De NASA-ingenieurs worstelen om een ​​beter hitteschild te bouwen

Een afbeelding van Helen Hwang Jessica Choo

Maandenlang bleven de monsters smelten. Dit was niet bepaald verrassend — de met kurk gevulde glasvezelhoningraat werd onderworpen aan een hittegolf die vier keer intenser was dan wat de voorrand van de space shuttle weerstond bij het opnieuw betreden van de atmosfeer van de aarde. Het was alsof je de heetste oven ter wereld in het midden van de krachtigste windtunnel zette.

Dezelfde materialen hadden alle vorige Mars-landers van Amerika al beschermd tegen de hitte van het raken van de atmosfeer van Mars met bijna 10.000 mijl (16.000 kilometer) per uur. Maar dat zou niet meer goed genoeg zijn. Het schild voor het Mars Science Laboratory (MSL) zou ongeveer 250 watt energie per vierkante centimeter moeten kunnen weerstaan — ongeveer 10 keer de hitte ervaren door de Viking, Amerika's eerste Mars-lander, die in 1976 op de planeet landde. Dat komt omdat MSL, gepland om in augustus 2009 te lanceren, drie keer zwaarder zou zijn dan de Viking. De Curiosity-rover die MSL zou vervoeren, was ongeveer vijf keer zwaarder dan de Spirit en Opportunity-rovers, die in 2004 veilig op Mars waren geland. De grootte en het gewicht van MSL waren op zich geen onoplosbare problemen. Maar computersimulaties toonden aan dat het enorme gewicht van de sonde zou resulteren in zware turbulentie, wat zou leiden tot zwaardere omstandigheden dan alle eerdere hitteschilden die Mars zouden hebben doorstaan. En wanneer ze het materiaal van het hitteschild zijwaarts draaiden naar de naderende stroom hete lucht om turbulentie te simuleren, zouden honingraatcellen erin knappen, wat zou leiden tot een kettingreactie van storingen. De test zag er anders uit dan we ooit eerder hadden gezien, herinnert Helen Hwang zich, een onderzoeker bij NASA's Ames Research Center in Silicon Valley die destijds de leiding had over het thermische beschermingssysteem van MSL.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2019

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

In de nasleep van die mislukkingen kreeg het team van Hwang te maken met een ernstige tijdcrisis. Het was 2007 en de lancering was gepland in minder dan twee jaar. Er waren twee opties, zoals ze het zag: de missie herontwerpen om te proberen de verwarmingsomstandigheden te verminderen, of een nieuw hitteschildmateriaal bedenken. De eerste optie zou beperken waar de rover zou kunnen landen en de wetenschappelijke instrumenten die hij zou kunnen vervoeren. De tweede optie betekende dat ze in minder dan 18 maanden een nieuw hitteschild moesten ontwerpen, ontwikkelen, testen en bouwen. Die optie was riskant, maar het zou de missie in staat stellen om alle wetenschap te doen waarvoor ze bedoeld was.

Ze kozen voor de tweede optie.

Naarmate menselijke ambities groeien in de ruimte, zal onze vindingrijkheid daaraan moeten voldoen. Om de dichte atmosferen van planeten zoals Venus of Saturnus te verkennen, hebben we ultrarobuuste hitteschilden nodig die intense druk aankunnen. Om monsters van Mars terug naar de aarde te sturen, hebben we onverwoestbare hitteschilden nodig die voorkomen dat buitenaardse levensvormen onze planeet besmetten, of omgekeerd. Om mensen op andere planeten te laten landen, zijn supergrote aeroshells nodig, de ingangscapsules beschermd door hitteschilden, met een diameter van bijna 20 meter (66 voet) of meer. Niets van die schaal is ooit eerder naar Mars gevlogen.

De uitdagingen bij het ontwikkelen van deze technologieën zullen enorm zijn, maar dat geldt ook voor de beloningen als ze robots en mensen veilig naar nieuwe grenzen brengen. Zonder de allernieuwste vooruitgang op het gebied van aeroshells en hitteschilden, zijn dergelijke missies zinloos - ze zullen gewoon in de atmosfeer verbranden.

Als je de ruimte in gaat, zijn er twee redenen om te vertragen: om terug te keren naar de aarde of om te stoppen bij een ander hemellichaam. Een manier om te vertragen is om dezelfde methode te gebruiken die je hebt gebruikt om te versnellen: raketten. Maar dit betekent dat er meer raketbrandstof moet worden vervoerd, wat gewicht toevoegt. Praktisch gezien is het logisch om de atmosfeer te gebruiken, als die er is. Maar om de resulterende hitte te overleven, zijn slimme materialen en slim gevormde ruimtevaartuigen nodig.

