La céramique dans l'espace :des boucliers thermiques réutilisables aux capes d'invisibilité

La céramique a été utilisée pour créer de l'art et divers types de plats pendant des milliers d'années. Aujourd'hui, nous pouvons les utiliser pour fabriquer des couteaux durables ultra tranchants qui peuvent faire apparaître leurs homologues en acier de haute technologie comme des reliques anciennes. D'après l'expérience de la vie, nous savons également que la céramique ne supporte pas bien les forces fortes et soudaines qui agissent sur elle . Par exemple, un sol les frappant à quelques mètres par seconde.

La fragilité inhérente à la céramique est la principale raison pour laquelle ils sont inappropriés comme matériau de structure pour la plupart des applications. Cependant, la céramique se distingue par de nombreux aspects très spécifiques , en particulier en ce qui concerne les températures élevées et la stabilité chimique . Dans cet article, nous explorons les rôles cruciaux de la céramique dans les engins spatiaux et comment ils sauvent la journée là où les métaux vacillent.

Concevoir le système de protection thermique le plus efficace

L'un des cas d'utilisation les plus courants de la céramique dans les engins spatiaux est dans le cadre du système de protection thermique . Pour comprendre pourquoi un matériau céramique est le candidat idéal pour cette application, il est important d'examiner de près les différents mécanismes de dissipation thermique .

Lorsqu'un vaisseau spatial pénètre dans n'importe quel type d'atmosphère à des vitesses orbitales, il subit un échauffement de surface significatif par la traînée atmosphérique . Cela est même vrai pour l'atmosphère martienne relativement mince, qui n'a que 1% de la densité atmosphérique de la Terre. La chaleur absorbée par le vaisseau spatial peut alors prendre deux voies :il peut être rayonné dans l'environnement ou conduit à l'intérieur de l'engin spatial, comme indiqué sur la figure 1.

Figure 1 :Vue schématique du chauffage de surface d'un vaisseau spatial isolé [1].

Radiation serait un moyen favorable pour le concepteur de l'engin spatial de se débarrasser de la chaleur absorbée, puisque l'environnement n'est guère affecté par la chaleur rayonnée, tandis que l'engin spatial pourrait se désintégrer et/ou fondre si trop de chaleur est accumulée pendant la phase d'entrée.

Cependant, l'efficacité du rayonnement est liée à la quatrième puissance de la température de surface. Cela signifie qu'il ne joue pratiquement aucun rôle pour les températures de surface que la plupart des matériaux peuvent supporter confortablement, mais devient le principal mécanisme de transfert de chaleur/refroidissement à des températures supérieures à ~1 000 K . Vous connaissez peut-être cette plage de températures car pratiquement tous les matériaux solides commencent à briller visiblement en rouge ici [2].

Les revêtements spécialisés sont la clé

La conduction de la chaleur dans le vaisseau spatial est le moyen le moins favorable pour gérer le chauffage de surface en raison des limitations de température de tous les matériaux utilisés dans le vaisseau spatial. Il n'y a que la quantité de chaleur que le vaisseau spatial peut absorber avant les limites matérielles sont dépassés et des défaillances catastrophiques peuvent se produire .

Les ingénieurs ont trouvé une solution intelligente qui utilise les deux mécanismes de transfert de chaleur . Par exemple, la surface chauffée de l'orbiteur de la navette spatiale est recouverte d'un bon matériau calorifuge , à savoir la silice (dioxyde de silicium). De plus, un revêtement de borosilicate noir est appliqué sur ce matériau afin de maximiser les propriétés d'émission de rayonnement de la surface. De cette façon, jusqu'à 95 % de la chaleur rencontrée est évacuée immédiatement , ne laissant que 5% de la chaleur absorbée par l'intérieur des carreaux.

Toute la surface inférieure des orbiteurs de la navette spatiale est recouverte de ces tuiles noires , constitué d'un système de fibres de silice avec une teneur en volume de seulement 6 %. Le volume restant est rempli d'air . Chaque dalle est marquée d'un numéro d'identification pour assurer le bon entretien et le montage dans sa position unique. Les tuiles sont collées à la structure en aluminium sous-jacente avec une « colle » en caoutchouc de silicone.

Autres systèmes de protection thermique, tels que les systèmes abrasifs , utilisez également des matériaux isolants, qui sont délibérément érodés par la chaleur excessive . De par leur conception, les systèmes abrasifs ne peuvent être utilisés qu'une seule fois avant de nécessiter un remplacement complet. En revanche, les dalles de silice sont réutilisables, malgré leur impressionnante température de pointe de service d'environ 1900 K pendant la phase de rentrée .

 

Pour zones particulièrement fortement chauffées , comme les bords d'attaque des structures aérodynamiques, l'isolation thermique peut être insuffisante , nécessitant un refroidissement actif. Dans ce cas, il n'y a pas de couche de céramique isolante mais un matériau relativement fin et conducteur de chaleur en place.

Ce principe est comparable au refroidissement de la chambre de combustion principale dans le moteur principal de la navette spatiale, qui a été décrit en détail dans notre article précédent, Les métaux dans l'espace :comment les superalliages ont changé le paysage des fusées . De plus, Elon Musk prévoit d'utiliser un refroidissement actif de l'acier inoxydable sur toute la surface exposée au vent du nouveau vaisseau spatial Starship.

La phase d'entrée dans l'atmosphère n'est pas la seule phase opérationnelle où un engin spatial est soumis à un échauffement superficiel considérable. Simplement être exposé à la lumière du soleil dans l'espace peut augmenter rapidement la température de surface jusqu'à environ 500 K .

