大気圏産業は、より頻繁に野心的な空間ミッションに拡大するにつれて、伝統的な宇宙船材料の環境影響は、スクラッチ性が増加しています。 熱シールド、大気中の再入国中に車を保護するための不可欠、通常、資源集中的な複合体から作られています。 環境に優しい熱シールド材料を開発することは、もはや選択肢ではありません。それは持続可能な航空宇宙、防腐剤、および廃棄物の低減、および廃棄物の低減に向けるために必要なステップです。

従来の熱シールドの環境負担の拡大

熱シールドは、再入力時に1,600°Cを超える温度に耐える必要があります。多くの場合、慈善材料と熱を放散するために電極に依存しています。 一般的な選択肢には、炭素フェノール複合体、強化炭化炭素(RCC)、および高密度セラミックスが含まれます。 効果的ですが、これらの材料は重要な環境コストを含みます。

  • エネルギー集中生産:[ 炭素繊維とフェノール樹脂の製造には、高温のピロリシスが必要です。
  • 非更新可能なフィードストック:[ほとんどのプレカーは石油、化石資源から派生しています。
  • 処分課題:]] 使用後、熱シールド材料を焼却したり、埋め立て物に送ったり、毒素やマイクロプラスチックを解放したりします。
  • 毒性副産物:[]] 一部の製造工程では、ホルムアルデヒドやシアン化物などの有害化学物質が生成されます。

2030年までに10倍のテナントを増加させるため、従来の材料をスケーリングすることで、環境に害を及ぼすであろう。この緊急性は、研究者や航空宇宙企業が熱保護に妥協しないグリーンな代替品を探索する。

開発におけるエコフレンドリー素材の革新

最近のブレークスルーは、さまざまな材料クラスに分類され、それぞれが持続可能性、性能、および製造性のバランスをとっています。 以下は、最も有望なカテゴリです。

バイオベース複合ヒートシールド

コルク、竹、フラックス、リグニンなどの再生可能なバイオマスから派生し、バイオベースの複合体は石油に依存する。例えば、コルクベースのアブリティブは、サブオラビットミッションで成功を収めてきました。彼らのセルラー構造は、優れた断熱性と低密度を提供します。 ]の研究者European Space Agencyは、コルクフェノール製剤が従来のカーボンを切断すると同時に、従来のカーボンを組成するの組成物と合わせることができることを実証しました。

キーの利点:

  • 生命の終端に、再生可能エネルギーの調達と生分解性。
  • 製造温度を下げることで、エネルギー使用量を削減します。
  • 天然繊維複合材は、競争力のある特定の強度を提供します。

現在の課題:]] 水分吸収は性能を低下させることができる;天然繊維の一貫した品質は収穫によって変化する。 作業を経つと、天然繊維とそれらの問題を軽減するために、少量のリサイクル炭素繊維を組み合わせたハイブリッドマットに焦点を当てます。

リサイクルされた陶磁器材料

使用される耐火れんが、炉の家具、またはリサイクルされたスペースシャトルのタイルのremnantsのような産業陶磁器の無駄は熱保護された部品に再処理することができます。のチーム]のNASAのLangley研究所[]のチームは、粉砕、製粉および再焼結の陶磁器の無駄を高密度アルミニウム ケイ酸塩のタイルに分解する方法を開発しました。これらのタイルは熱伝導性および原料の減少に反する衝撃を、原料および原料の耐火性の減少と混合します。

キーの利点:

  • 埋め立てから廃棄物を転換し、マイニングを削減します。
  • 極度な温度(1,800°Cまで)で、安定した
  • リサイクルされた陶磁器は環境に優しい密封剤と酸化の抵抗を改善するために塗ることができます。

現在の課題:]]:可変廃棄物のフィードストックから均一な微細構造を実現するには、慎重に品質管理が必要です。再焼結のエネルギーコストは、プロセス内の再生可能エネルギーを使用してオフセットする必要があります。研究者は、エネルギー消費を削減するためにマイクロ波焼結を探求しています。

持続可能な捕食者からポリマー由来のセラミックス(PDCs)

ポリマー由来のセラミックスは、形をした液体非原子ポリマーで始まり、そしてセラミック部品にピロックリズされます。伝統的にこれらのポリマーは、化石源から得られるシロキサンやカルボシランに基づいています。しかし、新しいバイオ由来のポリシロキサン - 米殻灰またはその他の農業廃棄物から抽出されたシリカから合成されると、現在は開発に入ります。 米[F] および [F] 組成物は、70%を含有する成分を含有する。

キーの利点:

  • 焼結セラミックスに比べ、低温加工温度が低い。
  • 最小限の廃棄物で複雑な幾何学を網状にする能力。
  • 石油の残留率を低減する再生可能エネルギー供給ストック

現在の課題:]) pyrolysis(最大30%)の間のボリューム収縮は、設計で収容する必要があります。 気孔率を削減し、機械的完全性を向上させるための添加剤の開発が進行中である。 循環式再エントリー負荷下での長期熱安定性はまだ特徴的である。

