Keramik Canggih di Penerbangan Antariksa: Heat Shield yang Dapat Digunakan Kembali dan Lainnya

Keramik digunakan untuk menciptakan seni dan berbagai macam piringan selama ribuan tahun. Saat ini, kita dapat menggunakannya untuk menciptakan pisau tahan lama yang sangat tajam yang dapat membuat samaknya yang berteknologi tinggi terlihat seperti relik kuno. Dari pengalaman hidup, kita juga tahu bahwa keramik tidak menangani gaya mendadak yang kuat yang bekerja padanya dengan baik. Misalnya, lantai yang memukulnya dengan kecepatan beberapa meter per detik.

Kekerahan bawaan keramik adalah alasan utama mengapa mereka tidak cocok sebagai bahan struktural untuk sebagian besar aplikasi. Namun, keramik memang menonjol dalam banyak aspek yang sangat spesifik, terutama ketika berkaitan dengan suhu tinggi dan stabilitas kimia. Dalam artikel ini, kami menjelajahi peran krusial dari keramik dalam pesawat antaraksa dan bagaimana mereka menyelamatkan hari di tempat logam gagal.

Merancang sistem pelindung termal yang paling efisien

Salah satu kasus penggunaan yang lebih umum untuk keramik dalam pesawat antaraksa adalah sebagai bagian dari sistem pelindung termal. Untuk memahami mengapa bahan keramik adalah kandidat ideal untuk aplikasi ini, penting untuk melihat lebih dekat berbagai mekanisme pelepasan panas.

Saat pesawat antaraksa memasuki atmosfer apa pun dengan kecepatan orbit, ia mengalami pemanasan permukaan yang signifikan melalui serapan atmosfer. Ini bahkan berlaku untuk atmosfer Mars yang relatif tipis, yang hanya memiliki 1% kepadatan atmosfer Bumi. Panas yang diserap oleh pesawat antaraksa dapat mengambil dua jalur: dapat dilaporkan ke lingkungan atau disalurkan ke dalam pesawat antaraksa, seperti yang ditunjukkan dalam gambar 1.

Gambar 1: Tampilan skematis pemanasan permukaan pesawat antaraksa yang terisolasi [1].

Radiasi akan menjadi cara yang menguntungkan bagi desainer pesawat antaraksa untuk membuang panas yang diserap, karena lingkungan hampir tidak terpengaruh oleh panas yang dilaporkan, sementara pesawat antaraksa dapat hancur dan/atau meleleh jika terlalu banyak panas terkumpul selama fase masuk kembali.

Namun, efisiensi radiasi terkait dengan pangkat keempat dari suhu permukaan. Ini berarti ia hampir tidak memainkan peran untuk suhu permukaan yang dapat ditangani dengan nyaman oleh sebagian besar bahan tetapi menjadi mekanisme transfer panas/pemendaman dominan pada suhu di atas ~1000 K. Anda mungkin akrab dengan rentang suhu ini karena hampir semua bahan padat mulai bersinar merah terlihat di sekitar sini [2].

Lapisan pelapis khusus adalah kunci

Konduksi panas ke dalam pesawat antaraksa adalah cara yang kurang menguntungkan untuk menangani pemanasan permukaan karena keterbatasan suhu dari semua bahan yang digunakan dalam pesawat antaraksa. Hanya ada begitu banyak panas yang dapat diserap pesawat antaraksa sebelum batas bahan terlewati dan kegagalan katastrofik mungkin terjadi.

Insinyur menemukan solusi cerdas yang memanfaatkan kedua mekanisme transfer panas. Misalnya, permukaan panas transbordir angkasa dilapisi dengan bahan pengisol termal yang baik, yaitu silika (diosida silikon). Selain itu, lapisan pelapis borosilikat hitam diterapkan pada bahan ini untuk memaksimalkan properti emisi radiasi permukaan. Dengan cara ini, hingga 95% panas yang dihadapi dibuang segera, hanya menyisakan 5% panas yang akan diserap oleh interior tegel.

Seluruh permukaan bawah transbordir angkasa dilapisi dengan tegel hitam ini, yang terdiri dari sistem serat silika dengan kandungan volume hanya 6%. Volume yang tersisa diisi dengan udara. Setiap tegel ditandai dengan nomor identifikasi untuk memastikan pemeliharaan dan pemasangan yang benar di posisinya yang unik. Tegel diikat pada struktur aluminium di bawahnya dengan “lem” karet silikon.

Sistem pelindung termal lainnya, seperti sistem abrasif, juga menggunakan bahan pengisol, yang ditekuk sengaja oleh panas berlebih. Menurut desain, sistem abrasif hanya dapat digunakan sekali sebelum memerlukan penggantian lengkap. Sebaliknya, tegel silika dapat digunakan kembali, meskipun suhu puncak layanan mengakibatkan suhu sekitar 1900 K selama fase masuk kembali.

Untuk area yang sangat dipanaskan, seperti tepi depan struktur aerodinamis, isolasi termal dapat tidak mencukupi, membutuhkan pendinginan aktif. Dalam hal ini, tidak ada lapisan keramik isolasi tetapi bahan yang relatif tipis dan konduktif termal di tempat.

