Quantification of RTV Intumescence using X-ray Imaging

Quando le navicelle spaziali si tuffano nell'atmosfera di un pianeta, l'aria davanti a loro si comprime così violentemente da trasformarsi in un plasma rovente, riscaldando la superficie del veicolo a temperature che possono fondere l'acciaio. Per sopravvivere a questo, gli ingegneri avvolgono questi veicoli in un sistema di protezione termica, un guscio fatto di speciali piastrelle progettate per assorbire e dissipare quel calore intenso. Tuttavia, queste piastrelle non possono essere posizionate l'una contro l'altra; devono essere separate da piccoli spazi per consentire l'espansione e la contrazione dei materiali mentre si riscaldano e si raffreddano. Questi spazi sono riempiti con un sigillante morbido, simile alla gomma, noto come silicone vulcanizzato a temperatura ambiente. Questo materiale agisce come una colla flessibile, tenendo in posizione le piastrelle e impedendo all'aria surriscaldata di filtrare attraverso le crepe. Il problema è che quando questo silicone diventa troppo caldo, non si limita a stare lì fermo; reagisce chimicamente, rilasciando gas e gonfiandosi verso l'esterno come un pane che lievita. Se questo rigonfiamento diventa troppo grande, il materiale può protendersi nel flusso d'aria, interrompendo lo strato fluido d'aria che protegge la navicella e causando un ulteriore accumulo di calore, portando potenzialmente al guasto.

Gli scienziati sapevano da tempo che questo rigonfiamento, o intumescenza, accade, ma hanno faticato a capire esattamente come avvenga all'interno del materiale mentre viene riscaldato. Per comprendere questo processo nascosto, un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois e del Laboratorio Nazionale di Lawrence Berkeley ha deciso di osservare il silicone che cambia forma in tempo reale. Hanno utilizzato una potente macchina a raggi X, simile a quelle usate negli ospedali ma molto più intensa, per scattare migliaia di immagini tridimensionali del materiale mentre veniva riscaldato. Combinando queste immagini con l'analisi chimica, sono stati in grado di tracciare come la gomma sbuffasse, si crepasse e si restringesse sotto diverse condizioni, rivelando che la velocità con cui il materiale si riscalda e l'ambiente circostante cambiano drasticamente quanto esso si gonfia.

I ricercatori hanno iniziato studiando la decomposizione chimica del silicone. Hanno riscaldato piccoli campioni in un ambiente controllato e misurato i gas che uscivano mentre il materiale si decomponeva. Hanno scoperto che il silicone non si decompone tutto in una volta. Invece, attraversa diverse fasi distinte man mano che la temperatura sale. Prima, rilascia acqua e aria intrappolate. Poi, man mano che il calore si intensifica, le lunghe catene molecolari che compongono la gomma iniziano a spezzarsi, rilasciando gas più pesanti e lasciando dietro di sé un residuo carbonioso poroso. La velocità con cui il materiale viene riscaldato conta moltissimo. Quando riscaldato lentamente, i gas hanno il tempo di uscire attraverso minuscole crepe che si formano nel materiale, permettendo al silicone di restringersi dopo essersi gonfiato. Ma quando il calore viene applicato rapidamente, simulando le condizioni di una navicella che entra nell'atmosfera di un pianeta, i gas rimangono intrappolati. Questa pressione intrappolata aumenta rapidamente, costringendo il materiale a espandersi molto più di quanto farebbe in condizioni di riscaldamento più lento.

