Perancang Tank Kriogenik Bola Komposit Semua Tanpa Liner untuk Penyimpanan Bahan Bakar Ruang Angkasa
Kendaraan peluncur untuk perjalanan angkasa membutuhkan banyak bahan bakar dan banyak penyimpanan bahan bakar. Bahan bakar roket umum seperti oksigen, hidrogen, dan nitrogen dapat disimpan sebagai gas pada suhu kamar, tetapi karena gas memiliki densitas relatif rendah, menyimpan cukup bahan bakar gas untuk peluncuran angkasa akan memerlukan tabung yang sangat besar, menambah berat pesawat angkasa dan membatasi kapasitas muatan utama. Oleh karena itu, bahan bakar ini idealnya disimpan dengan densitas lebih tinggi sebagai cairan, yang memungkinkan penggunaan tabung yang lebih kecil dan lebih sedikit untuk menyimpan mereka, tetapi banyak bahan bakar umum harus disejukan ke suhu ultra dingin (disebut juga kriogenik, dan umumnya merujuk pada suhu di bawah -150°C, atau -238°F) untuk wujud sebagai cairan.
Untuk tujuan ini, pada April 2020, Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Oklahoma, AS) mengumumkan pengembangan tank kriogenik bola, tanpa liner, komposit semuanya — wadah tekanan untuk menyimpan bahan bakar kriogenik pada kendaraan peluncur angkasa yang didorong roket.
Tanpa liner — juga dikenal sebagai Tipe V — wadah tekanan telah lama menjadi tujuan dalam merancang tabung penyimpanan tekanan tinggi serat karangan komposit. Secara tradisional, wadah tekanan Tipe I hingga IV telah menyertakan setidaknya beberapa persentase logika, setidaknya sebagai pelapis antara gas atau cairan yang disimpan dan eksterior komposit (Tipe IV). Menghilangkan komponen logika secara signifikan mengurangi berat tabung, yang, dalam hal tabung penyimpanan bahan bakar untuk pesawat angkasa, mengarah pada biaya peluncuran kendaraan yang lebih rendah atau kapasitas muatan yang ditingkatkan.
Namun, desain komposit semuanya untuk bahan bakar kriogenik seperti nitrogen cair atau oksigen cenderung menyebabkan masalah mikroretakan yang sulit dicapai dalam laminat. Ketika laminat komposit terpadu dengan suhu ekstrem seperti pendinginan ke level kriogenik, perbedaan koefisien ekspansi termal (CTE) antara setiap lapis dapat menyebabkan retakan dan kebocoran. Banyak sistem resin juga menjadi rapuh pada suhu kriogenik, memperparah masalah tersebut. Menurut CEO ICT Matt Villarreal, Infinite Composites Technologies telah mengembangkan tank kriogenik tanpa liner yang menghilangkan masalah mikroretakan.
Menurut Villarreal, tabung penyimpanan kriogenik komposit semuanya — terutama yang berbentuk bola, karena jejak yang lebih kecil — dianggap oleh banyak orang sebagai teknologi pendukung kunci untuk eksplorasi dan bertahan hidup jangka panjang di angkasa. Meskipun banyak lander bulan yang sedang dikembangkan oleh agensi angkasa seperti NASA menggabungkan desain tabung bola, katanya, hingga saat ini tabung bola semuanya telah menjadi bola logika lebih berat, kurang efisien bahan bakar, atau wadah tekanan komposit dilapisi logika berbentuk bola (COPV). Tank komposit semuanya ICT, yang disebut CryoSphere, menawarkan potensi untuk opsi yang lebih ringan dan lebih efisien bahan bakar untuk menyimpan bahan bakar.
Dari Mobil Balap ke Roket
Sebelum tank kriogenik menjadi bagian dari gambaran, Villarreal dan mitra bisnisnya Michael Tate memulai karir mereka dalam desain wadah tekanan komposit saat di perguruan tinggi di Oklahoma State University (Stillwater, Oklahoma, AS). Pada 2008, mereka bergabung dengan tim kecil Formula SAE sekolah, yang sedang mengerjakan desain untuk kendaraan gaya Formula One skala separuh untuk bersaing dalam acara internasional mendatang dari kompetensi rekayasa dan desain colegial Formula SAE. Untuk menarik pendanaan yang sangat dibutuhkan dari perusahaan gas alam lokal, Villarreal dan Tate membantu mengonversi kendaraan tim untuk berjalan pada gas alam terkompresi (CNG), tetapi menemukan bahwa tabung penyimpanan CNG logika semua yang mereka gunakan begitu berat hingga mempengaruhi efisiensi bahan bakar mobil sehingga mereka harus mengisi ulang mobil banyak kali selama uji tahan 24 jam kompetisi.
