Raze X și inteligența artificială dezvăluie arderea în timp real a scuturilor termice
Scuturile termice sunt esențiale pentru orice navă spațială care intră într-o atmosferă, iar materialul din care sunt fabricate este critic. Îmbunătățirea lor a fost dificilă, deoarece cercetătorii obțineau de obicei doar imagini „înainte” și „după” ale misiunii unui scut termic de a aduce nava în siguranță pe Pământ.
O colaborare între NASA și Advanced Light Source de la Lawrence Berkeley National Laboratory a schimbat acest lucru, permițând cercetătorilor să observe în timp real degradarea unui scut termic.
Dezintegrarea este o parte majoră a funcționării unui scut termic. Procesul, numit tehnic „ablațiune”, permite energiei termice din timpul reintrării să se transfere în bucăți de material care se desprind de navă, luând cu ele căldura. Acesta a fost mult timp standardul pentru scuturile termice, de la capsulele Mercury până la cele Orion folosite în programul Artemis.
Sistemul are dezavantaje evidente. Ablațiunea este ireversibilă, iar materialul trebuie de obicei înlocuit după fiecare utilizare. Este și extrem de greu de simulat: testul neechipat Artemis I a prezentat carbonizare neașteptată și pierderi inegale de material ablativ, neprevăzute de simulările anterioare. Deși Artemis I a amerizat cu succes în Pacific, această fizică inegală ar putea duce la pierderea echipamentului.
Pentru a înțelege ce se întâmplă în timpul încălzirii la 1650°C pe care o suportă materialele la reintrare, cercetătorii au folosit Advanced Light Source. Echipa a proiectat o cameră specializată care expune materialul la temperaturi de până la 900°C, pragul la care scutul termic începe să se descompună, permițând și modificarea presiunii și compoziției gazelor pentru a imita reintrarea. Viteza aerului nu a putut fi reprodusă.
Caracteristica principală a ALS este sistemul de imagistică. Probele au fost supuse tomografiei micro-computerizate cu raze X, captând imagini structurale 3D ale materialului în timp ce se degrada. Potrivit lui Vishnu Oruganti, fost doctorand la University of Illinois at Urbana-Champaign și acum la NASA Johnson Space Center, „aproape fiecare material ablativ major al NASA a fost studiat cu această tehnică la Advanced Light Source, inclusiv cele relevante pentru misiunile Artemis și de intrare pe Marte”.
Două materiale ablative proeminente au arătat proprietăți de degradare foarte diferite. SLA-561V conține plută naturală ca umplutură, iar particulele de plută se vaporizează rapid la încălzire, creând goluri în material. SLA-220, un material cu matrice de elastomer siliconic, se degradează în microcanale ramificate interconectate, permițând gazelor fierbinți să se evacueze rapid prin scut.
Diferențele au un impact fundamental asupra comportamentului navei la reintrare, dar obținerea acestor date nu a fost ușoară. Cercetătorii s-au confruntat cu o dilemă clasică de imagistică: viteza sau acuratețea. Imaginile detaliate ar fi fost prea lente pentru a surprinde toate schimbările, în timp ce imaginile rapide pierdeau rezoluția necesară pentru a arăta modificările structurale.
Pentru a rezolva problema, echipa a apelat la inteligența artificială, antrenând un algoritm de rețea generativă adversarială (GAN). Acest lucru le-a permis să efectueze scanări rapide la rezoluție intermediară și să le convertească în înregistrări 3D rapide și de înaltă rezoluție ale materialului care se deforma, se carboniza și se golea.
Cercetătorii nu au actualizat încă simulările folosite de ingineri pentru a calcula comportamentul scuturilor termice. De asemenea, nu au analizat scuturile vehiculelor comerciale precum Dragon, care folosește ablator carbonic impregnat cu fenolic (PICA-X), sau plăcile ceramice reutilizabile ale Starship, ambele tehnologii proprietare SpaceX. Având în vedere utilitatea sistemului de imagistică, ar putea fi doar o chestiune de timp până când compania responsabilă pentru majoritatea reintrărilor actuale va apela la Laboratorul Berkeley.