Per visualizzare questa espansione, il team ha inserito campioni di silicone all'interno di una speciale camera e li ha riscaldati effettuando immagini a raggi X. In un set di esperimenti, hanno riscaldato i campioni lentamente, scansionando in tre dimensioni ogni minuto. Hanno visto che il materiale prima si espandeva leggermente a causa della semplice espansione termica, poi si gonfiava significativamente a causa dei gas che si formavano all'interno di sacche chiuse nella gomma. Infine, man mano che il materiale sviluppava crepe e pori, questi gas uscivano e il campione si restringeva nuovamente. Tuttavia, quando hanno vincolato il campione in modo che potesse espandersi in una sola direzione, esso si è gonfiato ancora di più e si è ristretto più lentamente, perché i gas non potevano uscire facilmente. Ciò ha confermato che la forma fisica del materiale e il modo in cui viene trattenuto giocano un ruolo fondamentale nella sua reazione al calore.

Il team si è poi concentrato sulle condizioni più estreme rilevanti per il vero volo spaziale, riscaldando i campioni a velocità molto più elevate rispetto in precedenza, raggiungendo temperature che salgono di quasi duemila gradi Celsius al minuto. In questi test rapidi, hanno osservato una differenza drammatica. Il silicone si è gonfiato per più del doppio della sua altezza originale prima di riuscire a restringersi. Hanno anche testato campioni che erano stati pre-trattati per rimuovere l'aria e l'acqua intrappolate. Sorprendentemente, questi campioni "degassati" si sono gonfiati ancora di più rispetto a quelli non trattati. Questo risultato controintuitivo è accaduto perché i campioni non trattati avevano già minuscole vie aperte per la fuga dei gas, mentre i campoli degassati avevano meno vie di uscita, causando un aumento della pressione interna a livelli più elevati prima che il materiale finalmente si crepasse e rilasciasse il gas.

L'ambiente circostante il materiale cambiava l'esito. Quando i ricercatori hanno riscaldato il silicone in aria invece che in un gas inerte come l'argon, uno strato duro e vetroso si è formato sulla superficie del campione. Questo strato ha agito come una pelle, intrappolando i gas all'interno e impedendo al materiale di restringersi dopo il rigonfiamento. Di conseguenza, i campioni in aria sono rimasti gonfi e rigidi, mentre quelli nel gas inerte si sono infine ristretti. Questa scoperta suggerisce che la reazione chimica con l'ossigeno nell'atmosfera possa alterare significativamente il comportamento del sigillante durante una missione reale.

Infine, i ricercatori hanno osservato come si comporta il silicone quando non è solo appoggiato in un contenitore, ma è effettivamente incollato alle piastrelle porose che deve proteggere. Hanno imbevuto il silicone liquido nei piccoli fori di una piastrella in fibra di carbonio e di un materiale poroso simile prima di lasciare che si indurisse. Quando hanno riscaldato questi campioni legati, il rigonfiamento è stato molto minore rispetto ai campioni liberi. La piastrella porosa ha agito come una spugna, assorbendo i gas che il silicone cercava di rilasciare e fornendo loro una via d'uscita. Questo "rilascio poroso" ha mantenuto la pressione interna più bassa, impedendo il drammatico rigonfiamento visto negli altri test. Questa è una scoperta cruciale per la progettazione di astronavi, poiché suggerisce che il modo in cui il sigillante interagisce con le piastrelle a cui è legato può naturalmente limitare il rigonfiamento e mantenere sicuro lo scudo termico.

Combinando queste immagini a raggi X con i dati chimici, i ricercatori hanno costruito un quadro chiaro di come questo sigillante vitale si comporti sotto lo stress dell'ingresso atmosferico. Hanno scoperto che il rigonfiamento è guidato dai gas intrappolati che accumulano pressione quando il materiale si riscalda troppo velocemente per permettere loro di uscire. L'entità di questo rigonfiamento dipende da quanto velocemente viene applicato il calore, se il materiale è stato pre-trattato per rimuovere l'aria e se è legato a una superficie porosa che può aiutare a sfogare i gas. Queste intuizioni forniscono agli ingegneri i dati necessari per prevedere come si comporterà il sigillante durante le future missioni, garantendo che gli spazi tra le piastrelle dello scudo termico rimangano sicuri anche quando la navicella affronta il calore estremo dell'ingresso in un nuovo mondo.