از آنجا که صنعت هوافضا به ماموریت های فضایی مکرر و بلند پروازانه گسترش می دهد، تاثیر زیست محیطی مواد سنتی فضاپیما تحت نظارت فزاینده ای قرار گرفته است. سپرهای حرارتی، ضروری برای محافظت از وسایل نقلیه در طول یک گزینه ورود مجدد اتمسفر، به طور معمول از کامپوزیت های منابع با تولید بالا و کاهش دشوار دفع گرما سازگار با محیط زیست ساخته شده است.

افزایش محیط زیست Burden of Conventional Heat Shields

سپرهای حرارتی باید دمای بیش از ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد را در طول ورود مجدد تحمل کنند، اغلب به مواد بی پروای که برای تخلیه گرما و تخلیه می شوند، متکی هستند: انتخاب های رایج شامل کامپوزیت های کربن فنولیک، کربن تقویت شده (RCC)، و سرامیک های با چگالی بالا، در حالی که موثر است، این مواد شامل هزینه های زیست محیطی قابل توجه است:

  • تولید انرژی فشرده؛ تولید فیبرهای کربن و رزین های فنولیک نیاز به تب با درجه حرارت بالا، کمک به انتشار قابل توجهی CO2.
  • خوراک غیر قابل تجدید؛ اکثر پیش نویس ها از نفت، از منابع فسیلی استخراج می شوند.
  • چالش های غیر مجاز: پس از استفاده، مواد سپر حرارتی صرف شده اغلب سوزانده می شوند و یا به محل دفن زباله ارسال می شوند، انتشار سموم و میکروپلاستیک ها.
  • محصولات جانبی توکسیک: برخی از فرآیندهای تولید مواد شیمیایی خطرناک مانند فرمالدئید و سیانید تولید می کنند.

با راه اندازی فضای تجاری پیش بینی می شود که تا سال 2030 ده برابر افزایش یابد، مقیاس این مواد معمولی آسیب های زیست محیطی را افزایش می دهد، این فوریت محققان و شرکت های هوافضا را به کشف گزینه های سبز تر که در حفاظت از حرارتی سازش نمی کنند، هدایت می کند.

مواد نوآورانه Eco-Friendly در توسعه

پیشرفت های اخیر شامل کلاس های متعدد مواد، هر یک ارائه تعادل مختلف پایداری، عملکرد و قابلیت مانور در زیر امیدوار کننده ترین دسته ها هستند:

Bio-based Hybrid Shields

مشتق شده از زیست توده های تجدید پذیر مانند Cork، بامبو، فلاکس یا lignin، کامپوزیت های مبتنی بر زیستی وابستگی به مواد مخدر مبتنی بر Cork را کاهش می دهند، به عنوان مثال، با موفقیت در ماموریت های برش زیرکانک کربن استفاده شده اند. ساختار سلولی آنها عایق حرارتی عالی و چگالی پایین را در محققان فراهم می کند. آژانس فضایی اروپایی [F]

[[ویرایش] [۱]

  • منابع تجدید پذیر و بی سوادی در پایان زندگی
  • دمای تولید پایین تر استفاده از انرژی را کاهش می دهد.
  • کامپوزیت های فیبر طبیعی قدرت رقابتی خاصی را ارائه می دهند.

چالش های گردشگری: جذب رطوبت می تواند عملکرد را کاهش دهد؛ کیفیت سازگار فیبرهای طبیعی با برداشت Ongoing کار بر روی تشک های هیبریدی متمرکز است که فیبرهای طبیعی را با مقادیر کمی از فیبر کربن بازیافت شده برای کاهش این مسائل کاهش می دهد.

دانلود فیلم Recycled Ceramic Materials

زباله های سرامیکی صنعتی - مانند آجرهای انکساری، مبلمان کوره یا حتی بقایای کاشی فضایی بازیافت شده - می توانند به اجزای محافظ حرارتی پردازش شوند.یک تیم در ] مرکز تحقیقات لانگلی ناسا یک روش برای شکستن، آسیاب و زباله های سرامیکی دوباره به یک کاشی های حرارتی با ضخامت بالا، برش حرارتی و کاهش مواد طبیعی قابل مقایسه با کاشی های حرارتی، و بارگیری مواد شیمیایی را توسعه داده است.

