Céramiques avancées dans l'aérospatiale : boucliers thermiques réutilisables et au-delà

Les céramiques étaient utilisées 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 ultra-tranchants et durables qui font paraître leurs homologues en acier high-tech comme des reliques anciennes. D'expérience, nous savons aussi que les céramiques ne gèrent pas bien les forces fortes soudaines agissant sur elles. Par exemple, un sol les heurtant à quelques mètres par seconde.

La fragilité inhérente des céramiques est la raison principale pour laquelle elles sont inadaptées comme matériau structurel pour la plupart des applications. Cependant, les céramiques se distinguent dans de nombreux aspects hautement spécifiques, surtout quand il s'agit de hautes températures et stabilité chimique. Dans cet article, nous explorons les rôles cruciaux des céramiques dans les engins spatiaux et comment elles sauvent la mise là où les métaux faiblissent.

Concevoir le système de protection thermique le plus efficace

L'un des cas d'utilisation les plus courants pour les céramiques dans les engins spatiaux est comme partie 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 de chaleur.

Quand un engin spatial entre dans n'importe quel type d'atmosphère à des vitesses orbitales, il subit un échauffement de surface significatif par traînée atmosphérique. Cela reste vrai même pour l'atmosphère martienne relativement mince, qui n'a que 1 % de la densité atmosphérique terrestre. La chaleur absorbée par l'engin spatial peut alors prendre deux voies : elle peut être rayonnée dans l'environnement ou conduite à l'intérieur de l'engin spatial, comme indiqué dans la figure 1.

Le rayonnement serait une façon favorable pour le concepteur d'engin spatial de se débarrasser de la chaleur absorbée, puisque l'environnement est à peine affecté par la chaleur rayonnée, tandis que l'engin spatial pourrait se désintégrer et/ou fondre si trop de chaleur s'accumule 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 joue à peine un rôle pour les températures de surface que la plupart des matériaux peuvent confortablement gérer, mais devient le mécanisme dominant de transfert de chaleur/refroidissement à des températures supérieures à ~1000 K. Vous connaissez peut-être cette plage de température comme celle où virtuellement tous les matériaux solides commencent à briller visiblement en rouge [2].

Les revêtements spécialisés sont la clé

La conduction de la chaleur dans l'engin spatial est la façon moins favorable de gérer l'échauffement de surface en raison des limitations de température de tous les matériaux utilisés dans l'engin spatial. Il n'y a que tant de chaleur que l'engin spatial peut absorber avant que les limites des matériaux ne soient dépassées et que des défaillances catastrophiques ne surviennent.

Les ingénieurs ont trouvé une solution astucieuse 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 isolant thermique, à savoir la silice (dioxyde de silicium). En plus, un revêtement de borosilicate noir est appliqué sur ce matériau afin de maximiser les propriétés d'émission de rayonnement de la surface. Ainsi, jusqu'à 95 % de la chaleur rencontrée est évacuée immédiatement, ne laissant que 5 % de la chaleur à être absorbée par l'intérieur des tuiles.

La totalité de la surface inférieure des orbiteurs de navette spatiale est recouverte de ces tuiles noires, constituées d'un système de fibres de silice avec un contenu volumique de seulement 6 %. Le volume restant est rempli d'air. Chaque tuile est marquée d'un numéro d'identification pour assurer la maintenance et l'assemblage corrects dans sa position unique. Les tuiles sont collées à la structure en aluminium sous-jacente avec une « colle » en caoutchouc de silicone.

D'autres systèmes de protection thermique, tels que les systèmes ablatifs, utilisent aussi des matériaux isolants, qui sont délibérément érodés par la chaleur excessive. Par conception, les systèmes ablatifs ne peuvent être utilisés qu'une seule fois avant de nécessiter un remplacement complet. En contraste, les tuiles de silice sont réutilisables, malgré leur impressionnante température de service de pointe d'environ 1900 K pendant la phase de rentrée.