Par contre, les orbiteurs de la navette spatiale étaient protégés par les mêmes tuiles de silice en utilisant un revêtement blanc, constitué d'un mélange de composés de silice et d'oxyde d'aluminium [4], pour maximiser la réflectivité de surface et n'absorbent qu'une infime fraction du flux d'énergie solaire incident.

Les inconvénients des engins spatiaux hautement réfléchissants

Dans certains cas, la réflectivité d'un vaisseau spatial peut être problématique . Tout récemment, SpaceX a reçu de sérieuses plaintes au sujet de leurs satellites interférant avec les observations des astronomes [5].

Les satellites Starlink de SpaceX créent des constellations d'étoiles artificielles dans le ciel, dont les astronomes craignent qu'elles interfèrent avec leurs calculs de données et polluent le ciel nocturne.

La réflectivité optique n'a pas été pris en compte pour la conception globale des satellites Starlink. Cependant, SpaceX a reconnu cette faille et travaille activement à une solution en posant un revêtement sur le côté face à la Terre des satellites [6].

Ce revêtement affecte fortement les propriétés thermiques des satellites car la lumière émise et réfléchie par la Terre peut également agir comme une source substantielle de chauffage dont il faut tenir compte dans le système global. Par conséquent, il ne s'agit pas d'un changement simple, mais d'un changement qui doit être soigneusement conçu et validé par essais et erreurs.

Les recherches sur les matériaux absorbant les ondes électromagnétiques remontent à la Seconde Guerre mondiale, lorsque les Allemands ont affronté les premiers systèmes radar des Alliés, qui ont connu un grand succès. Cette recherche a abouti à une peinture à base de ferrite , qui peut être considéré comme le premier matériau absorbant les radars créé artificiellement [7].

De nos jours, les signatures radar des satellites doivent être supprimées dans certains cas pour des raisons stratégiques, les cachant des systèmes de détection ennemis. Cependant, les opérateurs de satellites qui choisissent d'appliquer la technologie d'absorption radar doivent accorder une attention particulière pour s'assurer que leurs satellites ne contribuent pas au problème fortement croissant des débris spatiaux en orbite terrestre après la fin du service, car ils sont encore plus difficiles à trouver et à supprimer.

Pourquoi les matériaux/composites multifonctionnels sont indispensables

D'après les considérations ci-dessus, vous pouvez voir que les engins spatiaux tels que les satellites sont des systèmes très complexes intégrés dans l'un des environnements les plus exigeants que nous connaissons . La plus forte détérioration subie par les structures satellites extérieures est généralement liée à l'érosion de surface provenant de l'irradiation UV dans l'espace et du bombardement avec de l'oxygène atomique [8], en plus des cycles thermiques sévères , en fonction de leurs caractéristiques orbitales .

Les satellites sont des systèmes très complexes intégrés dans l'un des environnements les plus exigeants que nous connaissions.

La couche la plus externe d'un satellite est la surface de définition de toutes les interactions thermiques avec l'environnement. S'il est optimisé dans un seul but, par exemple pour minimiser la réflectivité électromagnétique , d'autres caractéristiques requises pour la fonctionnalité nominale comme une certaine émissivité de surface pour le refroidissement ou protection contre les impacts des micrométéorites et des débris du satellite pourraient manquer. Par conséquent, la couche la plus externe doit remplir une multitude de fonctions et d'exigences.

Figure 3 :Stabilité thermique de différents matériaux [9].

Céramique multicouche à base de carbone se sont avérés être un matériau efficace pour obtenir une peau de vaisseau spatial multifonctionnelle, légère et robuste. La figure 3 montre comment le carbone renforcé de fibres de carbone (Carbone/Carbone ou C/C) offre une grande stabilité thermique sur une large plage de température. Les composants C/C peuvent être fabriqués avec un procédé d'infiltration chimique en phase vapeur.

Un vrai manteau d'invisibilité

Il peut sembler trivial de masquer un objet dans l'espace en le colorant simplement de la même manière que l'arrière-plan :noir . Cependant, même les objets qui absorbent toute la lumière visible peuvent être de parfaits réflecteurs du rayonnement électromagnétique à d'autres longueurs d'onde, par exemple les micro-ondes .
La protection thermique supérieure fournie par C/C peut être combinée avec les caractéristiques d'absorption des ondes électromagnétiques d'une matrice époxy avec des nanotubes de carbone multi-parois ajoutés . Non seulement les nanotubes de carbone ont le potentiel d'augmenter l'absorbance des ondes électromagnétiques, mais ils peuvent également être utilisés pour fabriquer des nanomatériaux ultra résistants, comme décrit dans cet article de Wade Lanning.

Figure 4 :Image d'un satellite cube (CubeSat) et vue schématique de son système de protection thermique. C/C est associé à une multicouche de blindage qui absorbe les rayonnements électromagnétiques [8].

Les couches externes de la multicouche de blindage illustrée à la figure 4, avec une teneur en nanotubes de carbone allant jusqu'à 1,5 %, offrent d'excellentes caractéristiques d'absorption des micro-ondes , agissant comme un manteau d'invisibilité pour le satellite. L'épaisseur des couches individuelles ainsi que leur composition sont optimisées à l'aide d'une approche d'apprentissage automatique , suivant une tendance récente en science des matériaux.

Comme vous pouvez le voir, des matériaux de pointe et l'application de composites multifonctionnels sont nécessaires pour résister à l'environnement exigeant de l'espace .

Peu importe à quel point un vaisseau spatial est conçu et testé ici sur Terre, quelques surprises dans sa fonctionnalité et ses effets imprévus peuvent encore être rencontrés en orbite, comme l'ont montré SpaceX et leur constellation de satellites Starlink. Matériaux céramiques, composites et revêtements offrent des caractéristiques hautement souhaitables telles que la stabilité à long terme et la protection thermique, permettant une nouvelle ère d'exploration spatiale avancée.