Mengembangkan cryotank sferis tanpa liner, semua-komposit,

Kendaraan peluncuran untuk perjalanan ruang angkasa membutuhkan banyak bahan bakar, dan banyak penyimpanan bahan bakar. Propelan roket khas seperti oksigen, hidrogen dan nitrogen dapat disimpan sebagai gas pada suhu kamar, tetapi karena gas memiliki kepadatan yang relatif rendah, menyimpan propelan gas yang cukup untuk peluncuran ruang angkasa akan memerlukan tangki yang sangat besar, menambah berat pesawat ruang angkasa dan membatasi kapasitas muatannya. Propelan ini, kemudian, idealnya disimpan pada kepadatan yang lebih tinggi sebagai cairan, memungkinkan penggunaan tangki yang lebih kecil dan lebih sedikit untuk menyimpannya, tetapi banyak propelan umum harus didinginkan hingga suhu sangat dingin (juga dikenal sebagai kriogenik, dan umumnya mengacu pada suhu di bawah -150°C, atau -238°F) untuk berwujud cair.

Untuk tujuan ini, pada April 2020, Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Okla., AS) mengumumkan pengembangan cryotank semua-komposit bulat, tanpa liner — bejana tekan untuk menyimpan propelan kriogenik pada kendaraan peluncuran ruang angkasa bertenaga roket.

Linerless — juga dikenal sebagai Tipe V — bejana tekan telah lama menjadi tujuan dalam merancang tangki penyimpanan tekanan tinggi komposit serat karbon. Secara tradisional, bejana tekan Tipe I hingga IV telah memasukkan setidaknya beberapa persentase logam, setidaknya sebagai lapisan antara gas atau cairan yang disimpan dan eksterior komposit (Tipe IV). Menghilangkan komponen logam secara signifikan mengurangi berat tangki, dalam kasus tangki penyimpanan bahan bakar untuk pesawat ruang angkasa, mengurangi biaya peluncuran kendaraan atau meningkatkan kapasitas muatan.

Namun, desain semua komposit untuk bahan bakar kriogenik seperti nitrogen cair atau oksigen cair cenderung menyebabkan masalah retak mikro yang sulit dipahami pada laminasi. Karena laminasi komposit menghadapi paparan suhu ekstrem seperti pendinginan hingga tingkat kriogenik, perbedaan koefisien ekspansi termal (CTE) antara setiap lapisan dapat menyebabkan keretakan dan kebocoran. Banyak sistem resin juga menjadi rapuh pada suhu kriogenik, memperburuk masalah ini. Menurut CEO ICT Matt Villarreal, Infinite Composites Technologies telah mengembangkan cryotank tanpa liner yang menghilangkan masalah microcracking.

Menurut Villarreal, tangki penyimpanan kriogenik semua-komposit — yang berbentuk bulat, khususnya, karena ukurannya yang lebih kecil — dianggap oleh banyak orang sebagai teknologi kunci yang memungkinkan untuk eksplorasi jangka panjang dan kelangsungan hidup di luar angkasa. Meskipun banyak pendarat bulan dalam pengembangan oleh badan antariksa seperti NASA menggabungkan desain tangki bola, katanya, hingga sekarang tangki bola semuanya lebih berat, bola logam yang kurang hemat bahan bakar atau bejana tekan komposit-overwrapped logam bulat (COPV). Tangki semua-komposit ICT, yang disebut CryoSphere, menawarkan potensi opsi yang lebih ringan dan lebih hemat bahan bakar untuk menyimpan bahan bakar.

Dari mobil balap hingga roket

Sebelum cryotanks menjadi bagian dari gambar, Villarreal dan mitra bisnis Michael Tate memulai karir mereka dalam desain bejana tekan komposit saat kuliah di Oklahoma State University (Stillwater, Okla., A.S.). Pada tahun 2008, mereka bergabung dengan tim kecil Formula SAE sekolah, yang sedang mengerjakan desain untuk kendaraan bergaya Formula Satu skala seperempat untuk bersaing dalam acara internasional yang akan datang dari kompetisi teknik dan desain perguruan tinggi Formula SAE. Untuk menarik dana yang sangat dibutuhkan dari perusahaan gas alam lokal, Villarreal dan Tate membantu mengubah kendaraan tim menjadi menggunakan gas alam terkompresi (CNG), tetapi menemukan bahwa tangki penyimpanan CNG semua logam yang mereka gunakan sangat berat sehingga mempengaruhi kinerja mobil. efisiensi bahan bakar hingga mereka harus mengisi bahan bakar mobil berkali-kali selama uji coba ketahanan 24 jam kompetisi.

