Statek kosmiczny przyszłości może być w stanie wykryć i naprawić własne uszkodzenia strukturalne na orbicie, co może zwiększyć odporność długotrwałych misji i pojazdów nośnych wielokrotnego użytku.
Materiały samoleczące dla statków kosmicznych były badane od lat, ponieważ inżynierowie szukają sposobów wykrywania i naprawy uszkodzeń powstałych po wystrzeleniu. Teraz nowa praca wspierana przez Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) ma na celu rozwinięcie tej koncepcji poprzez połączenie wykrywania i naprawy uszkodzeń w jednym systemie konstrukcyjnym.
„Wdrożenie tej technologii w naszych systemach mogłoby przynieść ogromne korzyści transportowi kosmicznemu” – stwierdził w oświadczeniu Bernard Decotignie z ESA. „To pomoże się rozwijać infrastrukturę kosmiczną wielokrotnego użytku i obniżyć koszty misji. To naprawdę dowodzi, co europejskie innowacje mogą zrobić dla sektora kosmicznego”.
Technologia o nazwie Project Cassandra (skrót od „Composite Autonomous Sensing And Repair”) wykorzystuje materiał kompozytowy znany jako HealTech, który zawiera specjalny środek leczniczy osadzony w warstwach włókna węglowego.
Kompozyty z włókna węglowego są szeroko stosowane w statkach kosmicznych, ponieważ są lekkie i mocne. Jednak z biegiem czasu mogą pojawić się mikroskopijne pęknięcia spowodowane wibracjami podczas startu, naprężeniami strukturalnymi lub ekstremalnymi wahania temperatury. Jak wynika z oświadczenia, po podgrzaniu materiał HealTech mięknie i pozwala zawartemu w nim środkowi leczniczemu przedostać się do małych pęknięć, ponownie spajając uszkodzone obszary i przywracając wytrzymałość strukturalną.
Aby wykryć uszkodzenia, inżynierowie wbudowali czujniki światłowodowe w warstwy kompozytowe. Czujniki te stale monitorują konstrukcję i mogą wskazać lokalizację pęknięć lub innych defektów. Po wykryciu uszkodzenia sieć małych elementów grzejnych — ułożona w lekkiej formie Kratki aluminiowe wydrukowane w 3D — podgrzewa dotknięty obszar do około 212 do 284 stopni Fahrenheita (100 do 140 stopni Celsjusza), co aktywuje proces gojenia i umożliwia samonaprawę materiału.
Naukowcy przetestowali już prototypowe konstrukcje, od małych próbek po panele o szerokości około 16 cali (40 centymetrów). Wczesne testy wykazały, że system jest w stanie wykryć pęknięcia, precyzyjnie rozprowadzać ciepło do uszkodzonych obszarów i przywracać wytrzymałość konstrukcji po naprawie. Następnie zespół planuje przetestować dostosowanie materiału do większego kształtu, np. kompletnego zbiornika paliwa kriogenicznego.
Rozwój HealTech to efekt współpracy szwajcarskich firm CompPair i CSEM oraz belgijskiej firmy Com&Sens w ramach programu ESA Future Innovation Research in Space Transportation.
Jednym z potencjalnych zastosowań jest wielokrotnego użytku systemy transportu kosmicznego, w których pojazdy muszą wytrzymywać wielokrotne cykle startu i ponownego wejścia na pokład. Konstrukcje samonaprawiające się mogłyby skrócić czas inspekcji i koszty konserwacji pomiędzy lotami, jednocześnie wydłużając żywotność komponentów statku kosmicznego. Technologia ta może się również okazać przydatna w przypadku części narażonych na działanie ekstremalnych warunków, takich jak kriogeniczne zbiorniki na paliwo, w których występują dramatyczne wahania temperatury.
„Jestem podekscytowana faktem, że wykazaliśmy, że kompozyty HealTech z systemami monitorowania stanu zdrowia i ogrzewania wykazują autonomiczne wykrywanie i gojenie uszkodzeń oraz wysoką odporność na mikropęknięcia” – stwierdziła w oświadczeniu Cecilia Scazzoli, kierownik ds. badań i rozwoju w firmie CompPair.
„Dzięki temu nadają się one do wysokich wymagań zbiorników na paliwo i konstrukcji kosmicznych wielokrotnego użytku, a także torują drogę lżejszym i łatwiejszym w utrzymaniu komponentom statków kosmicznych” – dodał Scazzoli.