Prinsip ini dapat dibandingkan dengan pendinginan ruang pembakaran utama dalam mesin utama transbordir angkasa, yang dijelaskan secara rinci dalam artikel kami sebelumnya, Logam di Antariksa: Bagaimana superaloi mengubah lanskap roket. Selain itu, Elon Musk berencana menggunakan pendinginan aktif stainless steel pada seluruh permukaan menghadap angin dari pesawat antaraksa baru yang dirancang, Starship.

Fase masuk atmosfer bukan fase operasional satu-satunya di mana pesawat antaraksa terpapar pemanasan permukaan yang besar. Cukup terpapar sinar matahari di angkasa dapat meningkatkan suhu permukaan dengan cepat hingga sekitar 500 K.

Terhadap ini, transbordir angkasa dilindungi oleh tegel silika yang sama menggunakan lapisan putih, yang terdiri dari campuran senyawa silika dan aluminium oksida [4], untuk memaksimalkan refleksivitas permukaan dan hanya menyerap pecahan kecil dari flux energi matahari yang datang.

Kekurangan pesawat antaraksa yang sangat reflektif

Beberapa kasus, refleksivitas pesawat antaraksa dapat menjadi masalah. Baru-baru ini, SpaceX menerima keluhan serius tentang satelit mereka yang mengganggu observasi dari astronom [5].

Refleksivitas optik tidak dipertimbangkan untuk desain keseluruhan satelit Starlink. Namun, SpaceX mengakui kekurangan ini dan sedang bekerja secara aktif menuju solusi dengan memberi lapisan pada sisi menghadap Bumi satelit [6].

Lapisan ini sangat mempengaruhi properti termal satelit karena cahaya yang dipancarkan dan dipantulkan oleh Bumi juga dapat bertindak sebagai sumber pemanasan yang substansial yang perlu dipertimbangkan dalam sistem keseluruhan. Oleh karena itu, ini bukan perubahan yang sederhana tetapi yang perlu dirancang dengan hati-hati dan divalidasi melalui percobaan dan kesalahan.

Penelitian tentang bahan penyerab gelombang elektromagnetik berasal dari Perang Dunia II, ketika Jerman menghadapi sistem radar pertama yang sangat berhasil dari Sekutu. Penelitian ini menghasilkan cat ferrit, yang dapat dianggap sebagai bahan penyerab radar buatan pertama [7].

Saat ini, tanda radar satelit perlu ditekan dalam beberapa kasus untuk alasan strategis, menyelubunginya dari sistem deteksi musuh. Namun, operator satelit yang memilih untuk menerapkan teknologi penyerab radar perlu memperhatikan lebih lanjut untuk memastikan satelit mereka tidak berkontribusi pada masalah puing angkasa yang semakin meningkat di orbit Bumi setelah akhir pelayanan, karena mereka bahkan lebih sulit untuk ditemukan dan dihapus.

Mengapa bahan/komposit multifungsi adalah harus

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

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

Gambar 3: Stabilitas termal berbagai bahan [9].

Keramik berbasis karbon berlapis telah terbukti sebagai bahan yang efektif untuk mencapai kulit pesawat antaraksa yang multifungsi, ringan, dan kuat. Gambar 3 menunjukkan bagaimana serat karbon diperkuat karbon (Karbon/Karbon atau C/C) memberikan stabilitas termal yang tinggi dalam rentang suhu yang luas. Komponen C/C dapat diproduksi dengan proses infiltrasi uap kimia.

Jubah ketampilan sebenarnya

Mungkin terlihat sederhana untuk menyembunyikan objek di angkasa dengan cukup mewarnainya sama seperti latar belakang: hitam. Namun, bahkan objek yang menyerap semua cahaya terlihat dapat menjadi reflektor sempurna dari radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang lain, misalnya mikrogelombang.
Perlindungan termal yang unggul yang disediakan C/C dapat digabungkan dengan karakteristik penyerab gelombang elektromagnetik dari matriks epoksi dengan tambahan nanotubos karbon multi-dinding. Tidak hanya nanotubos karbon berpotensi meningkatkan penyerapan gelombang elektromagnetik, tetapi mereka juga dapat digunakan untuk memproduksi nanomaterial ultra kuat, seperti yang dijelaskan dalam artikel ini oleh Wade Lanning.

Gambar 4: Gambar satelit kubus (CubeSat) dan tampilan skematis sistem pelindung termalnya. C/C digabungkan dengan lapisan pelapis multilapisan yang menyerap radiasi elektromagnetik [8].

Lapisan luar dari lapisan pelapis multilapisan yang ditunjukkan dalam gambar 4, dengan kandungan nanotubos karbon hingga 1,5%, memberikan karakteristik penyerab mikrogelombang yang excelente, bertindak sebagai jubah ketampilan untuk satelit. Ketebalan lapisan individual serta komposisinya dioptimalkan menggunakan pendekatan machine learning, mengikuti tren terbaru dalam ilmu bahan.

Seperti yang Anda lihat, bahan canggih dan penerapan komposit multifungsi diperlukan untuk menahan lingkungan yang menuntut di angkasa.

Berkat seberapa baik pesawat antaraksa dirancang dan diuji di sini di Bumi, beberapa kejutan dalam fungsionalitas dan efek yang tidak disengaja masih dapat ditemukan 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 antaraksa canggih.