“Setelah balapan, kami kembali dan melakukan penelitian, dan menemukan bahwa massa tangki adalah masalah utama di banyak industri yang berbeda, dan merupakan teknologi kunci yang memungkinkan untuk energi bersih untuk transportasi dan eksplorasi ruang angkasa,” kata Villarreal.

Selama penelitian mereka tentang teknologi yang memfasilitasi tangki CNG yang lebih ringan, Villarreal mengatakan bahwa dia dan Tate mulai memikirkan konsep untuk Tipe V, tangki komposit linerless yang dipuji di industri sebagai "Cawan Suci" bejana tekan. Kemudian pada tahun 2008, Villarreal dan Tate memulai sebuah perusahaan bernama CleanNG LLC untuk, pada awalnya, mengembangkan tangki bertekanan tinggi untuk penyimpanan gas alam. Sejak 2013, bejana tekan infiniteCPV komposit serat karbon semua silinder perusahaan telah digunakan dalam aplikasi berbasis darat dan industri untuk menyimpan, seperti yang dirancang awalnya, gas alam terkompresi, dan juga, semakin banyak, gas krypton, nitrogen, dan helium terkompresi juga .

Ketika perusahaan terus bekerja pada desain bejana tekannya, Villarreal mengatakan, perusahaan yang membangun kendaraan ruang angkasa mulai menjangkau CleanNG dengan dana penelitian dan pengembangan untuk mengembangkan versi tank mereka untuk digunakan pada pesawat ruang angkasa. “Setelah beberapa saat, kasus bisnis menjadi lebih menarik untuk ruang,” kata Villarreal.

Pada tahun 2016, perusahaan mengubah namanya menjadi Infinite Composites Technologies, dan pada tahun-tahun sejak itu, ICT telah berfokus terutama pada proyek-proyek ruang komersial, meskipun Villarreal mengatakan perusahaan juga bekerja pada aplikasi pertahanan seperti selubung motor roket serta pesawat militer dan pesawat tak berawak. kendaraan udara. Sebagai bagian dari transisi ini, desain tangki CPV tak terbatas silinder telah diintegrasikan ke dalam beberapa kendaraan peluncuran roket yang diperkirakan akan terbang pada tahun 2020.

CryoSphere, kata Villarreal, pada dasarnya adalah evolusi dari tangki CPV infinite asli.

Mengembangkan CryoSphere

Ketika fokus TIK semakin mengarah pada kebutuhan pesawat ruang angkasa, Villarreal mengatakan:“Kami mulai melihat tren bahwa tantangan sebenarnya adalah membuat cryotank komposit.” Tangki kriogenik, atau cryotanks, adalah bejana tekan yang dirancang khusus untuk menahan tidak hanya tekanan tinggi tetapi juga suhu rendah yang ekstrem, seperti suhu di bawah 200 °F yang diperlukan untuk penyimpanan nitrogen cair, oksigen cair, metana cair, atau bahan bakar lain dan pengoksidasi yang digunakan untuk menggerakkan kendaraan peluncuran luar angkasa.

Perusahaan mengajukan permohonan pendanaan dari negara bagian Oklahoma, dan menerima hibah tiga tahun senilai $300.000 dari Pusat Kemajuan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (OCAST) pada tahun 2013 untuk karakterisasi material dan pengujian tingkat material dari konsep cryotank. “Proyek ini cukup berhasil,” kata Villarreal. “Kami menemukan beberapa kandidat material yang bagus dan memiliki indikasi yang baik bahwa kami dapat bergerak maju dengan konsep tersebut dan mulai melamar hal-hal lain.”

ICT mengajukan konsep cryotanknya ke Johnson Space Center NASA (Houston, Texas, AS) pada tahun 2018, dan kemudian memulai proyek pengembangan cepat untuk cryotank komposit untuk digunakan dalam kendaraan demonstrasi pendarat bulan — kendaraan yang, kata Villarreal, serupa ke Morpheus NASA sebelumnya kendaraan uji lepas landas vertikal dan pendaratan vertikal (VTVL). Persyaratan kinerja tangki termasuk kemampuan untuk menahan 10 siklus nitrogen cair (LN2) pada tekanan 100 psi, yang melibatkan penurunan suhu hingga -290 °F dan kemudian kembali ke suhu sekitar. Selain itu, tangki tidak boleh jatuh lebih dari 10 psi selama pemeriksaan helium selama 30 menit antara setiap siklus LN2, dan tangki harus tahan terhadap ledakan cryo pasca-siklus sebesar 1.000 psi (±100 psi).