Pour des 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 mince, thermiquement conducteur, 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, Métaux dans l'espace : comment les superalliages ont changé le paysage des fusées. De plus, Elon Musk prévoit d'utiliser le refroidissement actif de l'acier inoxydable sur toute la surface face au vent du nouveau vaisseau spatial Starship.

La phase d'entrée atmosphérique n'est pas la seule phase opérationnelle où un engin spatial est soumis à un échauffement de surface considérable. Le simple fait d'être exposé à la lumière du soleil dans l'espace peut faire monter la température de surface rapidement jusqu'à environ 500 K.

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

Les inconvénients des engins spatiaux hautement réfléchissants

Dans certains cas, la réflectivité d'un engin spatial peut être problématique. Récemment, SpaceX a reçu de sérieuses plaintes concernant leurs satellites interférant avec les observations des astronomes [5].

La réflectivité optique n'avait pas été prise en compte pour la conception globale des satellites Starlink. Cependant, SpaceX a reconnu ce défaut et travaille activement à une solution en appliquant 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 aussi agir comme une source substantielle de chauffage qui doit être prise en compte dans le système global. Donc, ce n'est pas un changement simple mais un qui doit être soigneusement conçu et validé par essais et erreurs.

La recherche sur les matériaux absorbant les ondes électromagnétiques remonte à la Seconde Guerre mondiale, quand les Allemands ont fait face aux systèmes radar hautement réussis des Alliés. Cette recherche a abouti à une peinture à base de ferrite, qui peut être considérée comme le premier matériau absorbant radar créé artificiellement [7].

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

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 hautement complexes intégrés dans l'un des environnements les plus exigeants que nous connaissons. La détérioration la plus forte que subissent les structures externes des satellites est généralement liée à l'érosion de surface provenant de l'irradiation UV dans l'espace et du bombardement par l'oxygène atomique [8], en plus des cycles thermiques sévères, selon leurs caractéristiques orbitales.

La couche la plus externe d'un satellite est la surface définissante pour toutes les interactions thermiques avec l'environnement. Si elle est optimisée pour 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 une protection contre les impacts de micrométéorites et débris du satellite pourraient manquer. Par conséquent, la couche la plus externe doit remplir une multitude de fonctions et d'exigences.

Les céramiques multicouches à base de carbone se sont avérées être un matériau efficace pour réaliser une peau d'engin spatial multifonctionnelle, légère et robuste. La figure 3 montre comment le carbone renforcé de fibres de carbone (Carbone/Carbone ou C/C) offre une haute stabilité thermique sur une large plage de température. Les composants C/C peuvent être fabriqués avec un processus d'infiltration chimique en phase vapeur.

Une vraie cape d'invisibilité

Il peut sembler trivial de cacher un objet dans l'espace en le coloriant simplement de la même façon que le fond : noir. Cependant, même les objets qui absorbent toute la lumière visible peuvent être de parfaits réflecteurs d'irradiation électromagnétique à d'autres longueurs d'onde, par exemple les micro-ondes.
La protection thermique supérieure que le C/C fournit peut être combinée avec les caractéristiques d'absorption d'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 aussi être utilisés pour fabriquer des nanomatériaux ultra-résistants, comme décrit dans cet article par Wade Lanning.

Les couches externes du multicouche blindé montré dans la figure 4, avec un contenu en nanotubes de carbone allant jusqu'à 1,5 %, fournissent d'excellentes caractéristiques d'absorption micro-ondes, agissant comme une cape d'invisibilité pour le satellite. L'épaisseur des couches individuelles ainsi que leur composition sont optimisées en utilisant 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 engin spatial est bien conçu et testé ici sur Terre, des surprises dans sa fonctionnalité et des effets non intentionnels peuvent encore être rencontrés en orbite, comme SpaceX et leur constellation de satellites Starlink l'ont montré. Les matériaux céramiques, composites et revêtements offrent des caractéristiques hautement désirables comme la stabilité à long terme et la protection thermique, permettant une nouvelle ère d'exploration spatiale avancée.