La nave espacial Mars Science Laboratory MSL que aterrizó el rover Curiosity en Marte soportó la entrada a la atmósfera más caliente y turbulenta jamás intentada en una misión al Planeta Rojo. El MSL en forma de platillo estaba protegido por una fibra de carbono delgada y liviana.material de protección térmica basado que era un poco más denso que la madera de balsa.
El mismo material, denominado PICA ablador de carbono impregnado fenólico, también protegió la nave espacial Stardust de la NASA cuando regresó a la Tierra después de recolectar muestras de cometas y polvo espacial en 2006. Se basa en una familia de materiales reconocida por la agencia espacialcomo su invención del año en 2007.
SpaceX, una compañía privada contratada por la NASA que entrega carga a la Estación Espacial Internacional, desde entonces ha adaptado el material PICA para su cápsula espacial Dragon.
Mientras que los escudos térmicos tradicionales forman una estructura rígida, el Centro de Investigación Ames de la NASA ARC de la NASA en Moffett Field, California, que desarrolló el material PICA, ahora está desarrollando una nueva familia de sistemas flexibles de escudo térmico que utiliza una fibra de carbono tejidasustrato o material base. La resistencia al calor y las propiedades estructurales de este material pueden ajustarse ajustando las técnicas de tejido.
Además, la naturaleza flexible de los materiales tejidos puede acomodar el diseño de naves espaciales de gran perfil capaces de aterrizar cargas más pesadas, incluidas las tripulaciones humanas.
El nuevo sistema flexible de protección térmica, llamado ADEPT Tecnología de Entrada y Colocación Adaptable Desplegable, se guardaría dentro de la nave espacial y se desplegaría como un paraguas antes de la entrada a la atmósfera. Apoyado por una serie de puntales metálicos resistentes, el sistema ADEPT podríatambién sirven para dirigir la nave espacial durante el descenso.
A diferencia de las baldosas cerámicas reutilizables utilizadas en los transbordadores espaciales de la NASA para sobrevivir al reingreso desde la órbita terrestre baja, el PICA más ligero y los materiales de carbono tejidos están diseñados para un solo uso, protegiendo su carga útil mientras se queman lentamente durante los rigores de la entrada a la atmósfera.
Es por eso que es fundamental garantizar, mediante pruebas, simulación y análisis, que los materiales de protección térmica puedan sobrevivir el tiempo suficiente para proteger la nave espacial durante la entrada a alta velocidad en la atmósfera de un planeta.
Para comprender el rendimiento del sistema a escala microscópica, los investigadores científicos de la NASA están realizando experimentos de rayos X en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab para rastrear la respuesta de un material a temperaturas y presiones extremas.
"Hemos estado trabajando en estudios de varios materiales de protección térmica durante los últimos tres años", dijo Harold Barnard, científico de la Fuente de luz avanzada ALS de Berkeley Lab, "y estamos tratando de desarrollar X de alta velocidadde rayos X para que podamos capturar estos materiales de protección térmica que reaccionan y se descomponen en tiempo real "
Durante una entrada atmosférica real en Marte, hay una carga de calor sustancial en el material de protección, con temperaturas de superficie cercanas a los 4,000 grados Fahrenheit.
"Estamos desarrollando métodos para recrear ese tipo de condiciones y escanear materiales en tiempo real a medida que experimentan estas cargas y transiciones", dijo Barnard. Una plataforma de prueba ahora en desarrollo utiliza un pistón neumático para estirar el material, en combinacióncon controles de calor y flujo de gas, para simular las condiciones de entrada.
Francesco Panerai, un científico de AMA Inc. en el ARC de la NASA y el experimentador principal de los estudios de rayos X de la NASA en el ALS de Berkeley Lab, dijo: "Los rayos X permiten nuevas simulaciones que antes no podíamos hacer. Antes estábamosusando rayos X, estábamos limitados a imágenes en 2-D, e intentábamos imitarlas con simulaciones por computadora. La tomografía de rayos X nos permite digitalizar la microestructura real en 3-D del material ".