[[ویرایش] [۱]

  • زباله های متنوع از زباله های زمینی و کاهش معدن.
  • در دمای شدید بسیار پایدار (تا 1800 درجه سانتیگراد).
  • سرامیک های بازسازی شده را می توان با سیلرهای سازگار با محیط زیست برای بهبود مقاومت اکسیداسیون پوشانده شده است.

چالش های اکتشافی: دستیابی به ساختار یکنواخت از خوراک ضایعات متغیر نیاز به کنترل کیفیت دقیق است.هزینه انرژی بازسازی باید با استفاده از انرژی تجدید پذیر در فرایند، محققان در حال بررسی گناه مایکروویو به کاهش مصرف انرژی هستند.

سرامیک های پلیمری-Derived (PDCs) از پیشران پایدار

سرامیک های مشتق شده از پلیمر با مایع preceramic پلیمرها که شکل و سپس به قطعات سرامیک ساخته شده اند، به طور سنتی این پلیمر ها بر اساس سیلوکس ها یا کربوهیدرات های مشتق شده از منابع فسیلی است، با این حال، پلی اکسیدهای غنی از بیوLTxanes - اندازه سیلیکا استخراج شده از سیلیکات برنج به عنوان هیدروژک یا سایر مطالعات کشاورزی است.

[[ویرایش] [۱]

  • دمای پردازش پایین نسبت به سرامیک های ناهموار
  • توانایی به مربع های پیچیده ی Net-shape با کمترین زباله
  • تغذیه تجدید پذیر وابستگی به نفت را کاهش می دهد.

چالش های گردشگری: حجم در طول pyrolysis (تا 30٪) باید در طراحی قرار گیرد.توسعه مواد افزودنی برای کاهش منافذ و بهبود یکپارچگی مکانیکی در حال انجام است.

جایگزین های طبیعی Phenolic برای سیستم های یکپارچه

رزین های Phenolic ستون فقرات بسیاری از سپرهای حرارتی بی پروا هستند، اما آنها به طور معمول از فنول و فرمالدئید، هر دو نفت و سمی. Lignin، یک پلیمر طبیعی فراوان در دیواره های سلول گیاهی، می تواند به طور شیمیایی اصلاح شده تا جایگزین 80٪ از محتوای فنول بدون قربانی عملکرد char و یا مقاومت تجاری است. [FgnoLT]

چالش های فنی و راه حل در مقیاس سازی مواد سازگار با محیط زیست

علی رغم وعده این مواد، چندین مانع باید برطرف شود تا بتوانند برای ماموریت های با ارزش بالا و خدمه مورد استفاده قرار گیرند.

عملکرد دمای شدید

سپرهای حرارتی باید از نوسانات گرمای بالا بیش از 100 W / cm2 زنده بمانند. بسیاری از مواد زیستی قدرت شارژ کمتری نسبت به راه حل های کربن-فنی نشان می دهند:

  • ترکیب فیبرهای طبیعی با فیبرهای کربن کوچک-شکل شده
  • بهبود پیوند متقابل-phenol برای افزایش یکپارچگی باقیمانده char.
  • استفاده از طرح های چگالی گرادینت با لایه بیرونی متراکم تر و لایه های داخلی متخلخل برای تعادل بین عایق و عایق.

بهینه سازی وزن

هر کیلوگرم اضافه شده به یک فضاپیما هزینه های پرتاب را افزایش می دهد، برخی از مواد سازگار با محیط زیست دارای پروتزهای کمی بالاتر از همتایان معمولی خود هستند.

  • ادغام میکرواسپسه های توخالی (به عنوان مثال، cenospheres) به ماتریس پرواز کنید.
  • استفاده از تولید افزودنی برای ایجاد ساختارهای شبکه که توده را در هنگام حفظ سفتی کاهش می دهد.
  • بهینه سازی ضخامت بر اساس بار حرارت پیش بینی شده از طریق دینامیک مایع محاسباتی.

