Während des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre sind Raumfahrzeuge extremen Temperaturen von über 1.650 Grad Celsius ausgesetzt. Hitzeschilde schützen die Fahrzeuge durch Ablation – ein kontrollierter Abbau der äußeren Materialschichten. Bisher konnten Ingenieure diesen Prozess nur vor und nach Tests analysieren, nicht jedoch in Echtzeit.
Neue Analysemethode am Advanced Light Source
Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory nutzten am Advanced Light Source (ALS) eine Röntgentomographie-Technik, um den Abbau von Hitzeschildmaterialien unter realistischen Bedingungen zu beobachten. Die Methode kombiniert Temperatur-, Druck- und Gasregelung, um Wiedereintrittsbedingungen zu simulieren. Die Ergebnisse wurden im Journal npj Materials Degradation veröffentlicht.
Die Wissenschaftler untersuchten zwei kommerzielle Ablationsmaterialien (SLA-220 und SLA-561V), die in verschiedenen Teilen von Raumfahrzeugen eingesetzt werden. Mittels Mikro-CT wurden Proben auf bis zu 900 Grad Celsius erhitzt und die strukturellen Veränderungen auf Mikrometer-Ebene dokumentiert.
KI-gestützte Bildanalyse zeigt Materialunterschiede
Um sowohl große Probenbereiche als auch feine Details zu erfassen, setzte das Team eine KI-basierte Super-Resolution-Methode ein. Die Kombination aus hochauflösenden Aufnahmen vor/nach dem Erhitzen und schnellen Niedrigauflösungs-Scans während des Experiments ermöglichte eine vollständige Dokumentation der Materialveränderungen.
Die Analysen zeigten deutliche Unterschiede zwischen den Materialien: Während SLA-561V durch den Abbau von Korkfüllern isolierte Hohlräume bildet, entsteht bei SLA-220 ein dichtes Netzwerk verbundener Kanäle. Diese strukturellen Unterschiede beeinflussen die Wärme- und Gasdurchlässigkeit und damit die Schutzwirkung.
Die gewonnenen Daten dienen der Verbesserung von Computermodellen für Hitzeschilde, was insbesondere für bemannte Missionen wie das Artemis-Programm relevant ist. Nach dem ersten Artemis-Flug nutzte NASA die ALS-Methode, um unerwartete Leistungsabweichungen der Hitzeschilde zu untersuchen.
- Quelle: Lawrence Berkeley National Laboratory
- Studie: npj Materials Degradation