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

Resumo Técnico: Materiais à Base de Madeira e Fibras de Capim-Mar para Proteção Térmica de Foguetes de Sondagem

Definição do Problema
A indústria espacial está a transitar cada vez mais para cargas úteis menores e lançamentos mais frequentes, o que exige um maior consumo de recursos materiais. Atualmente, a maioria do hardware dos veículos de lançamento é concebida como componentes de uso único para priorizar o custo e a eficiência, levando a um desperdício significativo de recursos e impacto ambiental. Embora a Agência Espacial Europeia (ESA) promova uma "Agenda Verde" para reduzir a pegada ambiental dos sistemas espaciais, o desenvolvimento de materiais sustentáveis para componentes descartáveis permanece limitado. Especificamente, as bordas de ataque das aletas de estabilização de foguetes de sondagem são submetidas a cargas térmicas e mecânicas extremas. As soluções atuais, como ligas de aço de alta temperatura ou compósitos reforçados com fibra de vidro fenólico, carecem frequentemente de propriedades de peso otimizadas ou de sustentabilidade ambiental. Existe a necessidade de investigar materiais renováveis e de base biológica que possam servir como Sistemas de Proteção Térmica (TPS) para estes componentes de alto stress e uso único, alinhando-se com os princípios da economia circular (especificamente as hierarquias de "Reciclar" e "Recusar") através da utilização de materiais que possam biodegradar-se ou retornar à natureza após a sua vida útil.

Metodologia
O estudo, realizado pela Universidade Tecnológica de Dresden (TUD) em colaboração com o Centro Aeroespacial Alemão (DLR), visou avaliar a aplicabilidade de materiais à base de madeira e fibras de capim-mar como TPS para as bordas de ataque das aletas de foguetes de sondagem. A investigação seguiu um processo sistemático de triagem e teste:

1. Definição de Requisitos: O estudo estabeleceu requisitos gerais, opcionais e adicionais para bordas de ataque de aletas de base biológica, comparando-os com materiais existentes: um compósito de fibra de vidro fenólico (CM 1) e uma liga de aço de alta temperatura (CM 2). Os requisitos principais incluíram operação à prova de falhas (fail-safe), integridade estrutural sob cargas térmicas, baixa massa e estabilidade geométrica.
2. Triagem de Materiais: Uma gama diversificada de materiais foi selecionada, incluindo madeiras nativas sólidas não tratadas (carvalho, bétula, lariço, mogno) e compósitos de fibra de madeira. Os materiais de fibra incluíram um material de base de madeira industrial (I-WBM) e variantes desenvolvidas pela TUD (TPSea-0, TPSea-1 e TPSea-C). Notavelmente, o TPSea-C é um novo compósito contendo fibras de madeira, fibras de capim-mar (Zostera marina) e um retardante de chama de base biológica.
3. Testes Preliminares: A triagem inicial envolveu testes preliminares no túnel de vento de arco aquecido L2K e Análise Termogravimétrica (TGA). A TGA foi utilizada para determinar a perda de massa, o rendimento de carbonização (char yield) e o comportamento pirolítico sob atmosfera de azoto até 1000 °C.
4. Testes em Túnel de Vento: Os materiais selecionados foram submetidos a testes rigorosos no túnel de vento de arco aquecido L2K do DLR. As condições de teste simularam a carga térmica máxima da trajetória de voo do STORT (aprox. 41,5 km de altitude, Mach 8,6), utilizando uma mistura de gás de 96% de azoto e 4% de ar para aproximar as condições de voo, ao mesmo tempo que se geriam os efeitos de não-equilíbrio químico. Os testes duraram 120 segundos.
5. Análise Pós-Teste: O desempenho dos materiais foi avaliado através de três métricas primárias:
   • Análise de Massa: Medição da perda de massa relativa à massa original.
   • Análise de Secção Transversal: Utilização do ImageJ para quantificar a área da secção transversal intacta, a área máxima da secção transversal (incluindo a camada de carbonização/char) e a área original.
   • Análise de Contorno: Escaneamento da geometria da superfície antes e depois do teste para avaliar a estabilidade dimensional e a degradação geométrica.

