Zastosowanie produkowanych w UE włókien węglowych i prepregów w statkach kosmicznych
Elementy kompozytowe do zastosowań w przestrzeni kosmicznej powinny być lekkie, a jednocześnie wytrzymałe. Powinny także być odporne na uszkodzenia i dobrze znosić znaczne wahania temperatury. Dlatego włókna węglowe o wysokim module sprężystości oraz kompozyty polimerowe wzmacniane włóknami są materiałami o istotnym znaczeniu w kontekście statków kosmicznych przyszłości. „Głównymi dostawcami kompozytów były dotychczas przedsiębiorstwa spoza Europy. Otworzenie zakładu produkcyjnego w Europie pozwoliłoby na uniezależnienie się od nich. Materiały te są używane w rozwiązaniach militarnych, dlatego kupienie ich od dostawców z Japonii i Stanów Zjednoczonych nie jest łatwe”, wyjaśnia Nuno Rocha, koordynator finansowanego ze środków UE projektu SpaceCarbon. „Biorąc pod uwagę strategiczne znaczenie przemysłu kosmicznego, a zwłaszcza satelitów, bezpieczeństwo dostaw jest ważne dla zagwarantowania ciągłości programów kosmicznych”.
Europa na pozycji lidera w produkcji kompozytów
Obserwacja ta miała decydujący wpływ przy określaniu celów projektu EUCARBON. Pierwsza europejska linia produkcyjna materiału prekursorowego (włókna na bazie polimeru służącego jako surowiec do produkcji włókien węglowych) została otwarta w portugalskim zakładzie FISIPE koło Lizbony. Zdolność produkcyjna zaspokaja oczekiwane zapotrzebowanie na wysokomodułowe włókna węglowe do podzespołów satelitarnych. Moduł sprężystości pierwszych wyprodukowanych włókien węglowych wynosił 348 GPa, a ich wytrzymałość na rozciąganie była równa 4 200 MPa. Były to włókna węglowe o najwyższym module sprężystości, jakie wyprodukowano dotychczas w Europie, co potwierdziło możliwości rozwoju i produkcji tego typu materiałów. Opierając się na sukcesie projektu EUCARBON zespół projektu SpaceCarbon udoskonalał właściwości i proces produkcyjny włókien węglowych, aby produkty były konkurencyjne w stosunku do tych pochodzących od pozaeuropejskich dostawców. W ramach projektu SpaceCarbon rozszerzono także możliwości zakładu pilotażowego w zakresie produkcji włókien o średnim module sprężystości stosowanych w rakietach nośnych.
Demonstracyjne włókna węglowe o średnim i wysokim module sprężystości
„Stworzyliśmy dwa elementy satelity z wykorzystaniem włókien węglowych o wysokim module sprężystości – pełnowymiarowy reflektor warstwowy oraz rurkę strukturalną. Docelowa wytrzymałość na rozciąganie włókna węglowego wynosiła 4 000–5 000 MPa, a moduł sprężystości przy rozciąganiu wynosił 380–400 GPa”, mówi Rocha. Pierwszym elementem demonstracyjnym do rakiety nośnej był statek o małej skali, zbudowany ze wstępnie impregnowanego półproduktu z włókien bez określonego skrętu. Drugim był element konstrukcyjny łączący obudowę silnika z rakietą nośną, który został stworzony z półproduktów z taśmy jednokierunkowej i z prepregów z włókien bez określonego skrętu. W ramach produkcji testowej wyprodukowano włókna 50 k, 24 k i 12 K. Wytrzymałość na rozciąganie wytworzonych włókien węglowych wynosiła od 5 000 do 6 000 MPa, a moduł sprężystości przy rozciąganiu – od 280 do 320 GPa.
Prepregi o obiecujących właściwościach
W ramach projektu opracowywano także ulepszone formuły prepregów z myślą o przyszłych kompozytach strukturalnych w statkach kosmicznych. Prepregi rozwijano z wykorzystaniem włókien wzorcowych i europejskich wyprodukowanych przez partnera projektu. Wdrożono dwa procesy wytwarzania prepregów – impregnację poprzez zanurzenie w żywicy, w której nie stosowano rozpuszczalników, oraz impregnację na gorąco, w której żywicę stałą ogrzewano w celu impregnacji włókien. Szczególny nacisk położono na badanie odgazowania żywicy, co stanowi wymóg krytyczny dla zastosowań w satelitach. Zespół projektu SpaceCarbon wdrożył strategie hybrydyzacji materiałów, aby poprawić wytrzymałość i właściwości przewodzące prepregów oraz obniżyć koszty produkcji. Ponadto kompozyty hybrydowe wyprodukowano częściowo zastępując prepregi z włókien wysokomodułowych tańszymi prepregami o niższym module sprężystości przy jednoczesnym spełnieniu wymagań wydajnościowych. „Nowo opracowane materiały zajmują konkurencyjną pozycję na rynku włókien i kompozytów do zastosowań w satelitach i statkach kosmicznych. Fakt, że są one produkowane w Europie, gwarantuje większą dostępność i krótszy czas dostawy”, podsumowuje Rocha.
Słowa kluczowe
SpaceCarbon, włókna węglowe, prepreg, kompozyty, satelita, rakieta nośna, statek kosmiczny, Europa, wytrzymałość, moduł
