Il ruolo critico dell'ingegneria dei materiali nell'esplorazione del sistema solare esterno

I lettori di Spacecraft, che cercano di esplorare il sistema solare esterno, la regione al di là della fascia di asteroidi che comprende Giove, Saturno, Urano, Nettuno e le loro lune, opera in condizioni molto diverse da quelle dell’orbita terrestre o delle missioni planetarie interne.

Sfide ambientali Unico al Sistema Solare Estero

Temperature criogeniche estreme

Oltre alla fascia di asteroidi, il flusso solare scende drasticamente, a Giove, l'intensità della luce solare è di circa un ventisettesimo di quella sulla Terra. Le temperature di equilibrio termico di Spacecraft possono cadere sotto [[clipFLT:0]-200 °C (−328 °Fini]).

Radiazioni intenzionali e multi-Spettacolari

I pianeti esterni sono associati a gravi ambienti di radiazione. La magnetosfera di Giove, il più grande e più energico del sistema solare, contiene elettroni intrappolati e protoni con energie superiori a 100 MeV. La radiazione è in diverse forme: i raggi cosmici corti ] (GCR) da parte del sistema solare,

Vuoto ultra-alto e gassatura

Lo spazio è un vuoto duro, le pressioni possono essere inferiori a 10−14 torrr nello spazio interstellare. In queste condizioni, i materiali possono outgas], rilasciando molecole intrappolate come acqua, solventi e specie a basso peso molecolare.

Impatto di micrometeoroide e detriti

I micrometeoroidi, particelle naturali di comete e asteroidi, e i detriti spaziali nell'orbita terrestre rappresentano una minaccia costante. Nello spazio interplanetario, il flusso è tipicamente inferiore a 0.00 orbita bassa, ma la velocità relativa tra una navicella spaziale e un meteoroide può superare 70 km/s.

Soluzioni di ingegneria dei materiali per ambienti estremi

Radiazione Schermatura e indurimento

I materiali con alto contenuto di idrogeno, come ad esempio i materiali ] polietilene (densità ~0,95 g/cc) e l'acqua ( i polimeri attivi), sono efficaci per ridurre la dose di proto e di elettroni a causa dell'elevato livello di protezione.

Controllo e gestione termica

Il materiale di protezione solare del focolaio (FLT): i materiali di protezione del calore (FLT) sono utilizzati per l’utilizzo di sistemi di controllo termico, come i materiali di protezione del calore, i materiali di protezione dei raggi solari (FLT-FLT) (MLI), che sono costituiti da 15-40 strati di calore idraulici (Kupton) o Mylar separati da distanziatori a bassa conducibilità.

Materiali strutturali: resistenza, peso e resilienza

L'espansione strutturale di qualsiasi veicolo spaziale profondo deve essere forte, rigido e la luce più leggera possibile per ridurre la massa di lancio. I materiali di scelta per le strutture primarie nella maggior parte delle missioni di progettazione esterna sono stati leghe di polimeri di alluminio[FLT-1] [FLT-1] più forti (in particolare il 7075-Tnick73 e 2219-T851 gradi) e [FLT-FLT-I] leghe di titanio [

Rivestimenti di superficie, Lubrificanti e strati di protezione

Le superfici esterne devono servire più funzioni: controllo termico, protezione micrometeoide, attenuazione dello scarico elettrostatico (ESD) e soppressione del gassoso. I rivestimenti di controllo termici sono selezionati in base alla loro absorptance solare (α) e all'emittanza infrarossa (ε).

Missioni che hanno definito i materiali Ingegneria per i pianeti esterni

Voyager: La copertura della registrazione dell'oro e le prime lezioni

La doppia nave spaziale Voyager, lanciata nel 1977, è stata la prima a visitare Giove e Saturno (e poi Urano e Nettuno), il cui patrimonio materiale è stato tratto da precedenti sonde planetarie come Mariner. La famosa copertura in alluminio anodizzato oro] della Voyager disco d'oro non era semplicemente decorativo; ha agito come superficie di controllo termico, mantenendo la dosi interna di Voyagenboard

Galileo: Sopravvivere le cinture di radiazione di Giove

L’orbitante Galileo (1989-2003) si è volutamente esposto a radiazioni pesanti, facendo numerosi flyby ravvicinati di Io, la luna più vulcanicamente attiva nel sistema solare, che è immersa nella zona di radiazione più intensa di Giove.

Cassini-Huygens: elevata temperatura e durata criogenica

Il sistema di riscaldamento di TLT (in inglese) è stato utilizzato per il raffreddamento di un sistema di riscaldamento di tipo MLT, con un sistema di raffreddamento a 2.000 °C.

Nuovi Orizzonti: Design leggero per Flyby veloce

La nuova struttura di protezione solare (in inglese) è stata progettata per un flyby ad alta velocità di Plutone e l'oggetto Kuiper Belt Arrokoth. La sua massa di lancio era di soli 478 kg, una frazione di una precedente sonda esterna.

Sviluppo futuro in ingegneria dei materiali per lo spazio profondo

Materiali di auto-riscaldamento

I microprototipi di estrazione di nitriti, che effettuano la formazione di un polipropilene di tipo elettrico, sono in grado di riparare autonomamente micro-crack, perforazioni o danni chimici.

Nanomateriali e Nanocompositi

Le proprietà uniche dei materiali della nanoscala, nanotubi di carbonio (CNT), grafo, nanotubi di boro nitride, e dei materiali organici metallici (MOF) — Offerte i miglioramenti della magnitudine di massa nella resistenza, nella conducibilità termica e nella resistenza alle radiazioni I compositi rinforzati da CNT-FLT-1] possono ottenere una certa resistenza a dieci volte che si verificano in acciaio

Compositi leggeri e manifattura additiva

Le strutture di trasporto aereo attualmente in fase di sviluppo sono in grado di produrre componenti di tipo a ultrasuoni (in inglese: ) e di produrre componenti a più basso contenuto di umidità, mentre le parti a più basso contenuto di tali sistemi sono in grado di produrre componenti a più bassa densità di materiale.

Sistemi di gestione termica avanzati

Le future missioni dispazio profondo richiedono un tubi di calore loop e loop di flusso pompato con fluidi di lavoro stabili a temperature criogeniche. Ad esempio, a livello di satellite-bus, tubi di calore a conducibilità variabile (VCH-Ps) utilizzando il calore ammoniaca o propilene possono trasferire calore da

Elettronica e Imballaggi a raggi infrarossi

I sistemi di misurazione e di controllo sono più elevati (in inglese) e più bassi (in inglese)

Conclusioni

I materiali di costruzione per veicoli spaziali nel sistema solare esterno sono una disciplina che si trova all'incrocio di fisica estrema, produzione pratica e affidabilità mission-critical. Le sfide della radiazione criogenica fredda, energetica, alto vuoto e micrometeoroidi ad alta velocità sono state soddisfatte con un portafoglio di soluzioni che includono volte a radiazione costruite in titanio e alluminio, coperte isolanti multi-strato, polimeri auto-riscaldanti e

Per ulteriori informazioni, esplorare le schede di fatti di scienza materiale della NASA sulle missioni spaziali profonde ([[]link]]), il lavoro dell'Agenzia spaziale europea sui materiali ambientali estremi ([[[LT:2]]]]link]]), e l'articolo IEEE Spectrum sul design dei veicoli spaziali esterni] link[FLT:]]]] [[[[FLT]]]]]]]]]