“Setelah balapan, kami kembali dan melakukan beberapa riset, dan menemukan bahwa massa tabung adalah masalah besar di banyak industri yang berbeda, dan adalah teknologi pendukung kunci untuk baik energi bersih untuk transportasi maupun eksplorasi angkasa,” ujar Villarreal.
Selama riset mereka tentang teknologi yang memfasilitasi tabung CNG yang lebih ringan, Villarreal mengatakan bahwa dia dan Tate mulai memikirkan konsep untuk tabung komposit tanpa liner Tipe V yang dipuji di industri sebagai “Sungkahan Suci” wadah tekanan. Akhir 2008, Villarreal dan Tate memulai sebuah perusahaan yang disebut CleanNG LLC untuk, awalnya, mengembangkan tabung tekanan tinggi untuk penyimpanan gas alam. Sejak 2013, wadah tekanan komposit serat karangan semua infiniteCPV silindrik perusahaan telah digunakan dalam aplikasi berbasis tanah dan industri untuk menyimpan, sebagaimana direncang awal, gas alam terkompresi, dan juga, secara berkala, gas kripton, nitrogen, dan helium yang ditekan.
Saat perusahaan melanjutkan pekerjaan pada desain wadah tekanan mereka, Villarreal mengatakan, perusahaan yang membangun kendaraan angkasa mulai menghubungi CleanNG dengan pendanaan penelitian dan pengembangan untuk mengembangkan versi tabung mereka untuk digunakan pada pesawat angkasa. “Setelah beberapa waktu, kasus bisnis menjadi lebih menarik untuk angkasa,” ujar Villarreal.
Pada 2016, perusahaan mengubah namanya menjadi Infinite Composites Technologies, dan dalam tahun-tahun sejak itu, ICT telah berfokus terutama pada proyek angkasa komersial, meskipun Villarreal mengatakan bahwa perusahaan juga bekerja pada aplikasi pertahanan seperti kasung motor roket serta pesawat militer dan kendaraan udara tidak berpilot. Sebagai bagian dari transisi ini, desain tabung silindrik infiniteCPV telah diintegrasikan ke dalam beberapa kendaraan peluncur roket yang diprediksi akan terbang pada 2020.
CryoSphere, kata Villarreal, pada dasarnya adalah evolusi dari tabung infiniteCPV asli.
Mengembangkan CryoSphere
Saat fokus ICT semakin beralih ke kebutuhan pesawat angkasa, Villarreal mengatakan: “Kami mulai melihat tren bahwa tantangan nyata adalah membuat tank kriogenik komposit.” Tank kriogenik, atau cryotank, adalah wadah tekanan yang dirancang khusus untuk menahan tidak hanya tekanan tinggi tetapi juga suhu rendah ekstrem, seperti suhu di bawah -200°F yang diperlukan untuk penyimpanan nitrogen cair, oksigen cair, metana cair, atau bahan bakar dan oksidator lainnya yang digunakan untuk mendorong kendaraan peluncur angkasa.
Perusahaan mengajukan permintaan pendanaan dari negara bagian Oklahoma, dan menerima hibah tiga tahun senilai $300.000 dari Center for the Advancement of Science and Technology (OCAST) pada 2013 untuk karakterisasi material dan uji level material dari konsep cryotank. “Proyek tersebut cukup berhasil,” ujar Villarreal. “Kami menemukan beberapa kandidat material yang baik dan memiliki indikasi yang baik bahwa kami dapat melanjutkan dengan konsep tersebut dan mulai mengajukan hal-hal lain.”
