Podmínky ve vesmíru jsou mnohdy extrémní, a proto i materiály použité pro kosmické mise musí vydržet hodně, především značné tepelné namáhání, nárazy a radiaci. Inovativní kosmické slitiny či technologie se často dobře uplatní také v pozemských aplikacích.
Požadavky na materiály, které odstartují ze Země na oběžnou dráhu a vrátí se zpět nebo přistanou na jiné planetě, shrnuje v časopisu Nature Materials Tommaso Ghidini, vedoucí útvaru Structures, Mechanisms and Materials Division, European Space Technology and Research Centre Evropské kosmické agentury (ESA) v Holandsku.
Navzdory extrémům
Úvahy o zátěži materiálů pro kosmické mise je třeba začít již při jejich zpracování a testování na Zemi. Vše, co konstruktéři použijí, včetně elektronických součástek nebo pohonných systémů, je vystaveno vysoké mechanické zátěži hned v okamžiku výroby a montáže. Špatné postupy při zpracování nebo nevhodné skladování mohou způsobit trhliny, zbytková pnutí, vnitřní poruchy, korozi, znečištění nebo lokální poškození a to se může projevit až při uskutečnění mise.
Největší zátěž se odehrává na Zemi při statickém, akustickém a dynamickém testování. I doprava na místo startu je podstatným rizikem. A žádnému ze systémů neprospívá ani pobřežní klima. Přitom většina projektů startuje z Floridy nebo Francouzské Guyany. Přítomnost chemikálií, jako jsou čisticí prostředky, rozpouštědla, palivo, oxidační činidla nebo hydraulické kapaliny, vede k možné korozi materiálů.
Samotný start doprovázejí vysoké vibrace, akustické šoky a rázové vlny, značné tepelné toky a možnost poškození bleskem nebo srážkou s ptákem. Na oběžné dráze pak čekají další rizika. Kromě gravitace zmizí i atmosféra, materiály jsou vystaveny vakuu. Hlavní nebezpečí vakua představují desorpce vody z keramických nebo oxidových vrstev či polymerů a odplynění. Tyto procesy mohou způsobit nechtěné změny elektrických, tepelných nebo optických vlastností.
Odplynění povrchových vrstev, olejů nebo mazadel pro dlouhodobý provoz, kontaminuje vědecké přístroje až k jejich „slepotě“ nebo může vést ke krátkým spojením. Pohyblivé části se mohou zadřít kvůli změně chemického složení mazadel, a tím vážně ohrozit celou kosmickou misi. Sluneční a kosmické záření dále neprospívá povrchovým vrstvám, které se mohou potrhat nebo odloupnout. Zvláště náchylné k degradaci zářením jsou polymery a tenké povlaky. Změny v povrchové struktuře a v barvě vyvolají ztrátu průhlednosti nebo odrazivosti. A vliv dopadu částic na polovodiče a elektronické součástky je také velmi dobře známý.
Vznik poruch krystalové mřížky křemíku dopadem vysokoenergetických protonů či iontů změní například elektrické vlastnosti slunečních panelů tak, že dojde k postupné ztrátě elektrického výkonu panelu. Na nízkých oběžných drahách, 200 km až 700 km nad Zemí, poškozuje kovy i polymery atomární kyslík vznikající radiací. Záleží na výšce, směru letu a momentální sluneční aktivitě, ale přítomnost atomárního kyslíku vede vždy ke kontaminaci a odlupování povrchů.
Velmi zvláštní životní prostředí je i na palubě vesmírné stanice ISS (International Space Station), která krouží ve výšce 400 km se šesti astronauty kolem Země rychlostí 28 000 km/hod. Přítomnost dýchatelného vzduchu, vody, organických materiálů a lidská činnost mění původní vlastnosti materiálů a vedou ke korozi, biologickému růstu, otěru, tření a mohou způsobit i oheň na palubě.
Tepelné podmínky záleží velmi výrazně na typu oběžné dráhy a konfiguraci družice. Na oběžných drahách kolem Země se teplota mění zhruba od – 180 °C do + 180 °C, tedy o 360 °C. Teplotní rozdíly jsou příčinou mechanických pnutí v materiálech, například v důsledku rozdílné tepelné roztažnosti. Analogicky lze uvažovat o tepelném zatížení při výpravách k planetám sluneční soustavy, kde se také vyskytnou výrazně nízké nebo vysoké teploty.
Například budoucí výprava JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) k Jupiteru a jeho měsícům musí počítat s teplotami ještě nižšími než – 200 °C. Těm bude vystavována v průběhu zatmění Slunce Jupiterem. Na druhé straně, při výzkumu Slunce v projektu SolO (Solar Orbiter), který proběhne mnohem blíže Slunci než kdykoliv předtím (42 miliónů kilometrů od Slunce, kde dosahuje intenzita slunečního záření třináctinásobku intenzity na Zemi), vystoupí teplota na + 520 °C.