アブレーションシステムのための自然なフェノールの取り替え

フェノール樹脂は、多くの有能な熱シールドの背骨ですが、それらは通常フェノールとホルムアルデヒド、石油由来および有毒物質から合成されています。 植物細胞壁に豊富に存在する天然ポリマーであるLigninは、化学的に調整され、炭収量や耐摩耗性を犠牲にすることなく、フェノール含有量の80%を最大に置き換えることができます。 市販製品(条件]Ligno:[F])は、欧州のスタートアップが進行中の問題である[F]を解決する。 [F]は、欧州のスタートアップが、および欧州の開始時に発散する。

環境に優しい材料のスケールの技術的な挑戦そして解決

これらの材料の約束にもかかわらず、乗組員および高額の任務のために採用することができる前に、いくつかの障壁は克服しなければなりません。

極低温性能

ヒートシールドは、100 W/cm2を超えるピーク熱フラックスを存続しなければなりません。 多くのバイオベースの材料は、炭素フェノールよりも低いchar強度を展示しています。 ソリューションは次のとおりです。

  • 少量リサイクルされたカーボン繊維が付いている天然繊維をハイブリッド化。
  • 残留炭の完全性を高めるためにリグニンフェノールの交差連結を改善して下さい。
  • デンザーの外の層および多孔性の内部の層が付いている勾配密度の設計を使用してablationおよび絶縁材のバランスをとって下さい。

重量の最適化

宇宙船が増加する打ち上げコストに毎キログラムを追加しました。 いくつかの環境に優しい材料は、従来のカウンターパーツよりもわずかに高密度を持っています。 軽量化戦略は次のとおりです。

  • 空のマイクロ球(例えば、フライアッシュの大気)をマトリックスに統合します。
  • 添加剤の製造で、固着を維持しながら質量を削減する格子構造を作成します。
  • 計算式流体力学による予測熱負荷に基づく厚さの最適化

製造のスケーラビリティと再現性

研究室の成功は、自動的に生産に翻訳しません。生物学的に供給された材料は、バッチ対バッチの分散性を持つことができます。品質管理方法は次のとおりです。

  • 樹脂組成物のリアルタイムモニタリングのための近赤外線分光法。
  • 繊維自動配置と天然繊維テープのプレフォーム
  • 複合風力エネルギー分野から適応した標準化されたプレプレッギング方法。

ライフサイクル評価と終末期のライフ

地球にやさしい材料は、クロールから墓まで評価されなければなりません。 ライフサイクル評価(LCA)メトリックは、バイオベースの複合体が、特に終生堆肥化またはリサイクルを検討したときに、標準の炭素フェノールと比較して30〜50%の地球温暖化の可能性を減らすことができることを示しています。 しかし、成長するバイオマスの土地使用および水消費量は、また考慮される必要があります。 航空宇宙コミュニティは、アーキテクチャや自動車部門からLSA規格を採用しています。

未来の方向: 円の大気空間の経済へ

環境に優しい熱シールドへのシフトは、航空宇宙の円経済原則に対するより広い動きの一部です。 これには、再使用、再製造、または安全な生分解が可能な材料の設計が含まれています。 地平線の重要な取り組み:

  • 構造用キャリアが複数のミッションに再利用した、唯一のアブレーション層の交換を可能にする、モジュラー熱シールド設計[。
  • []生物を刺激するアーキテクチャ[:アンバロンシェルや竹を模倣して、材料の少ない靭性を実現。
  • 酸素/メタンまたは電気スラスタを使用する緑色推進システム[との統合、熱負荷を軽減し、より軽い熱シールドを有効にします。
  • 月または火星の月または火星の月間、および火星の資源利用(ISRU)[]で、地場の政令から熱シールド材料を生成し、長期生息地の出入口質量を完全に排除します。

パブリックプライベート・パートナーシップは、これらの開発を加速しています。NASの[]グリーン・プロラント・ミッション]と、ESAのクリーン・スペース・イニシアティブは、持続可能な熱保護システムへの資金研究の両方を促進します。バイオコンポジションとリサイクル技術に特化した中小企業は、航空宇宙サプライチェーンに入り、伝統的なプライムを超えたイノベーションを促進しています。

結論:星への責任ある道

環境に優しい熱シールド材料を開発することは単なる環境的ジェスチャーではありません。それは戦略的インパティブです。グローバルコミュニティがネットゼロの未来に向かって押し込まれるにつれて、あらゆるセクターは脱炭素化し、航空宇宙は例外ではありません。バイオベースの複合体、リサイクルセラミックス、農業廃棄物からポリマー由来のセラミックス、および自然フェノールの代替品に至るまで、業界は大幅に排出量を削減し、製品によって有毒物質を削減し、科学的要素を生成し、地球規模と科学的レベルの技術が融合し、その結果、地球規模の効率性を促進し、そして持続可能な環境を促進します。

さらなる読書のために、]からリソースを探索する]の研究、]ESAクリーンスペースイニシアティブ、および]の最近の論文]]]の欧州陶磁器協会のジャーナル。