Quantification of RTV Intumescence using X-ray Imaging

Quando naves espaciais mergulham na atmosfera de um planeta, o ar à frente delas comprime-se tão violentamente que se transforma num plasma ardente, aquecendo a superfície do veículo a temperaturas que podem derreter o aço. Para sobreviver a isto, os engenheiros envolvem estes veículos num sistema de proteção térmica, uma camada feita de azulejos especiais concebidos para absorver e dissipar esse calor intenso. No entanto, estes azulejos não podem ser colocados lado a lado; devem ser separados por pequenas fendas para permitir a expansão e contração dos materiais à medida que aquecem e arrefecem. Estas fendas são preenchidas com um selante macio, de aspeto borracheiro, conhecido como silicone de cura à temperatura ambiente. Este material atua como uma cola flexível, mantendo os azulejos no lugar e impedindo que o ar superaquecido escape pelas fendas. O problema é que, quando este silicone fica demasiado quente, ele não fica apenas parado; ele reage quimicamente, libertando gases e inchando para fora como um pão que cresce no forno. Se este inchaço se tornar demasiado grande, o material pode projetar-se para o fluxo de ar, interrompendo a camada suave de ar que protege a espaçonave e causando ainda mais acúmulo de calor, o que pode levar à falha.

Os cientistas sabem há muito tempo que este inchaço, ou intumescência, acontece, mas têm tido dificuldade em ver exatamente como ocorre dentro do material enquanto este é aquecido. Para compreender este processo oculto, uma equipa de investigadores da Universidade de Illinois e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley decidiu observar a mudança de forma do silicone em tempo real. Eles utilizaram uma poderosa máquina de raios X, semelhante às utilizadas em hospitais, mas muito mais intensa, para tirar milhares de imagens tridimensionais do material enquanto este era aquecido. Ao combinar estas imagens com análise química, foram capazes de rastrear como a borracha borbulhava, rachava e encolhia sob diferentes condições, revelando que a velocidade com que o material aquece e o ambiente ao seu redor alteram dramaticamente o quanto ele incha.

Os investigadores começaram por estudar a decomposição química do silicone. Aqueceram pequenas amostras num ambiente controlado e mediram os gases que escapavam à medida que o material se decompunha. Descobriram que o silicone não se decompõe de uma só vez. Em vez disso, passa por várias etapas distintas à medida que a temperatura aumenta. Primeiro, liberta água e ar retidos. Depois, à medida que o calor se intensifica, as longas cadeias moleculares que compõem a borracha começam a partir-se, libertando gases mais pesados e deixando para trás um resíduo de carbono poroso. A velocidade com que o material é aquecido importa imensamente. Quando aquecido lentamente, os gases têm tempo para escapar através de pequenas fissuras que se formam no material, permitindo que o silicone encolha após inchar. Mas quando o calor é aplicado rapidamente, mimetizando as condições de uma espaçonave a entrar na atmosfera de um planeta, os gases ficam presos lá dentro. Esta pressão retida acumula-se rapidamente, forçando o material a expandir-se muito mais do que ocorreria sob condições de aquecimento mais lento.

Para visualizar esta expansão, a equipa colocou amostras de silicone dentro de uma câmara especial e aqueceu-as enquanto tirava imagens de raios X. Numa série de experiências, aqueceram as amostras lentamente, tirando varreduras tridimensionais a cada minuto. Observaram que o material primeiro se expandiu ligeiramente devido à simples expansão térmica, depois inchou significativamente à medida que os gases se formavam dentro de bolsas fechadas na borracha. Eventualmente, à medida que o material desenvolvia rachas e poros, estes gases escapavam e a amostra encolhia novamente. No entanto, quando restringiram a amostra para que ela pudesse expandir-se apenas numa direção, ela inchou ainda mais e encolheu mais lentamente, porque os gases não conseguiam escapar tão facilmente. Isto confirmou que a forma física do material e a forma como ele é mantido no lugar desempenham um papel importante na sua reação ao calor.

A equipa passou então para as condições mais extremas relevantes para o voo espacial real, aquecendo amostras a taxas muito mais rápidas do que antes, atingindo temperaturas que sobem quase dois mil graus Celsius por minuto. Nestes testes rápidos, observaram uma diferença dramática. O silicone inchou para mais do que o dobro da sua altura original antes de conseguir encolher. Também testaram amostras que tinham sido pré-tratadas para remover o ar e a água retidos. Surpreendentemente, estas amostras "desgasificadas" incharam ainda mais do que as não tratadas. Este resultado contraintuitivo aconteceu porque as amostras não tratadas já tinham pequenos caminhos abertos para o gás escapar, enquanto as amostras desgasificadas tinham menos rotas de escape, fazendo com que a pressão interna aumentasse para níveis mais elevados antes que o material finalmente rachasse e libertasse o gás.

O ambiente que rodeia o material também alterou o resultado. Quando os investigadores aqueceram o silicone no ar em vez de um gás inerte como o argônio, uma camada dura, semelhante ao vidro, formou-se na superfície da amostra. Esta camada agiu como uma pele, prendendo os gases no interior e impedindo o material de encolher após o inchaço. Como resultado, as amostras no ar permaneceram inchadas e rígidas, enquanto aquelas no gás inerte acabaram por encolher. Esta descoberta sugere que a reação química com o oxigénio na atmosfera pode alterar significativamente o comportamento do selante durante uma missão real.

Finalmente, os investigadores observaram como o silicone se comporta quando não está apenas sentado num recipiente, mas está de facto colado aos azulejos porosos que deve proteger. Eles embeberam o silicone líquido nos pequenos orifícios de um azulejo de fibra de carbono e de um material semelhante poroso antes de deixar endurecer. Quando aqueceram estas amostras coladas, o inchaço foi muito menor do que nas amostras isoladas. O azulejo poroso agiu como uma esponja, absorvendo os gases que o silicone tentava libertar e fornecendo um caminho para que eles escapassem. Este "alívio poroso" manteve a pressão interna mais baixa, evitando o inchaço dramático visto nos outros testes. Esta é uma descoberta crucial para o design de espaçonaves, pois sugere que a forma como o selante interage com os azulejos a que se liga pode naturalmente limitar o inchaço e manter o escudo térmico seguro.

Ao combinar estas imagens de raios X com dados químicos, os investigadores construíram um quadro claro de como este selante vital se comporta sob o stress da entrada atmosférica. Descobriram que o inchaço é impulsionado por gases retidos que acumulam pressão quando o material aquece rápido demais para permitir a sua saída. A extensão deste inchaço depende de quão rapidamente o calor é aplicado, se o material foi pré-tratado para remover o ar e se está ligado a uma superfície porosa que pode ajudar a ventilar os gases. Estas percepções fornecem aos engenheiros os dados necessários para prever como o selante se comportará em missões futuras, garantindo que as fendas entre os azulejos do escudo térmico permaneçam seguras mesmo quando a espaçonave enfrenta o calor extremo de entrar num novo mundo.