Další poškození může vyvolat srážka s přirozenými objekty, jako je prach nebo kámen, a na oběžné dráze pak zvláště s pozůstatky lidské činnosti v kosmu. A proto se „zničitelnost“ stává novou testovanou vlastností. Od roku 2014 musí mít všechny satelity ESA a nejvyšší pohonné stupně jejich raket atest, podle kterého je riziko, že jejich fragmenty při zpětném návratu mohou způsobit škody na povrchu Země, menší než 1/10 000. Zcela opačné vlastnosti pak konstruktéři očekávají od materiálů použitých pro návratové moduly, které by měly vydržet i několik návratů na Zemi.
Na cestě ke 4D tisku
V současnosti, jak vyplývá z přehledu T. Ghidiniho, se konstruktéři spoléhají především na řešení, která byla úspěšná v identických nebo velmi podobných podmínkách. Dále dávají přednost takovým materiálům a jejich kombinacím, kde je znám kladný výsledek mnoha zkušebních testů a které jsou zařazeny do oficiálních databází NASA a ESA. A tak častější starty družic, například telekomunikačních nebo navigačních, napomáhají rozvoji tohoto objemem velmi malého specializovaného průmyslového odvětví.
V něm se totiž nevyrábí do skladu, protože ležením by mohly materiály degradovat. A vědci musí přemýšlet o tom, jak zajistit metody in-situ výroby na orbitální dráze nebo na jiném vesmírném tělese, a to pravděpodobně z recyklovaných surovin nebo místních zdrojů.
Jedním z rozvíjených výrobních postupů je additive manufacturing, v civilním použití známý jako 3D tisk, s využitím polymerů, kovů nebo keramických materiálů. Otevírá možnost výroby optimalizovaných tvarů a struktur šetřících výrazně hmotnost součástek. Dosahuje se běžně 50% úspory hmotnosti a v ojedinělých případech až 95%. Tato metoda je vhodná pro pilotovanou misi na Měsíc nebo Mars, kde by mohla být použita jako zdrojový materiál svrchní vrstva tamní půdy.
ESA publikovala úspěšnou výrobu segmentu o hmotnosti 1,5 tuny pomocí sluneční energie v podmínkách odpovídajících Měsíci z materiálu obdobného místní půdě. Zařízení na additive manufacturing pro polymery již mají k dispozici astronauti na ISS a brzy je doplní aparatura pro kovy, umožňující výrobu náhradních součástek nebo nástrojů. Při této metodě výroby lze optimalizovat elektrické, magnetické, tepelné nebo strukturní vlastnosti přidáním specifických příměsí. Do budoucna se uvažuje o „4D tisku“, to je o aplikaci paměťových slitin ve stávajícím 3D tisku. Součástky takto vyrobené, třeba antény, by mohly dosáhnout žádaného tvaru až ve vesmíru.
Vesmírné materiály a pravěká inspirace
Z množství materiálů pořád vedou slitiny hliníku a titanu, především pro svou velmi dobrou odolnost vůči korozi a zároveň nízkou hustotu. Slitinu Ti-6Al-4V (čísla u minoritních prvků označují jejich koncentraci v hmotnostních procentech) se například při výrobě palivových nádrží daří svařovat třením. Je to tatáž slitina, která se používá v zubních implantátech a jiných náhradách v lidském organizmu ze stejných důvodů jako v kosmických raketách. Má vysokou pevnost, není křehká a dobře odolává korozi. Stejně tak se třením daří svařovat slitinu Al-3Li, která se používá v raketách Ariane 6. Šetří finanční náklady díky své nízké hustotě.
Aby zabránili odrazu slunečního světla u kosmického plavidla SolO, zkusili vědci z ESA využít staletími prověřený pigment, kterým dříve prehistoričtí umělci malovali na stěny jeskyní. Jde o živočišné uhlí neboli kostní čerň. Dnes se hojně používá v pozemských podmínkách při výrobě slitin, čištění cukru nebo filtraci vody od těžkých kovů. Dříve také sloužilo jako prostředek proti průjmu, dnes je nahrazeno aktivním uhlím. Je velmi trvanlivé, prehistorické jeskynní malby směsí živočišného a dřevěného uhlí vydržely dodnes.
Pomocí speciální technologie jej vědci nanesli na povrch budoucího tepelného štítu, který chrání kosmickou loď. Ten se skládá z několika vrstev o velikosti 3,1 x 2,4 m2 a má několik clon pro vědecké přístroje. Prokázalo se, že živočišné uhlí si umí podržet tepelně-optické vlastnosti i při dlouhodobém extrémním ozáření ultrafialovým světlem. Zároveň brání elektrickému nabíjení slunečním větrem. Trvalo jen krátce a vyvinutý postup schválený Evropskou kosmickou agenturou pro kosmické účely se začal používat v telekomunikačních družicích a dokonce i v automobilovém průmyslu. A tak kosmické technologie přispívají k vývoji a optimalizaci procesů pro pozemské aplikace.
Původní zdroje:
T. Ghidini: Materials for space exploration and settlement. Nature Materials 17 (2018) 846-850
3D printing of a model building block for a lunar base outer shell / Shaping the Future / Space Engineering & Technology / Our Activities / ESA. [online]. Dostupné z: https://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Shaping_the_Future/3D_printing_of_a_model_building_block_for_a_lunar_base_outer_shell
Mohlo by vás také zajímat:
Třesky
blesky
Fyzika ve
sklenici
Není led jako
led
Kovové
fólie z jediného krystalu slibují kvalitní grafen