Quantification of RTV Intumescence using X-ray Imaging

जब अंतरिक्ष यान किसी ग्रह के वायुमंडल में प्रवेश करते हैं, तो उनके सामने की हवा इतनी तीव्रता से संकुचित होती है कि वह एक दहकते हुए प्लाज्मा में बदल जाती है, जिससे वाहन की सतह का तापमान इतना बढ़ जाता है कि स्टील भी पिघल सकता है। इससे बचने के लिए, इंजीनियर इन वाहनों को एक थर्मल प्रोटेक्शन सिस्टम (तापीय सुरक्षा प्रणाली) से लपेटते हैं, जो विशेष टाइल्स से बना एक कवच होता है जिसे उस तीव्र ऊष्मा को सोखने और बाहर निकालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। हालाँकि, इन टाइल्स को किनारों से सटाकर नहीं रखा जा सकता; उन्हें सामग्रियों के गर्म होने और ठंडा होने पर विस्तार और संकुचन की अनुमति देने के लिए छोटे अंतराल (गैप) के साथ अलग रखा जाना चाहिए। इन अंतरालों को 'रूम-टेम्परेचर वल्केनाइजिंग सिलिकॉन' नामक एक नरम, रबर जैसे सीलेंट से भरा जाता है। यह सामग्री एक लचीले गोंद की तरह कार्य करती है, जो टाइल्स को उनकी जगह पर बनाए रखती है और अत्यधिक गर्म हवा को दरारों से रिसने से रोकती है। समस्या यह है कि जब यह सिलिकॉन बहुत अधिक गर्म हो जाता है, तो यह केवल वहीं स्थिर नहीं रहता; यह रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करता है, गैसें छोड़ता है और बढ़ती हुई ब्रेड के लोफ की तरह बाहर की ओर फूल जाता है। यदि यह सूजन बहुत अधिक हो जाती है, तो सामग्री हवा के प्रवाह में घुस सकती है, जिससे हवा की उस चिकनी परत में व्यवधान उत्पन्न होता है जो अंतरिक्ष यान की रक्षा करती है, और इससे और भी अधिक ऊष्मा जमा होने लगती है, जिससे संभावित रूप से विफलता (फेलियर) हो सकती है।

वैज्ञानिक लंबे समय से जानते थे कि यह सूजन, या 'इंटुमेसेंस' (intumescence), होती है, लेकिन वे यह समझने में संघर्ष कर रहे थे कि गर्म होने के दौरान सामग्री के भीतर वास्तव में यह प्रक्रिया कैसे होती है। इस छिपी हुई प्रक्रिया को समझने के लिए, यूनिवर्सिटी ऑफ इलिनोइस और लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सिलिकॉन को आकार बदलते हुए वास्तविक समय में देखने का निर्णय लिया। उन्होंने एक शक्तिशाली एक्स-रे मशीन का उपयोग किया, जो अस्पतालों में उपयोग की जाने वाली मशीनों के समान है लेकिन बहुत अधिक तीव्र है, ताकि सामग्री को गर्म करते समय उसके हजारों त्रि-आयामी (3D) चित्र लिए जा सकें। इन चित्रों को रासायनिक विश्लेषण के साथ जोड़कर, वे ट्रैक करने में सक्षम हुए कि विभिन्न स्थितियों के तहत रबर कैसे बुलबुले बनाता है, फटता है और सिकुड़ता है, जिससे यह पता चला कि सामग्री कितनी तेजी से गर्म होती है और उसके आसपास का वातावरण नाटकीय रूप से यह निर्धारित करता है कि वह कितना फूलेगा।

शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन के रासायनिक टूटने का अध्ययन करके शुरुआत की। उन्होंने एक नियंत्रित वातावरण में छोटे नमूनों को गर्म किया और सामग्री के विघटित होने पर निकलने वाली गैसों को मापा। उन्होंने पाया कि सिलिकॉन एक बार में पूरी तरह से विघटित नहीं होता है। इसके बजाय, तापमान बढ़ने के साथ यह कई अलग-अलग चरणों से गुजरता है। सबसे पहले, यह फंसी हुई नमी और हवा को छोड़ता है। फिर, जैसे-जैसे गर्मी बढ़ती है, रबर बनाने वाली लंबी आणविक श्रृंखलाएं टूटने लगती हैं, जिससे भारी गैसें निकलती हैं और पीछे एक सरंध्र (पोरस), कार्बन-समृद्ध चार (char) बच जाता है। सामग्री को कितनी तेजी से गर्म किया जा रहा है, यह अत्यंत महत्वपूर्ण है। जब इसे धीरे-धीरे गर्म किया जाता है, तो गैसों के पास सामग्री में बनने वाली छोटी दरारों के माध्यम से निकलने का समय होता है, जिससे सिलिकॉन सूजन के बाद वापस सिकुड़ जाता है। लेकिन जब गर्मी तेजी से लगाई जाती है, जो कि किसी ग्रह के वायुमंडल में प्रवेश करने की स्थितियों की नकल करती है, तो गैसें अंदर ही फंस जाती हैं। यह फंसा हुआ दबाव तेजी से बढ़ता है, जिससे सामग्री उतनी अधिक फैल जाती है जितनी वह धीमी स्थितियों में फैलती।