Principais Contribuições e Resultados
O estudo fornece uma avaliação comparativa de materiais de fibras naturais contra materiais aeroespaciais tradicionais sob cargas térmicas hipersónicas:

• Desempenho da Madeira Sólida: Madeiras sólidas não tratadas (carvalho, lariço, bétula, mogno) provaram ser inadequadas para as bordas de ataque das aletas. Exibiram uma perda de massa substancial (62%–73%) e severa degradação geométrica. A natureza anisotrópica da madeira, particularmente a diferença entre a madeira de primavera e de outono e a orientação dos raios da madeira, levou a uma combustão irregular, geometria de borda de ataque irregular e desintegração estrutural.
• Desempenho de Materiais de Fibra de Madeira: Os materiais de fibra de madeira demonstraram um desempenho significativamente melhor do que as madeiras sólidas, com perdas de massa variando entre 36% e 47%, e perdas de área de secção transversal entre 18% e 38%.
  • Superioridade do TPSea-C: O material TPSea-C emergiu como o candidato mais promissor. Exibiu a menor perda de massa (aprox. 36–40%) e a maior estabilidade dimensional. O material manteve um contorno de borda de ataque reto e pontiagudo durante todo o teste, ao contrário das formas rombas e irregulares formadas pelas madeiras sólidas.
  • Mecanismo de Proteção: O desempenho superior do TPSea-C é atribuído à sua homogeneidade e à presença de fibras de capim-mar. Os sais naturais e o conteúdo mineral no capim-mar (por exemplo, cloreto de sódio, areia de quartzo) atuam como retardantes de chama naturais, formando um depósito rico em minerais de cor clara na superfície que abranda a decomposição. Isto resultou numa camada de carbonização (char) porosa, mais espessa e estruturalmente intacta, em comparação com outros materiais.
• Propriedades Térmicas: Os materiais de fibra de madeira exibiram baixa condutividade térmica (0,225–0,353 W/mK) e alta capacidade térmica específica (1446–1493 J/kgK). Estas propriedades sugerem uma isolação eficaz, reduzindo a transferência de calor para a estrutura subjacente da aleta em comparação com a liga de aço (CM 2) e sendo comparáveis ou superiores ao compósito fenólico (CM 1) em termos de resistência térmica.
• Densidade e Poupança de Massa: Com uma densidade de 0,89 g/cm³, o TPSea-C oferece um potencial de redução de massa significativo em comparação com o compósito de fibra de vidro fenólico (CM 1, 2,0 g/cm³) e o aço (CM 2, 7,9 g/cm³), podendo reduzir a massa total da estrutura do foguete de sondagem.

Significado e Alegações
O artigo alega que, embora a madeira sólida não tratada não seja um material viável para os componentes estruturais primários de foguetes de sondagem devido à elevada degradação térmica, os materiais de fibra de madeira engenheirados mostram um potencial considerável. Especificamente, o material TPSea-C, desenvolvido na TUD, demonstra o potencial de servir como uma alternativa sustentável para as bordas de ataque das aletas.

O estudo posiciona estas descobertas como um passo fundamental em direção a uma "bioeconomia no espaço". Ao substituir componentes de uso único por materiais renováveis e de base biológica que podem ser otimizados para proteção térmica, a investigação visa reduzir o impacto ambiental dos sistemas espaciais e baixar as emissões de CO2 associadas à produção e eliminação de materiais. Os autores enfatizam que, embora o TPSea-C ainda não cumpra totalmente todos os requisitos para certificação de voo imediata sem otimização adicional (como a adaptação da geometria para distribuir as cargas térmicas), representa um potencial de inovação viável para o voo espacial sustentável. Os resultados sugerem também uma aplicabilidade mais ampla destes materiais para componentes com menor stress térmico (ex: isolamento, amortecedores de vibração) e noutras indústrias de alta temperatura, como a construção e a aviação.