ICT mempresentasikan konsep cryotank mereka ke Johnson Space Center NASA (Houston, Texas, AS) pada 2018, dan kemudian memulai proyek pengembangan cepat untuk cryotank komposit yang akan digunakan dalam kendaraan demonstrasi lander bulan — kendaraan yang, kata Villarreal, mirip dengan kendaraan uji vertikal takeoff and vertical landing (VTVL) Morpheus NASA sebelumnya. Persyaratan kinerja tabung 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 lingkungan. Selain itu, tabung tidak boleh turun lebih dari 10 psi selama pemeriksaan helium 30 menit antara setiap siklus LN2, dan harus dapat menahan peledakan kriogenik pasca-siklus 1.000 psi (±100 psi).
Putaran uji pertama pada cryotank silindrik berhasil sebagian, bertahan hanya lima siklus kriogenik. “Kami mempercepat proyek, dan pada dasarnya membalikkan desain dalam waktu sekitar delapan minggu,” ujar Villarreal. “Itu adalah balapan yang hebat,” dia mengakui, “dan tabung bertahan beberapa siklus termal, tetapi kemudian mulai bocor.” Masalahnya adalah mikroretakan dalam laminat. Tim menyelesaikan pengujian dan kemudian “kembali ke papan gambar,” ujar Villarreal.
“Teknologi inti ada dalam material,” ujar Efren Luevano, manajer teknik ICT. CryoSphere terbuat dari serat karangan Toray (Tokyo, Jepang) T800 dan resin epoksi, dan diproduksi melalui filament winding, diobati pada suhu kamar, dan post-cured dalam oven industri (bukan autoklaf) di fasilitas ICT Tulsa.
Dalam upaya memecahkan dilemma mikroretakan, ICT mulai melakukan uji berulang terhadap beberapa jenis aditif dalam matriks resin epoksi yang disesuaikan secara kimiawi dan dimiliki secara eksklusif, dengan konsentrasi yang berbeda. Dalam prosesnya, tim menemukan kombinasi dua aditif yang, ketika tabung diuji lagi, memungkinkan desain untuk memenuhi persyaratan termal. Salah satunya adalah grafin.
“Dalam kasus ini, kami menggunakan grafin sebagai penguatan mekanik pada skala nano,” ujar Villarreal. Dia menjelaskan bahwa platelet grafin, yang disuplai oleh Applied Graphene Materials (Cleveland, Inggris), meregangkan ruang antara serat dan menciptakan halangan bagi retakan untuk terbentuk dalam laminat. Grafin juga meningkatkan kekuatan ikatan antara lapisan.
“Yang ingin Anda lakukan adalah menjaga serat tetap berada di tempat saat Anda menekan tabung dan menerapkan beban ke tabung,” ujar Villarreal. Pada suhu rendah, resin menjadi rapuh dan mulai retak — saat tekanan ditambahkan ke serat, mereka mulai melintasi satu sama lain dan memutus ikatan kimia di antara mereka, katanya. Platelet grafin bertindak sebagai penguatan mekanik antara lapisan serat, mengurangi kemungkinan pergerakan dan retakan.
Aditif eksklusif tambahan juga disertakan ke dalam matriks, membuat laminat lebih duktil pada suhu rendah dan menciptakan properti insulasi yang lebih baik dalam laminat. Selain mikroretakan, “[insulasi adalah] salah satu tantangan dari cryotank ini,” ujar Villarreal. Dalam pengujian, desain CryoSphere baru yang menggabungkan resin ditingkatkan grafin membutuhkan waktu hampir satu jam dengan nitrogen cair di dalamnya “untuk menunjukkan tanda-tanda dingin ke luar.” Meskipun tidak ada persyaratan khusus untuk ini, dia menambahkan bahwa pada tabung sebelumnya yang telah mereka uji dengan nitrogen cair, embun es telah terbentuk pada permukaan tabung eksternal dalam waktu 10 menit setelah mengisi tabung dengan nitrogen cair.
Selain kompatibilitas kriogenik, Luevano menambahkan bahwa desain bola adalah tantangan pada dirinya sendiri. Menurut Villarreal, manfaat bentuk bola adalah memungkinkan efisiensi pengemasan yang lebih baik untuk aplikasi dengan persyaratan ukuran yang sempit atau spesifik, seperti lander bulan. Namun, satu tantangan adalah potensi geser selama manufaktur yang lebih besar pada permukaan bola dibandingkan permukaan silinder, yang Villarreal katakan disebabkan oleh sudut gulungan yang diperlukan dan bahwa permukaan finis mandrel tidak menciptakan gesekan yang cukup untuk menjaga serat yang diimpregnasi basah tetap berada di tempat – keduanya membuat kontrol serat dan penataan 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 alternatif,” katanya tambahan.