El trabajo en ALS ya ha producido algunos resultados prometedores que muestran cómo los materiales de protección térmica actuales y de próxima generación, incluidas las fibras de carbono tejidas para protecciones térmicas flexibles, se descomponen gradualmente en condiciones simuladas de entrada a la atmósfera. Se planean más experimentos paraestudiar diferentes disposiciones de tejido y tipos de materiales.
"Realmente puedes ver muchos detalles" en las imágenes de ALS, dijo Panerai, que fueron producidas usando una técnica llamada microtomografía. "Puedes ver grupos de fibras y puedes ver que las fibras son huecas". Las fibrasen los estudios tienen menos de una décima parte del ancho de un cabello humano.
Añadió: "Es muy complejo reproducir la velocidad y la temperatura al mismo tiempo en experimentos físicos. El ALS nos permite reproducir condiciones similares a la entrada, temperaturas muy altas, y podemos observar cómo se mueve el flujo dentro de los materiales".el trabajo podría beneficiar futuras misiones a Marte, Saturno y Venus, entre otros.
Joseph C. Ferguson, investigador de Science and Technology Corp. en NASA ARC, dirigió el desarrollo de una herramienta de software llamada PuMA Análisis de materiales porosos que puede extraer información sobre las propiedades de un material de los datos de imágenes de rayos X de ALS,incluidos detalles sobre qué tan poroso es un material, cómo conduce el calor y cómo se descompone en las condiciones de entrada.
Todas estas características influyen en la capacidad de un material para proteger una nave espacial. Los desarrolladores de la NASA han puesto esta herramienta de software a disposición de otros experimentadores en el ALS para otras aplicaciones. Barnard dijo que el trabajo de la NASA ha impulsado a los investigadores del ALS a desarrollar métodos de imagen de microtomografía más rápidoscaptura cómo los materiales responden con el tiempo al estrés.
"Hemos podido reducir la velocidad de la imagen a entre 2,5 y 3 segundos por exploración", dijo Barnard. "Normalmente, estas exploraciones pueden demorar hasta 10 minutos. Nos ha sido bueno trabajar en este proyecto. Nosotrosqueremos mejores instrumentos y técnicas de análisis para los experimentos aquí, y estamos ampliando nuestros límites de instrumentación mientras ayudamos a la NASA a desarrollar escudos térmicos ".
Dula Parkinson, un científico investigador que trabaja con Barnard en el ALS en experimentos de microtomografía, dijo que las velocidades de imagen más rápidas, que pueden producir alrededor de 2,000 cuadros por segundo, están generando un gran volumen de datos.
"Las capacidades de nuestros detectores y otros instrumentos en los últimos cinco años han mejorado los órdenes de magnitud", dijo Parkinson. "Ha aumentado nuestras necesidades de gestión de datos y potencia informática".
El ALS se basa en recursos del Centro de Matemáticas Avanzadas para Aplicaciones de Investigación Energética CAMERA de Berkeley Lab, que ayuda con el procesamiento de imágenes y algoritmos para visualizar los datos de rayos X, y también del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía de Berkeley Lab NERSC.
Los investigadores de la NASA ARC también aprovechan los datos producidos por ALS a través de la Energy Sciences Network ESnet, una red de datos de gran ancho de banda administrada por Berkeley Lab que conecta las instalaciones de investigación y los centros de supercomputadoras. Los científicos de la NASA utilizan las Pléyades de la NASA ARC, una de las del mundosupercomputadoras más potentes, para realizar análisis y simulaciones de datos generados en el ALS.
"La supercomputación es muy importante en este esfuerzo", dijo Panerai. "Una de las áreas que exploraremos es tratar de predecir las propiedades de un material virtual" en función de lo que se aprende de los experimentos de rayos X y el modelado por computadora de los existentesmateriales
"Nos gustaría saber la respuesta del material antes de crearlo", dijo Panerai. "Creemos que esto podría ayudar en el diseño de materiales".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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