इस विस्तार को देखने के लिए, टीम ने सिलिकॉन के नमूनों को एक विशेष चैंबर में रखा और उन्हें गर्म करते हुए एक्स-रे चित्र लिए। प्रयोगों के एक सेट में, उन्होंने नमूनों को धीरे-धीरे गर्म किया और हर मिनट तीन-आयामी स्कैन लिए। उन्होंने देखा कि सामग्री पहले साधारण तापीय विस्तार के कारण थोड़ा फैलती है, फिर रबर के भीतर बंद पॉकेट्स में गैस बनने के कारण काफी फूल जाती है। अंततः, जैसे ही सामग्री में दरारें और छिद्र विकसित होते हैं, ये गैसें बाहर निकल जाती हैं, और नमूना वापस सिकुड़ जाता है। हालाँकि, जब उन्होंने नमूने को इस तरह सीमित किया कि वह केवल एक दिशा में ही फैल सके, तो वह और भी अधिक फूल गया और अधिक धीरे सिकुड़ा, क्योंकि गैसें आसानी से बाहर नहीं निकल सकीं। इसने पुष्टि की कि सामग्री का भौतिक आकार और उसे कैसे पकड़ा गया है, यह इस बात में बड़ी भूमिका निभाता है कि वह ऊष्मा के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है।

इसके बाद टीम ने वास्तविक अंतरिक्ष उड़ान से संबंधित अधिक चरम स्थितियों की ओर रुख किया, जिसमें नमों को पहले की तुलना में बहुत तेज दर से गर्म किया गया, जो प्रति मिनट लगभग दो हजार डिग्री सेल्सियस तक पहुँच गई। इन तीव्र परीक्षणों में, उन्होंने एक नाटकीय अंतर देखा। सिलिकable वापस सिकुड़ने से पहले, सिलिकॉन अपने मूल आकार से दोगुने से अधिक ऊंचाई तक फूल गया। उन्होंने उन नमूनों का भी परीक्षण किया जिन्हें फंसी हुई हवा और पानी को हटाने के लिए प्री-ट्रीट (पूर्व-उपचारित) किया गया था। आश्चर्यजनक रूप से, ये "डीगैस्ड" (गैस मुक्त) नमूने अनुपचारित नमूनों की तुलना में और भी अधिक फूले। यह विरोधाभासी परिणाम इसलिए हुआ क्योंकि अनुपचारित नमूनों में गैस निकलने के लिए पहले से ही छोटे खुले मार्ग मौजूद थे, जबकि डीगैस्ड नमूनों में गैस निकलने के रास्ते कम थे, जिससे आंतरिक दबाव उच्च स्तर तक बढ़ गया, इससे पहले कि सामग्री अंततः फटती और गैस छोड़ती।

सामग्री के आसपास का वातावरण भी परिणाम को बदल देता है। जब शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन को आर्गन जैसी अक्रिय गैस के बजाय हवा में गर्म किया, तो नमूने की सतह पर एक कठोर, कांच जैसी परत बन गई। इस परत ने एक त्वचा की तरह काम किया, जिसने गैसों को अंदर फँसा दिया और सामग्री को सूजन के बाद वापस सिकुड़ने से रोक दिया। परिणामस्वरूप, हवा में रखे नमूने फूले हुए और कठोर बने रहे, जबकि अक्रिय गैस में रखे नमूने अंततः सिकुड़ गए। यह खोज बताती है कि वायुमंडल में ऑक्सीजन के साथ होने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया वास्तविक मिशन के दौरान सीलेंट के व्यवहार को महत्वपूर्ण रूप से बदल सकती है।

अंत में, शोधकर्ताओं ने यह देखा कि सिलिकॉन तब कैसा व्यवहार करता है जब वह केवल एक कंटेनर में नहीं होता, बल्कि वास्तव में उन सरंध्र टाइल्स से जुड़ा होता है जिनकी वह रक्षा करने के लिए बनाया गया है। उन्होंने कार्बन-फाइबर टाइल और एक समान सरंध्र सामग्री के छोटे छेदों में तरल सिलिकॉन को भिगोया और फिर उसे सख्त होने दिया। जब उन्होंने इन जुड़े हुए नमूनों को गर्म किया, तो स्वतंत्र नमूनों की तुलना में सूजन बहुत कम थी। सरंध्र टाइल ने एक स्पंज की तरह काम किया, जिसने उन गैसों को सोख लिया जिन्हें सिलिकॉन छोड़ने की कोशिश कर रहा था और उन्हें बाहर निकलने का रास्ता प्रदान किया। इस "पोरस रिलीफ" (सरंध्र राहत) ने आंतरिक दबाव को कम रखा, जिससे अन्य परीक्षणों में देखी गई नाटकीय सूजन को रोका जा सका। यह अंतरिक्ष यान डिजाइन के लिए एक महत्वपूर्ण खोज है, क्योंकि यह सुझाव देता है कि सीलेंट टाइल्स के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, वह स्वाभाविक रूप से सूजन को सीमित कर सकता है और हीट शील्ड को सुरक्षित रख सकता है।

एक्स-रे छवियों को रासायनिक डेटा के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट तस्वीर बनाई कि यह महत्वपूर्ण सीलेंट वायुमंडलीय प्रवेश के तनाव के तहत कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने पाया कि सूजन का मुख्य कारण फंसी हुई गैसें हैं जो तब दबाव बनाती हैं जब सामग्री इतनी तेजी से गर्म होती है कि गैसें बाहर नहीं निकल पातीं। इस सूजन की सीमा इस बात पर निर्भर करती है कि ऊष्मा कितनी तेजी से लगाई जाती है, क्या सामग्री को हवा/पानी हटाने के लिए पूर्व-उपचारित किया गया है, और क्या यह एक सरंध्र सतह से जुड़ा है जो गैसों को बाहर निकालने में मदद कर सकती है। ये अंतर्दृष्टि इंजीनियरों को यह अनुमान लगाने के लिए आवश्यक डेटा प्रदान करती हैं कि भविष्य के मिशनों के दौरान सीलेंट कैसा व्यवहार करेगा, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि हीट शील्ड टाइल्स के बीच के अंतराल एक नई दुनिया में प्रवेश करते समय अत्यधिक गर्मी के बावजूद सुरक्षित रहें।