Putaran pertama pengujian pada cryotank silindris berhasil sebagian, hanya bertahan selama lima siklus kriogenik. “Kami mempercepat proyek, dan pada dasarnya mengubah desain dalam waktu sekitar delapan minggu,” kata Villarreal. “Itu sangat terburu-buru,” akunya, “dan tangki selamat dari beberapa siklus termal, tetapi kemudian mulai bocor.” Masalahnya adalah microcracking di laminasi. Tim menyelesaikan pengujian dan kemudian “kembali ke papan gambar”, kata Villarreal.

“Teknologi inti ada di material,” kata Efren Luevano, manajer teknik ICT. CryoSphere terbuat dari serat karbon Toray (Tokyo, Jepang) T800 dan resin epoksi, dan diproduksi melalui gulungan filamen, diawetkan pada suhu kamar, dan dikeringkan di oven industri (bukan autoklaf) di fasilitas Tulsa ICT.

Mencoba memecahkan dilema perengkahan mikro, ICT memulai pengujian berulang dari beberapa jenis aditif dalam matriks resin epoksi yang diperkuat secara kimiawi, dalam konsentrasi yang berbeda. Dalam prosesnya, tim menemukan kombinasi dua aditif yang, ketika tangki diuji lagi, memungkinkan desain untuk memenuhi persyaratan termal. Salah satunya adalah graphene.

“Untuk kasus ini, kami menggunakan graphene sebagai penguat mekanis pada skala nano,” kata Villarreal. Dia menjelaskan bahwa platelet graphene, yang dipasok oleh Applied Graphene Materials (Cleveland, Inggris), meregang melintasi ruang di antara serat dan menciptakan penghalang untuk retakan terbentuk di laminasi. Grafena juga meningkatkan kekuatan ikatan antar lapisan.

“Apa yang Anda coba lakukan adalah menjaga serat tetap di tempatnya saat Anda menekan tangki dan menerapkan beban ke tangki,” jelas Villarreal. Pada suhu rendah, resin menjadi rapuh dan mulai retak - saat tekanan ditambahkan ke serat, mereka mulai meluncur satu sama lain dan memutuskan ikatan kimia di antara mereka, katanya. Trombosit graphene bertindak sebagai penguat mekanis di antara lapisan serat, mengurangi kemungkinan pergerakan dan patah.

Aditif eksklusif tambahan juga dimasukkan ke dalam matriks, membuat laminasi lebih ulet pada suhu rendah dan menciptakan lebih banyak sifat insulatif dalam laminasi. Selain microcracking, “[isolasi adalah] salah satu tantangan cryotank ini,” kata Villarreal. Dalam pengujian, desain CryoSphere baru yang menggabungkan resin yang disempurnakan dengan graphene membutuhkan waktu hampir satu jam dengan nitrogen cair di dalamnya "untuk menunjukkan tanda-tanda dingin." Meskipun tidak ada persyaratan khusus untuk ini, ia menambahkan bahwa pada tangki sebelumnya yang mereka uji dengan nitrogen cair, embun beku telah terbentuk di permukaan tangki eksternal dalam waktu 10 menit setelah tangki diisi dengan nitrogen cair.

Selain kompatibilitas kriogenik, Luevano menambahkan bahwa desain sferis merupakan tantangan tersendiri. Menurut Villarreal, keuntungan dari bentuk sferis adalah memungkinkan efisiensi pengemasan yang lebih baik untuk aplikasi dengan persyaratan ukuran yang ketat atau spesifik, seperti pendarat bulan. Namun, salah satu tantangannya adalah potensi selip selama pembuatan lebih besar pada permukaan bola dibandingkan dengan permukaan silinder, yang menurut Villarreal disebabkan oleh sudut belitan yang dibutuhkan dan permukaan akhir pada mandrel tidak menciptakan gesekan yang cukup untuk menjaga serat basah yang diresapi di tempatnya – keduanya membuat kontrol serat dan laydown lebih sulit. Tantangan lainnya adalah perangkat lunak desain pola yang digunakan tim dioptimalkan untuk silinder, dan tidak dapat menghasilkan pola yang layak untuk bola menggunakan alur kerja normal. “Kami harus kreatif dengan solusi,” tambahnya.