De slimme vormen ontstonden in de jaren vijftig in het Ames Research Center, dezelfde plaats waar Hwang later zou werken aan de ontwikkeling van het MSL-hitteschild. Harry Julian Harvey Allen, die in het begin van de jaren vijftig hoofd van de Ames High-Speed ​​Research Division was, bedacht het zogenaamde stompe lichaam, dat een platte, brede kant zou hebben om de hitte het hoofd te bieden. Allen en een collega werkten het volgende jaar aan de theorie. Ze realiseerden zich dat een botte carrosserie een sterke schokgolf ervoor zou veroorzaken, die een groot deel van de warmte van het voertuig afleidde. Vervolgens legden ze het tweede stukje van de puzzel in elkaar: ablatie. Dit betekent het gebruik van materialen die zijn ontworpen om te ontbinden en te eroderen bij het binnenkomen, waardoor een verkoolde laag ontstaat die de warmte effectief van het voertuig wegdrijft.

Het concept van het botte lichaam werd aanvankelijk met scepsis ontvangen en het bleef geclassificeerd tot 1957. Maar in mei 1961, toen Alan Shepard de eerste Amerikaan was die de ruimte bezocht, gebruikte zijn Friendship 7-capsule een kegelvormig stomp gezicht om veilig naar de aarde terug te keren.

Vanwege het Apollo-programma waren nieuwe ablatieve materialen in de jaren zestig een zeer actief onderzoeksgebied. Voor Apollo wendde NASA zich tot een bedrijf genaamd Avco, dat gespecialiseerd was in materialen voor kernkoppen voor langeafstandsraketten. Een 2,7-inch dikke laag Avcoat, een hitteschildmateriaal gemaakt van epoxyhars in een glasvezelmatrix, absorbeerde de ergste hitte bij Apollo's terugkeer.

HEEET is bedoeld voor toegang tot extreme omgevingen, zoals die op Saturnus of Neptunus. Jessica Choo

Voor de Viking-missies - die in de jaren zeventig de eerste succesvolle Mars-landers zouden lanceren - gebruikte NASA een nieuw materiaal genaamd SLA-561V. Net als Avcoat is SLA (voor superlichtgewicht ablator) gebaseerd op een honingraatstructuur gevuld met klodders ablatieve hars. Maar de ingenieurs van Martin Marietta, het bedrijf dat het materiaal bedacht, integreerden ook lichtere bestanddelen, zoals silicium en kurk, om de dichtheid te verminderen.

De spaceshuttles, voor het eerst gelanceerd in de jaren tachtig, hadden een geheel nieuwe aanpak nodig. De shuttles waren bedoeld om herbruikbaar te zijn, en dat gold ook voor de hitteschilden. In plaats van een stof als SLA werden de shuttles beschermd met versterkt koolstof-koolstof op de neuskap en de voorranden van de vleugels, en door keramische tegels op hun buik.

Hwang, die opgroeide in een klein stadje in Iowa, herinnert zich dat hij tijdens een schoolpresentatie een space shuttle-tegel hanteerde. De ervaring plantte de wens om ooit aan hitteschildtechnologieën te werken. Na het behalen van haar doctoraat in plasmafysica aan de Universiteit van Illinois, Urbana-Champaign, nam ze een baan aan bij het Ames Research Center, maar een baan die niets met hitteschilden te maken had. Jarenlang werkte ze aan het gebruik van plasma's om circuits in microchips te etsen. Toen de financiering opraakte, stapte ze over op hitteschilden en realiseerde ze haar jeugdambitie.

Toen Hwang in 2006 de opdracht kreeg om een ​​hitteschild te maken voor het MSL-project, wendde ze zich in eerste instantie tot SLA. Maar al snel werd duidelijk dat SLA niet ging werken. We hebben nooit echt kunnen isoleren wat de storing veroorzaakte, zegt Hwang, maar de storing was herhaalbaar; we hebben in veel verschillende faciliteiten getest en we hebben dezelfde storing in verschillende omstandigheden gezien.

Veel andere opties waren er echter niet. De enige haalbare keuze was iets dat met fenol geïmpregneerde koolstofablator (PICA) werd genoemd, dat in de jaren negentig in Ames was ontwikkeld voor de Stardust-missie - de eerste die monsters van een komeet terugstuurde en de snelste atmosferische terugkeer in de geschiedenis. Stardust had één doorlopend stuk PICA gebruikt, maar MSL was te groot om die benadering praktisch te maken. Ze moesten in plaats daarvan tegels van het materiaal maken en ontwierpen de Mars-sonde om ermee te worden bedekt, op een manier waarbij de stroomlijnen van gas niet langs de potentieel kwetsbare naden tussen de tegels konden stromen. Het was het eerste betegelde ablatieve hitteschild en de grootste aeroshell ooit gevlogen. (Dezelfde oplossing wordt nu door SpaceX gebruikt voor zijn Dragon-capsule. NASA leende Dan Rasky, een van de ontwerpers van PICA bij Ames, aan SpaceX om te helpen bij het ontwerpen van het hitteschildmateriaal van de Dragon, bekend als PICA-X.)

Ik wil ons zonnestelsel verkennen. We zijn maar op een handvol bestemmingen geweest. Ik wil naar ze allemaal gaan.

