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

Sintesi Tecnica: Materiali a base di Legno e Fibre di Posidonia per la Protezione Termica di Razzi Sonde

Definizione del Problema
L'industria spaziale si sta spostando sempre più verso carichi utili più piccoli e lanci più frequenti, il che richiede un consumo maggiore di risorse materiali. Attualmente, la maggior parte dell'hardware dei veicoli di lancio è progettata come componenti monouso per dare priorità a costi ed efficienza, portando a un significativo spreco di risorse e a un impatto ambientale rilevante. Mentre l'Agenzia Spaziale Europea (ESA) promuove una "Agenda Verde" per ridurre l'impronta ambientale dei sistemi spaziali, lo sviluppo di materiali sostenibili per i componenti usa e getta rimane limitato. Nello specifico, i bordi d'attacco delle pinne stabilizzatrici dei razzi sonda sono sottoposti a carichi termici e meccanici estremi. Le soluzioni attuali, come le leghe di acciaio ad alta temperatura o i compositi rinforzati con fibra di vetro fenolica, spesso mancano di proprietà di leggerezza ottimali o di sostenibilità ambientale. Vi è la necessità di investigare materiali rinnovabili e bio-based che possano fungere da Sistemi di Protezione Termica (TPS) per questi componenti ad alto stress e monouso, allineandosi ai principi dell'economia circolare (specificamente alle gerarchie "Riciclo" e "Rifiuto") utilizzando materiali che possano biodegradarsi o tornare alla natura dopo la loro vita utile.

Metodologia
Lo studio, condotto dalla Technische Universität Dresden (TUD) in collaborazione con il Centro Aerospaziale Tedesco (DLR), mirava a valutare l'applicabilità di materiali a base di legno e fibre di posidonia come TPS per i bordi d'attacco delle pinne dei razzi sonda. La ricerca ha seguito un processo sistematico di screening e test:

1. Definizione dei Requisiti: Lo studio ha stabilito requisiti generali, opzionali e aggiuntivi per i bordi d'attacco delle pinne bio-based, confrontandoli con i materiali esistenti: un composito di fibra di vetro fenolica (CM 1) e una lega di acciaio ad alta temperatura (CM 2). I requisiti chiave includevano l'operatività fail-safe, l'integrità strutturale sotto carichi termici, la bassa massa e la stabilità geometrica.
2. Screening dei Materiali: Una vasta gamma di materiali è stata selezionata, inclusi legni massicci nativi non trattati (quercia, betulla, larice, mogano) e compositi di fibra di legno. I materiali fibrosi includevano un materiale a base di legno industriale (I-WBM) e varianti sviluppate dalla TUD (TPSea-0, TPSea-1 e TPSea-C). In particolare, il TPSea-C è un nuovo composito contenente fibre di legno, fibre di posidonia (Zostera marina) e un ritardante di fiamma bio-based.
3. Test Preliminari: Lo screening iniziale ha comportato test preliminari nel tunnel del vento ad arco riscaldato L2K e nell'Analisi Termogravimetrica (TGA). La TGA è stata utilizzata per determinare la perdita di massa, la resa di carbonizzazione (char yield) e il comportamento pirolitico in atmosfera di azoto fino a 1000°C.
4. Test nel Tunnel del Vento: I materiali selezionati sono stati sottoposti a rigorosi test nel tunnel del vento ad arco riscaldato DLR L2K. Le condizioni di test hanno simulato il carico termico massimo della traiettoria di volo STORT (circa 41,5 km di altitudine, Mach 8,6), utilizzando una miscela di gas composta da 96% di azoto e 4% di aria per approssimare le condizioni di volo pur gestendo gli effetti di non-equilibrio chimico. I test sono durati 120 secondi.
5. Analisi Post-Test: Le prestazioni dei materiali sono state valutate attraverso tre metriche primarie:
   • Analisi della Massa: Misurazione della perdita di massa rispetto alla massa originale.
   • Analisi della Sezione Trasversale: Utilizzo di ImageJ per quantificare l'area della sezione trasversale intatta, l'area massima della sezione trasversale (inclusa la parte carbonizzata) e l'area originale.
   • Analisi del Contorno: Scansione della geometria superficiale prima e dopo il test per valutare la stabilità dimensionale e la degradazione geometrica.