ساخت مقیاس پذیری و قابلیت بازسازی

موفقیت های آزمایشگاهی به طور خودکار به تولید ترجمه نمی کنند.مواد منبع زیستی می توانند تنوع پذیری های دسته به دسته ای داشته باشند.

  • طیفوسکوپی نزدیک مادون قرمز برای نظارت بر زمان واقعی ترکیب رزین.
  • تراز فیبر خودکار و پیش فرض از نوار های فیبر طبیعی
  • روش های پیش از پیش از پیش از پیش از پیش از پیش از پیش تعیین شده از بخش انرژی باد کامپوزیت اقتباس شده است.

ارزیابی چرخه زندگی و پایان زندگی

مواد سازگار با محیط زیست باید از گهواره تا قبر ارزیابی چرخه زندگی (LCA) اندازه گیری شود که کامپوزیت های مبتنی بر زیست می توانند پتانسیل گرمایش جهانی را 30 تا 50٪ در مقایسه با استاندارد کربن-فنی ارزیابی کنند، به ویژه هنگامی که ترکیب نهایی یا بازیافت در نظر گرفته می شود، استفاده از زمین و مصرف آب برای رشد زیست توده ها نیز باید در جامعه هوافضا به طور فزاینده ای از استانداردهای صنعت LCA استفاده کند.

مسیر های آینده: به سوی یک اقتصاد فضا-چرخه

تغییر در سپرهای حرارتی سازگار با محیط زیست بخشی از یک حرکت گسترده تر به سمت اصول اقتصاد مدور در هوافضا است، این شامل طراحی مواد است که می تواند دوباره استفاده شود، remanuificured، یا با خیال راحت بیوتکنولوژی ابتکارات کلیدی در افق:

  • طرح های محافظ حرارتی مودال [FLT 1] که اجازه می دهد جایگزین تنها لایه ای از لایه های خنثی، با حامل ساختاری استفاده شده برای ماموریت های متعدد.
  • معماری الهام گرفته از Bio [FLT 1] تقلید از پوسته ایبالون یا بامبو برای رسیدن به سختی با مواد کمتر.
  • Integration با سیستم های سبز متخلخل که از اکسیژن / متان یا برق استفاده می کنند، بار حرارتی را کاهش می دهند و محافظ های حرارتی سبک تر را فعال می کنند.
  • استفاده از منابع در داخل (ISRU) در ماه یا مریخ برای تولید مواد سپر حرارتی از سنگ فرشت محلی، حذف توده به طور کامل برای زیستگاه های بلند مدت.

مشارکت های عمومی و خصوصی این پیشرفت ها را تسریع می کند. ماموریت Green Propellant Mission و ابتکار فضایی تمیز ESA هر دو تحقیق صندوق در سیستم های حفاظت حرارتی پایدار است.

نتیجه گیری: یک مسیر مسئولانه به ستارگان

توسعه مواد سپر حرارتی سازگار با محیط زیست صرفا یک حرکت محیطی نیست - آن یک ضروری استراتژیک است.همانطور که جامعه جهانی به سمت آینده خالص صفر فشار می آورد، هر بخش باید کربن زدایی کند، و هوافضا بدون استثنا است با در نظر گرفتن کامپوزیت های مبتنی بر زیست، سرامیک بازیافت شده، سرامیک های مشتق شده از پلیمر از زباله های کشاورزی، و جایگزین های طبیعی فنولیک، صنعت گازهای گلخانه ای می تواند به طور چشمگیری کاهش دهد و تولید مواد سمی، و جریان عملکرد مواد طبیعی، و مواد شیمیایی، و مواد طبیعی، به طور واقعی با استفاده از آن، و انسان های فنی پایدار، و مواد طبیعی.

برای مطالعه بیشتر، منابع را از [NASA Green Propellant تحقیق، طرح فضایی تمیز و مقالات اخیر در Journal از جامعه سرامیک اروپا در مورد PDC منبع زیستی منابع.