentro del material mientras este se calienta. Para comprender este proceso oculto, un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley decidió observar cómo la silicona cambia de forma en tiempo real. Utilizaron una potente máquina de rayos X, similar a las que se usan en los hospitales pero mucho más intensa, para tomar miles de imágenes tridimensionales del material mientras se calentaba. Al combinar estas imágenes con el análisis químico, pudieron rastrear cómo la goma burbujeaba, se agrietaba y se encogía bajo diferentes condiciones, revelando que la velocidad a la que el material se calienta y el entorno que lo rodea cambian drásticamente cuánto se hincha.

Los investigadores comenzaron estudiando la descomposición química de la silicona. Calentaron pequeñas muestras en un entorno controlado y midieron los gases que escapaban a medida que el material se descomponía. Descubrieron que la silicona no se descompone de golpe. En cambio, pasa por varias etapas distintas a medida que aumenta la temperatura. Primero, libera agua y aire atrapados. Luego, a medida que el calor se intensifica, las largas cadenas moleculares que componen la goma comienzan a romperse, liberando gases más pesados y dejando atrás un residuo carbonoso poroso. La velocidad a la que se calienta el material importa inmensamente. Cuando se calienta lentamente, los gases tienen tiempo de escapar a través de diminutas grietas que se forman en el material, permitiendo que la silicona se encoja de nuevo tras su hinchamiento. Pero cuando el calor se aplica rápidamente, imitando las condiciones de una nave espacial al entrar en la atmósfera de un planeta, los gases quedan atrapados. Esta presión atrapada aumenta rápidamente, obligando al material a expandirse mucho más de lo que lo haría bajo condiciones de calentamiento más lento.

Para visualizar esta expansión, el equipo colocó muestras de la silicona dentro de una cámara especial y las calentó mientras tomaba imágenes de rayos X. En un conjunto de experimentos, calentaron las muestras lentamente, realizando escaneos tridimensionales cada minuto. Observaron que el material primero se expandía ligeramente debido a la simple expansión térmica, luego se hinchaba significamente a medida que se formaban gases dentro de bolsas cerradas en la goma. Finalmente, a medida que el material desarrollaba grietas y poros, estos gases escapaban y la muestra se encogía de nuevo. Sin embargo, cuando restringieron la muestra para que solo pudiera expandirse en una dirección, esta se hinchó aún más y se encogió más lentamente, porque los gases no podían escapar tan fácilmente. Esto confirmó que la forma física del material y cómo se mantiene en su lugar juegan un papel importante en cómo reacciona al calor.

El equipo pasó entonces a las condiciones más extremas relevantes para un vuelo espacial real, calentando muestras a ritmos mucho más rápidos que antes, alcanzando temperaturas que aumentan casi dos mil grados Celsius por minuto. En estas pruebas rápidas, observaron una diferencia dramática. La silicona se hinchó a más del doble de su altura original antes de poder encogerse. También probaron muestras que habían sido pretratadas para eliminar el aire y el agua atrapados. Sorprendentemente, estas muestras "desgasificadas" se hincharon incluso más que las no tratadas. Este resultado contraintuitivo ocurrió porque las muestras no tratadas ya tenían diminutas vías abiertas para que el gas escapara, mientras que las muestras desgasificadas tenían menos rutas de escape, lo que causó que la presión interna aumentara a niveles más altos antes de que el material finalmente se agrietara y liberara el gas.

El entorno que rodea al material también cambió el resultado. Cuando los investigadores calentaron la silicona en aire en lugar de en un gas inerte como el argón, una capa dura y vítrea se formó en la superficie de la muestra. Esta capa actuó como una piel, atrapando los gases en el interior y evitando que el material se encogiera después de haberse hinchado. Como resultado, las muestras en aire permanecieron hinchadas y rígidas, mientras que aquellas en el gas inerte finalmente se encogieron. Este hallazgo sugiere que la reacción química con el oxígeno en la atmósfera puede alterar significativamente cómo se comporta el sellador durante una misión real.

Finalmente, los investigadores observaron cómo se comporta la silicona cuando no está simplemente sentada en un contenedor, sino que está realmente adherida a las baldosas porosas que debe proteger. Empaparon la silicona líquida en los diminutos agujeros de una baldosa de fibra de carbono y de un material poroso similar antes de dejarla endurecer. Cuando calentaron estas muestras adheridas, el hinchamiento fue mucho menor que en las muestras independientes. La baldosa porosa actuó como una esponja, absorbiendo los gases que la silicona intentaba liberar y proporcionando una vía para que estos escaparan. Este "alivio por porosidad" mantuvo la presión interna más baja, evitando el dramático hinchamiento visto en las otras pruebas. Este es un descubrimiento crucial para el diseño de naves espaciales, ya que sugiere que la forma en que el sellador interactúa con las baldosas a las que se adhiere puede limitar naturalmente el hinchamiento y mantener seguro el escudo térmico.

Al combinar estas imágenes de rayos X con datos químicos, los investigadores construyeron una imagen clara de cómo se comporta este sellador vital bajo el estrés de la entrada atmosférica. Descubrieron que el hinchamiento es impulsado por gases atrapados que acumulan presión cuando el material se calienta demasiado rápido para permitir que escapen. La magnitud de este hinchamiento depende de qué tan rápido se aplica el calor, si el material ha sido pretratado para eliminar el aire y si está adherido a una superficie porosa que pueda ayudar a ventilar los gases. Estos conocimientos proporcionan a los ingenieros los datos necesarios para predecir cómo se comportará el sellador en futuras misiones, asegurando que los espacios entre las baldosas del escudo térmico permanezcan seguros incluso cuando la nave espacial se enfrente al calor extremo de entrar en un nuevo mundo.