Desain sferis juga membantu mengatasi masalah microcracking — manfaat yang tidak disengaja, kata Villarreal. Tim menyadari dalam iterasi desain awal bahwa ada perbedaan suhu sekitar 150 ° F antara bagian bawah tangki dan bagian atas tangki, yang disebabkan oleh proses pengisian selama satu jam di mana nitrogen cair berada di bagian bawah setengah. tangki pada -290 ° F sementara nitrogen gas yang mengisi bagian atas hanya pada -140 ° F. “Ketika Anda mendapatkan gradien suhu yang sangat tajam di laminasi, itu dapat menyebabkan patah, karena satu bagian mencoba meregang pada tingkat yang berbeda dari bagian lain,” kata Villarreal. Gradien antara bagian atas dan bawah tangki dikurangi dengan bentuk bola yang lebih kecil, membantu mengurangi perbedaan suhu.

Desain baru yang dioptimalkan di tangan, ICT menandatangani kontrak pada akhir 2019 dengan NASA's Kennedy Space Center (Cape Canaveral, Fla., AS) untuk mengirimkan dua tangki kriogenik bulat untuk pengujian yang berukuran setengah dari silinder Morpheus tank pendarat. “CryoSpheres kami menyelesaikan semua pengujian siklus termal dengan pemeriksaan helium di antara setiap siklus untuk memastikan bahwa mikrofraktur tidak berkembang,” kata Villarreal. “Sepengetahuan kami,” tambahnya, “ada tiga vendor lain yang bersaing untuk mendapatkan kontrak ini, tetapi pada saat kami menyelesaikan pengujian, tidak ada vendor lain yang bahkan membuat prototipe pertama mereka.”

Langkah selanjutnya menuju penerbangan luar angkasa

Tes sedang berlangsung. ICT juga menerima dana untuk program MISSE NASA, yang meluncurkan materi ke Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) untuk tujuan eksperimental. Untuk ini, ICT menciptakan bola dengan diameter dua setengah inci — ukuran yang dikembangkan terutama untuk tujuan pengujian tetapi yang ditambahkan Villarreal dapat digunakan dalam aplikasi seperti sistem pneumatik untuk robot. "Mereka tampak aneh seperti granat kecil," catatnya. ICT mengirimkan lima dari CryoSpheres ini ke Pusat Penelitian Lanjutan Langley NASA (Hampton, Va., AS) pada Februari 2020. Peluncuran MISSE ke ISS awalnya direncanakan untuk Agustus 2020, tetapi telah ditunda hingga mungkin November, kata Villarreal. Setelah dikirim ke ISS, CryoSpheres akan ditempatkan di luar stasiun dan dipelajari selama sekitar enam bulan dengan sensor radiasi yang terpasang padanya, untuk menguji ketahanan material saat terkena panas dan radiasi saat mengorbit Bumi dan terpapar langsung. ke matahari. Jika tes ini berhasil, ICT akan menerima kembali CryoSpheres untuk pengujian kriogenik tambahan dan untuk menilai efek paparan radiasi pada bahan. Perhatian utama adalah bagaimana ikatan kimia dalam resin dapat terpengaruh.

Setelah itu, kata Villarreal, langkah selanjutnya adalah kualifikasi penerbangan. Dia mengatakan bahwa TIK telah menyelesaikan sekitar setengah dari pengujian kualifikasi menggunakan versi standar American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) S-081B, dan mengantisipasi bahwa sisa pengujian akan selesai pada akhir ketiga. kuartal tahun 2020.

Perusahaan juga berencana untuk meningkatkan ukuran tangki dengan diameter hingga 48 inci, ukuran yang ditentukan untuk pendarat bulan komersial yang sedang dikembangkan oleh NASA, dan bekerja dalam kemitraan untuk mengirim CryoSphere ke bulan.

“Tim kami memperluas batas dari apa yang mungkin dilakukan dengan tangki semua komposit,” Villarreal menyimpulkan. “Teknologi ini berpotensi merevolusi eksplorasi ruang angkasa dan transportasi berkelanjutan.”