Contributi Chiave e Risultati
Lo studio fornisce una valutazione comparativa tra materiali a base di fibre naturali e materiali aerospaziali tradizionali sotto carichi termici ipersonici:

• Prestazioni del Legno Massiccio: I legni massicci non trattati (quercia, larice, betulla, mogano) si sono rivelati inadatti per i bordi d'attacco delle pinne. Hanno mostrato una perdita di massa sostanziale (62%–73%) e una grave degradazione geometrica. La natura anisotropa del legno, in particolare la differenza tra legno primario e secondario e l'orientamento dei raggi del legno, ha portato a una combustione irregolare, una geometria del bordo d'attacco irregolare e una disgregazione strutturale.
• Prestazioni dei Materiali in Fibra di Legno: I materiali in fibra di legno hanno dimostrato prestazioni significativamente migliori rispetto ai legni massicci, con perdite di massa comprese tra il 36% e il 47% e perdite di area della sezione trasversale tra il 18% e il 38%.
  • Superiorità del TPSea-C: Il materiale TPSea-C è emerso come il candidato più promettente. Ha esibito la perdita di massa più bassa (circa 36–40%) e la più alta stabilità dimensionale. Il materiale ha mantenuto un contorno del bordo d'attacco dritto e appuntito durante tutto il test, a differenza delle forme smussate e irregolari formate dai legni massicci.
  • Meccanismo di Protezione: La prestazione superiore del TPSea-C è attribuita alla sua omogeneità e alla presenza di fibre di posidonia. I sali naturali e il contenuto minerale della posidonia (ad esempio, cloruro di sodio, sabbia di quarzo) agiscono come ritardanti di fiamma naturali, formando un deposito chiaro e ricco di minerali sulla superficie che rallenta la decomposizione. Ciò ha prodotto uno strato di carbonizzazione (char) poroso, più spesso e strutturalmente intatto rispetto agli altri materiali.
• Proprietà Termiche: I materiali in fibra di legno hanno mostrato una bassa conducibilità termica (0,225–0,353 W/mK) e un'elevata capacità termica specifica (1446–1493 J/kgK). Queste proprietà suggeriscono un isolamento efficace, riducendo il trasferimento di calore alla struttura sottostante della pinna rispetto alla lega di acciaio (CM 2) e risultando paragonabili o superiori al composito fenolico (CM 1) in termini di resistenza termica.
• Densità e Risparmio di Massa: Con una densità di 0,89 g/cm³, il TPSea-C offre un potenziale di riduzione della massa significativo rispetto al composito di fibra di vetro fenolica (CM 1, 2,0 g/cm³) e all'acciaio (CM 2, 7,9 g/cm³), riducendo potenzialmente la massa complessiva della struttura del razzo sonda.

Significato e Rivendicazioni
Il documento sostiene che, sebbene il legno massiccio non trattato non sia un materiale idoneo per i componenti strutturali primari dei razzi sonda a causa dell'elevata degradazione termica, i materiali in fibra di legno ingegnerizzati mostrano un notevole potenziale. In particolare, il materiale TPSea-C, sviluppato presso la TUD, dimostra il potenziale per servire come alternativa sostenibile per i bordi d'attacco delle pinne.

Lo studio posiziona questi risultati come un passo fondamentale verso una "bioeconomia nello spazio". Sostituendo i componenti monouso con materiali rinnovabili e bio-based che possono essere ottimizzati per la protezione termica, la ricerca mira a ridurre l'impatto ambientale dei sistemi spaziali e a diminuire le emissioni di CO2 associate alla produzione e allo smaltimento dei materiali. Gli autori sottolineano che, sebbene il TPSea-C non soddisfi ancora pienamente tutti i requisiti per la certificazione di volo immediata senza un'ulteriore ottimizzazione (come l'adattamento della geometria per distribuire i carichi termici), esso rappresenta un potenziale di innovazione vitale per un volo spaziale sostenibile. I risultati suggeriscono inoltre una più ampia applicabilità di questi materiali per componenti meno sollecitati termicamente (ad esempio, isolamento, smorzatori di vibrazioni) e in altre industrie ad alta temperatura come l'edilizia e l'aviazione.