Desain bola juga membantu dengan masalah mikroretakan — manfaat yang tidak disengaja, Villarreal says. Tim menyadari dalam iterasi desain awal bahwa ada perbedaan suhu sekitar 150°F antara bawah tabung dan atas tabung, yang disebabkan oleh proses pengisian selama satu jam di mana nitrogen cair menempel di bawah setengah tabung pada -290°F sementara gas nitrogen yang mengisi setengah atas hanya pada -140°F. “Saat Anda mendapatkan gradien suhu yang sangat tajam dalam laminat, itu dapat menyebabkan retakan, karena satu bagian mencoba meregang dengan laju yang berbeda dari bagian lain,” ujar Villarreal. Gradien tersebut antara atas dan bawah tabung berkurang dengan bentuk bola yang lebih kecil, membantu mengurangi kesenjangan suhu.
Dengan desain baru yang dioptimalkan, ICT menandatangani kontrak pada akhir 2019 dengan Kennedy Space Center NASA (Cape Canaveral, Florida, AS) untuk mengirimkan dua tank kriogenik bola untuk pengujian yang setengah skala dari tabung silindrik lander Morpheus. “CryoSphere kami menyelesaikan semua uji siklus termal dengan pemeriksaan helium di antara setiap siklus untuk memastikan bahwa mikroretakan belum berkembang,” ujar Villarreal. “Sejauh kami tahu,” katanya tambahan,” ada tiga vendor lain yang bersaing untuk kontrak ini, tetapi pada waktu kami selesai menguji, tidak ada vendor lain yang bahkan telah menciptakan prototipe pertama mereka.”
Langkah Berikutnya menuju Penerbangan Antariksa
Pengujian masih berlangsung. ICT juga menerima pendanaan untuk program MISSE NASA, yang meluncurkan material ke Stasiun Antariksa Internasional (ISS) untuk tujuan eksperimental. Untuk ini, ICT menciptakan bola dengan diameter dua setengah inci — ukuran yang dikembangkan terutama untuk tujuan pengujian tetapi yang Villarreal katakan dapat digunakan dalam aplikasi seperti sistem pneumatik untuk robot. “Mereka terlihat aneh seperti granat kecil,” dia notes. ICT menyerahkan lima CryoSphere ini ke Langley Advanced Research Center NASA (Hampton, Virginia, AS) pada Februari 2020. Peluncuran MISSE ke ISS awalnya direncanakan untuk Agustus 2020, tetapi telah ditunda hingga sekitar November, ujar Villarreal. Setelah sampai di ISS, CryoSphere akan ditempatkan di luar stasiun dan dipelajari selama sekitar enam bulan dengan sensor radiasi yang dipasang pada mereka, untuk menguji ketahanan material ketika terpapar panas dan radiasi saat mengorbit Bumi dan terpapar langsung oleh matahari. Jika pengujian ini berhasil, ICT akan menerima CryoSphere kembali untuk pengujian kriogenik tambahan dan untuk menilai efek paparan radiasi pada material. Perhatian utama adalah bagaimana ikatan kimia dalam resin mungkin terpengaruh.
Setelah itu, ujar Villarreal, langkah berikutnya adalah kualifikasi penerbangan. Dia mengatakan bahwa ICT telah menyelesaikan sekitar setengah dari pengujian kualifikasi menggunakan versi yang disesuaikan dari standar American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) S-081B, dan mengantisipasi bahwa sisa pengujian akan selesai pada akhir kuartal ketiga 2020.
Perusahaan juga berencana untuk meningkatkan ukuran tabung hingga 48 inci diameter, ukuran yang ditentukan untuk lander bulan komersial yang sedang dikembangkan oleh NASA, dan sedang bekerja pada kemitraan untuk mengirim CryoSphere ke bulan.
“Tim kami memperluas batas-batas apa yang mungkin dengan tabung komposit semuanya,” simpulkan Villarreal. “Teknologi ini memiliki potensi untuk merevolusi eksplorasi angkasa dan transportasi berkelanjutan.”