Terwijl de MSL-lanceringsdeadline naderde, straalden Hwang en haar team PICA-samples in het Arc Jet Complex in Ames, waardoor ze bij elke nieuwe test hun begrip van het materiaal en de opvullers van gaten verbeterden. Ze perfectioneerden hun schild op tijd voor de lancering in 2009 - alleen om te zien dat de missie werd uitgesteld tot 2011 om er zeker van te zijn dat andere systemen klaar waren. De MSL landde uiteindelijk in augustus 2012 op Mars. Curiosity is nog steeds actief op Mars en is zo succesvol geweest dat NASA nu een andere missie ontwikkelt, de Mars 2020-rover, op basis van een soortgelijk ontwerp. Hwang heeft haar rol overgenomen van het beheer van het thermische beveiligingssysteem, dat PICA opnieuw zal gebruiken om het ruimtevaartuig te beschermen terwijl het begin 2021 naar Mars afdaalt.

Jessica Choo

Een van de belangrijkste taken van de Mars 2020-rover is het verzamelen van monsters die op een dag door een toekomstige lander naar de aarde kunnen worden geschoten. Zelfs als wetenschappers leren hoe ze de volgende generatie ruimtevaartuigen op andere werelden kunnen laten landen, werken ze ook aan hoe ze prikkelende buitenaardse omgevingen terug naar de aarde kunnen brengen.

Als mensen op Mars willen landen, hebben ze hitteschilden nodig die minstens vier keer zo groot zijn als die op MSL. Daarom ontwikkelt NASA nu concepten voor uitbreidbare aeroshells die in de huls van het lanceervoertuig kunnen worden gestopt en in een groter schild in de ruimte kunnen worden geplaatst. Veel van dat werk wordt gedaan in NASA's Langley Research Center in Virginia. In de ochtend van 23 juli 2012 werd een klinkende raket gelanceerd vanaf NASA's Wallops Flight Facility, over de Chesapeake Bay vanuit Langley, aan de oostkust van Virginia. De raket droeg een inzetbare aeroshell die bekend staat als een hypersonische opblaasbare aërodynamische decelerator (HIAD), een brede, ondiepe kegel bestaande uit een opblaasbare structuur van donutvormige buizen. De HIAD had een diameter van minder dan een halve meter, maar eenmaal in de ruimte ontplooide hij zich tot drie meter. Door het schild breder te maken, wordt de hitte van de terugkeer over een groter gebied verspreid.

De raket ging 290 mijl omhoog - ruim boven de grens van de ruimte - en toen werd de HIAD opgeblazen tot zijn volledige grootte. Camera's aan boord legden een beeld vast van de Atlantische Oceaan terwijl de structuur door de atmosfeer zakte. Het HIAD-concept heeft goed gepresteerd in deze vliegtests, maar sommige mensen hebben nog steeds moeite met het idee om op Mars gebonden astronauten te beschermen met een opgeblazen aeroshell. Veel mensen zeggen: 'Oh, je hebt een opblaasbare structuur - het zal buigen als een zwembadspeelgoed', zegt Robert Dillman, een ruimtevaartingenieur bij Langley en een lid van het HIAD-team. Dit ding is behoorlijk stevig. Het gaat over als je erop tikt.

Grotere aeroshells duwen schokgolven verder weg van het ruimtevaartuig, wat meer bescherming biedt tegen inkomende hitte. De resterende warmte wordt afgeweerd door een flexibel thermisch beschermingssysteem dat de opblaasbare structuur bedekt met duurzame buitenstoffen en isolatie.

De volgende HIAD die gepland staat om te vliegen, zal een lage baan om de aarde bereiken en uitbreiden tot zes meter. Maar deze opblaasbare concepten zijn niet de enige uitbreidbare aeroshells in de maak. Een team bij Ames ontwikkelt een opvouwbaar schild genaamd de Adaptable, Deployable Entry and Placement Technology. Het schild is gemaakt van flexibele 3D-geweven koolstofvezels, springt open als een paraplu en wordt stevig vastgehouden door metalen stutten.

Hwang is ook betrokken bij de ontwikkeling van iets dat het Heat Shield for Extreme Entry Environment Technology (HEEET) wordt genoemd, dat ruimte biedt aan missies naar Venus, Saturnus, Uranus en Neptunus. HEEET is veel robuuster dan PICA en SLA-561V, en dus beter geschikt voor dichte atmosferen. Traditioneel heeft elke missie een uniek hitteschild, maar dit maakt het duurder. Hwang hoopt schaalvoordelen te behalen - een soort Ford Model T van terugkeer.

Ik wil ons zonnestelsel verkennen, zegt ze. We zijn maar op een handvol bestemmingen geweest. Ik wil naar ze allemaal gaan.

Becky Ferreira is een wetenschapsreporter gevestigd in Ithaca, New York. Haar werk is verschenen in Wired en de New York Times.

zich verstoppen