Keramik di Luar Angkasa:Dari Pelindung Panas yang Dapat Digunakan Kembali hingga Jubah Gaib

Gambar 1:Tampilan skema pemanasan permukaan pesawat ruang angkasa berinsulasi [1].

Radiasi akan menjadi cara yang menguntungkan bagi perancang pesawat ruang angkasa untuk menghilangkan panas yang diserap, karena lingkungan hampir tidak terpengaruh oleh panas yang terpancar, sedangkan pesawat ruang angkasa dapat hancur dan/atau meleleh jika terlalu banyak panas yang terakumulasi selama fase masuk.

Namun, efisiensi radiasi terkait dengan pangkat empat suhu permukaan. Ini berarti bahwa ia hampir tidak memainkan peran apa pun untuk suhu permukaan yang dapat ditangani oleh sebagian besar bahan dengan nyaman tetapi menjadi mekanisme perpindahan panas/pendinginan yang dominan pada suhu di atas ~1000 K . Anda mungkin akrab dengan kisaran suhu ini karena hampir semua bahan padat mulai tampak bersinar merah di sekitar sini [2].

Pelapis khusus adalah kuncinya

Konduksi panas ke dalam pesawat ruang angkasa adalah cara yang kurang baik untuk menangani pemanasan permukaan karena keterbatasan suhu dari semua bahan yang digunakan di dalam pesawat ruang angkasa. Hanya ada begitu banyak panas yang dapat diserap pesawat ruang angkasa sebelum batas material terlampaui dan kegagalan bencana dapat terjadi .

Para insinyur menemukan solusi cerdas yang memanfaatkan kedua mekanisme perpindahan panas . Misalnya, permukaan pengorbit pesawat ulang-alik yang dipanaskan ditutupi dengan bahan penyekat panas yang baik , yaitu silika (silikon dioksida). Selain itu, lapisan borosilikat hitam diterapkan pada bahan ini untuk memaksimalkan sifat emisi radiasi permukaan. Dengan cara ini, hingga 95% dari panas yang ditemui akan segera hilang , menyisakan hanya 5% panas yang diserap oleh bagian dalam ubin.

Seluruh permukaan bawah pesawat ulang-alik pengorbit ditutupi dengan ubin hitam ini , terdiri dari sistem serat silika dengan kandungan volume hanya 6%. Volume yang tersisa diisi dengan udara . Setiap ubin ditandai dengan nomor identifikasi untuk memastikan perawatan dan perakitan yang benar pada posisinya yang unik. Ubin direkatkan ke struktur aluminium di bawahnya dengan “lem” karet silikon.

Sistem perlindungan termal lainnya, seperti sistem abrasif , juga gunakan bahan isolasi, yang sengaja terkikis oleh panas yang berlebihan . Secara desain, sistem abrasif hanya dapat digunakan sekali sebelum memerlukan penggantian total. Sebaliknya, ubin silika dapat digunakan kembali, meskipun layanan puncaknya mengesankan suhu sekitar 1900 K selama fase masuk kembali .

Untuk terutama area yang sangat panas , seperti ujung depan struktur aerodinamis, isolasi termal tidak cukup , membutuhkan pendinginan aktif. Dalam hal ini, tidak ada lapisan keramik penyekat, melainkan bahan konduktif termal yang relatif tipis.

Prinsip ini sebanding dengan pendinginan ruang bakar utama di mesin utama pesawat ulang-alik, yang dijelaskan secara rinci di artikel kami sebelumnya, Logam di Luar Angkasa:Bagaimana superalloy mengubah lanskap roket . Selain itu, Elon Musk berencana menggunakan pendinginan aktif baja tahan karat di seluruh permukaan yang menghadap angin dari pesawat luar angkasa Starship yang baru dirancang.

Fase masuk atmosfer bukan satu-satunya fase operasional di mana pesawat ruang angkasa mengalami pemanasan permukaan yang cukup besar. Hanya terkena sinar matahari di luar angkasa dapat menaikkan suhu permukaan dengan cepat hingga sekitar 500 K .

Terhadap hal ini, pengorbit pesawat ulang-alik dilindungi oleh ubin silika yang sama menggunakan lapisan putih, yang terdiri dari campuran senyawa silika dan aluminium oksida [4], untuk memaksimalkan reflektifitas permukaan dan hanya menyerap sebagian kecil dari fluks energi matahari yang datang.

Kelemahan pesawat luar angkasa yang sangat reflektif

Dalam beberapa kasus, reflektifitas pesawat ruang angkasa dapat menjadi masalah . Baru-baru ini, SpaceX menerima keluhan serius tentang satelit mereka yang mengganggu pengamatan para astronom [5].

Satelit Starlink SpaceX menciptakan konstelasi bintang buatan di langit, yang dikhawatirkan para astronom akan mengganggu perhitungan data mereka dan mencemari langit malam.

Reflektifitas optik tidak dipertimbangkan untuk keseluruhan desain satelit Starlink. Namun, SpaceX mengakui kekurangan ini dan secara aktif mengupayakan solusi dengan melapisi sisi yang menghadap Bumi dari satelit [6].

