Evaluación de materiales de control térmico para proteger naves espaciales

Los científicos utilizan una variedad de instrumentos para desarrollar los materiales que se utilizan en la construcción de naves espaciales, se deben tomar medidas de protección para evitar daños a la instrumentación sensible dentro de la nave espacial y a las personas que transporta. El revestimiento protector de la superficie de una nave espacial requiere tres propiedades importantes: reflectancia, emisividad y difusión.

Reflectancia

La reflectancia envía energía térmica lejos de la nave para mantenerla fresca, el color blanco tiende a reflejar la luz, razón por la cual la mayoría de los revestimientos de las naves espaciales suelen ser blancos.

Emisividad térmica

La emisividad térmica es la propiedad que envía energía (calor) visible e infrarroja lejos de un objeto. El calor generado por la nave (de instrumentos, controles o personas), la energía no reflejada completamente por los revestimientos o la energía térmica causada por la fricción atmosférica debe salir de manera eficiente de la superficie del material protector para evitar una acumulación intolerable de calor.

Difusión

La difusión (polarización direccional) distribuye la energía térmica en varias direcciones para que el calor peligroso no se concentre en una superficie en particular.

Estas propiedades aseguran que la nave se mantenga fresca. El revestimiento térmico también debe funcionar en una amplia gama de geometrías de exposición. Por ejemplo, un cohete que orbita la Tierra estará en condiciones de calor extremo debido al sol y al frío extremos cuando se mueva detrás de la Tierra (u otro planeta). Las superficies miran en muchas direcciones a medida que la nave espacial orbita y gira sobre sus propios ejes.

La estación espacial internacional (ISS) utiliza un material cerámico ligero, etiquetado como Z93, para protegerse. Este material se ha utilizado como material protector viable durante más de 10 años. Z93 es un pigmento de óxido de zinc en un aglutinante de silicato de potasio, el material se presenta como una cerámica blanca con una estructura microporosa que difunde la radiación. No obstante, los desarrolladores de naves espaciales continúan evaluando otros revestimientos de control térmico, especialmente a medida que estas naves ingresan en nuevos entornos.

Normalmente, los científicos utilizan una esfera integradora para medir las propiedades de reflectancia difusa de los recubrimientos de control térmico. La NASA utilizó esta técnica en la década de 1990 para evaluar el material Z93. Una empresa, en particular Surface Optics Corporation, tiene una larga historia de contribución a las misiones de la NASA, suministrando revestimientos para el equipo de vuelo espacial a bordo de los exploradores espaciales Kepler, NuStar y Chandra. La compañía ha desarrollado un reflectómetro direccional hemisférico (HDR, por sus siglas en inglés) que mejora enormemente la evaluación de recubrimientos de control térmico. El instrumento utiliza un hemielipsoide de imágenes para iluminar la muestra utilizando una fuente de cuerpo negro; un espejo superior móvil captura la energía reflejada en varios ángulos y dirige un rayo colimado a un espectrómetro infrarrojo transformado de Fourier (FTIR).

Utilizaron nuestro espectrómetro Thermo Scientific Nicolet iS50 FTIR para completar su instrumento HDR. Entre otros beneficios, el espectrómetro Nicolet FTIR tiene acceso a la más amplia gama de longitudes de onda de radiación disponible en un instrumento FTIR. Juntos, el reflectómetro y el espectrómetro proporcionan datos de transmisión dispersos completos en ángulos grandes hasta un hemisferio con un ángulo sólido de 2π estereorradianes. A partir de ahí, el software FTIR proporciona un perfil espectral de la reflectancia, el HDR también es útil para evaluar materiales para la conservación de energía, como vidrio de baja emisividad y protección de hardware militar.

Para demostrar las capacidades de medición óptica del SOC-100 HDR, Surface Optics recurrió a Michael Bradley, uno de nuestros gerentes de productos FTIR, para colaborar en la publicación de su estudio del material Z93. Estos resultados se publicaron en Spectroscopy Magazine. Los hallazgos revelan por qué el recubrimiento Z93 ha protegido hábilmente a la ISS durante muchos años, al tiempo que apunta a vías para un mayor desarrollo de materiales de control térmico.

El espectrómetro Nicolet iS50 FTIR es una herramienta invaluable para la investigación avanzada de materiales con el poder de adquirir datos utilizando la reflectancia total atenuada (ATR) en las regiones de IR medio y lejano, así como espectroscopía FT-Raman e IR cercano sin tener que cambiar manualmente accesorios o componentes.

 

Vea las muchas otras aplicaciones para Nicolet iS50 aquí.