Lapisan ini sangat mempengaruhi sifat termal satelit karena cahaya yang dipancarkan dan dipantulkan oleh Bumi juga dapat bertindak sebagai sumber pemanasan yang substansial yang perlu diperhitungkan dalam sistem secara keseluruhan. Oleh karena itu, ini bukan perubahan langsung, tetapi perubahan yang perlu dirancang dan divalidasi dengan cermat melalui uji coba.

Penelitian tentang bahan penyerap gelombang elektromagnetik dimulai pada Perang Dunia II, ketika Jerman menghadapi sistem radar pertama Sekutu yang sangat sukses. Penelitian ini menghasilkan cat berbahan dasar ferit , yang dapat dianggap sebagai bahan penyerap radar pertama yang dibuat secara artifisial [7].

Saat ini, tanda tangan radar satelit perlu ditekan dalam beberapa kasus untuk alasan strategis, menyelubungi mereka dari sistem deteksi musuh. Namun, operator satelit yang memilih untuk menerapkan teknologi penyerap radar perlu memberikan perhatian ekstra untuk memastikan bahwa satelit mereka tidak berkontribusi pada meningkatnya masalah sampah antariksa di orbit Bumi setelah akhir layanan, karena mereka bahkan lebih sulit ditemukan dan dihilangkan.

Mengapa material/komposit multifungsi adalah suatu keharusan

Dari pertimbangan di atas, Anda dapat melihat bahwa pesawat ruang angkasa seperti satelit adalah sistem yang sangat kompleks yang tertanam di salah satu lingkungan paling menuntut yang kita ketahui . Kerusakan terkuat yang dialami struktur satelit eksterior biasanya terkait dengan erosi permukaan berasal dari iradiasi UV di luar angkasa dan dari pemboman dengan oksigen atom [8], selain siklus termal yang parah , tergantung pada karakteristik orbitnya .

Satelit adalah sistem yang sangat kompleks yang tertanam di salah satu lingkungan paling menuntut yang kita ketahui.

Lapisan terluar satelit adalah permukaan yang menentukan untuk semua interaksi termal dengan lingkungan. Jika dioptimalkan hanya untuk satu tujuan, misalnya untuk meminimalkan reflektifitas elektromagnetik , fitur lain yang diperlukan untuk fungsionalitas nominal seperti emisivitas permukaan tertentu untuk pendinginan atau perlindungan dampak dari mikrometeorit dan puing-puing satelit mungkin hilang. Oleh karena itu, lapisan terluar harus memenuhi banyak fungsi dan persyaratan.

Gambar 3:Stabilitas termal bahan yang berbeda [9].

Keramik berbasis karbon berlapis-lapis telah terbukti menjadi bahan yang efektif untuk mendapatkan kulit pesawat ruang angkasa yang multifungsi, ringan dan kuat. Gambar 3 menunjukkan bagaimana karbon yang diperkuat serat karbon (Karbon/Karbon atau C/C) memberikan stabilitas termal yang tinggi pada rentang suhu yang besar. Komponen C/C dapat diproduksi dengan proses infiltrasi uap kimia.

Jubah tembus pandang yang sebenarnya

Menyembunyikan objek di ruang angkasa mungkin tampak sepele hanya dengan mewarnainya dengan cara yang sama seperti latar belakang :hitam . Namun, bahkan objek yang menyerap semua cahaya tampak dapat menjadi reflektor sempurna dari penyinaran elektromagnetik pada panjang gelombang lain, misalnya gelombang mikro .
Perlindungan termal superior yang diberikan C/C dapat dikombinasikan dengan karakteristik penyerap gelombang elektromagnetik dari matriks epoksi dengan tambahan tabung nano karbon multi-dinding . Karbon nanotube tidak hanya memiliki potensi untuk meningkatkan absorbansi gelombang elektromagnetik, tetapi juga dapat digunakan untuk membuat bahan nano ultra kuat, seperti yang dijelaskan dalam artikel ini oleh Wade Lanning.

Gambar 4:Gambar satelit kubus (CubeSat) dan tampilan skema sistem proteksi termalnya. C/C dikombinasikan dengan multilayer pelindung yang menyerap radiasi elektromagnetik [8].

Lapisan luar dari multilayer pelindung yang ditunjukkan pada gambar 4, dengan kandungan karbon nanotube hingga 1,5%, memberikan karakteristik penyerap gelombang mikro yang sangat baik , bertindak sebagai jubah tembus pandang untuk satelit. Ketebalan lapisan individu serta komposisinya dioptimalkan menggunakan pendekatan pembelajaran mesin , mengikuti tren terbaru dalam ilmu material.

Seperti yang Anda lihat, bahan mutakhir dan aplikasi komposit multifungsi diperlukan untuk menahan lingkungan ruang yang menuntut .

Tidak peduli seberapa baik pesawat ruang angkasa dirancang dan diuji di Bumi, beberapa kejutan dalam fungsi dan efek yang tidak diinginkan masih dapat ditemui di orbit, seperti yang ditunjukkan oleh SpaceX dan konstelasi satelit Starlink mereka. Bahan keramik, komposit, dan pelapis menawarkan karakteristik yang sangat diinginkan seperti stabilitas jangka panjang dan perlindungan termal, memungkinkan era baru eksplorasi ruang angkasa tingkat lanjut.

Terbuat Dari Apa Drone? Tetap Aman dan Mantap dengan Perlengkapan Olahraga Musim Dingin berbahan Aluminium