Materiali ceramici ibridi resistenti al calore potrebbero trasformare in realtà i voli supersonici
Viaggiare a velocità supersonica significa muoversi a una velocità di Mach cinque o superiore, una velocità almeno cinque volte più elevata rispetto a quella del suono, corrispondente a circa 6 000 km/h. Quando ci si muove a velocità così sostenute, il calore aggressivo generato dall’aria nell’atmosfera può compromettere l’integrità strutturale di velivoli e razzi. Le temperature che colpiscono i veicoli possono innalzarsi ben oltre i 2 000 °C, mentre i gas e le particelle corrosive possono intaccarne vigorosamente la superficie. I problemi strutturali hanno principalmente origine dall’ossidazione e dall’ablazione, ovvero l’aria e i gas estremamente caldi rimuovono gli strati superficiali dai materiali metallici dei veicoli che viaggiano a velocità supersoniche. Occorre quindi che i sistemi di protezione termica resistano a tali temperature estreme e alle forti vibrazioni meccaniche durante l’ascesa nell’orbita o il reingresso dallo spazio. Nel regno dei motori, gli ugelli di razzi dei motori a razzo devono misurarsi con gli ostici ambienti termochimici e meccanici prodotti dai propellenti ad alte prestazioni. I motori a razzo di prossima generazione dovranno essere ancora più roventi per bruciare meno combustibile, generando una spinta maggiore e trasportando carichi più considerevoli. «I compositi a matrice ceramica, realizzati da fibre ceramiche incorporate in una matrice ceramica, rappresentano gli unici materiali che potrebbero sopravvivere a elevati sbalzi di temperatura e a forti stress meccanici. Eppure, i compositi a matrice ceramica tradizionali non soddisfano i requisiti di ablazione correlati, provocando la distruzione dei veicoli di lancio durante il reingresso o l’abbandono nello spazio dopo il loro primo lancio», osserva Diletta Sciti, coordinatrice del progetto C3HARME, finanziato dall’UE.
I materiali ceramici ibridi si spingono oltre i limiti
Il progetto C3HARME ha sviluppato e collaudato una nuova classe di materiali ibridi, denominati compositi a matrice ceramica a temperatura ultra elevata, che lottano contro i problemi associati al volo supersonico. Questa nuova classe nasce dalla combinazione di compositi a matrice ceramici leggeri, caratterizzati da un’alta resistenza e tenacia a shock termici, e della loro controparte più pesante e dura, ossia la ceramica a temperatura ultra elevata che vanta una minore erosione una volta superata una determinata temperatura. Inoltre, tali materiali ibridi permettono ritocchi e personalizzazioni sperimentali delle loro strutture su tutte le scale. Ciò che rende questi materiali straordinari è il fatto che sono stati creati utilizzando processi avanzati, riducendo tempi e costi di sintesi. I ricercatori hanno sfruttato le potenzialità della sinterizzazione in corrente pulsata (SCP), che permette il consolidamento ultra rapido nonché l’infiltrazione e la pirolisi di polimeri, rappresentanti il metodo di riferimento per la fabbricazione degli attuali compositi a matrice ceramica contenenti matrici a base di carburo di silicio o di carbonio. Il gruppo responsabile del progetto è riuscito a produrre oltre 1 000 campioni di forme differenti. «Abbiamo battuto il record per il disco più spesso mai sintetizzato, di un’altezza totale di 160 mm e un peso di 11 kg: si tratta di un valore di riferimento per la sinterizzazione in corrente pulsata», aggiunge Sciti.
Materiali autorigeneranti ed efficienti in termini di costi
In presenza di determinate condizioni, i compositi a matrice ceramica a temperatura ultra elevata sono capaci di riparare danni incipienti prima che possano diffondersi. In condizioni di stress termico, le sostanze di dimensioni nanometriche aggiunte nella formula del materiale ceramico attivano la formazione di uno strato solido protettivo esterno e di una fase interna liquida che cancellano i difetti. Questa capacità autorigenerante permette il riutilizzo del razzo per diversi reingressi. «Questi materiali di nuova concezione hanno dato prova di un’erosione e di un’ablazione vicine allo zero rispetto ai compositi carbonio-carbonio attualmente impiegati negli ugelli di razzi», osserva Sciti. «La disponibilità di una nuova famiglia di materiali che offre integrità strutturale, protezione termica nonché erosione e ablazione vicine allo zero favorirà lo sviluppo di propellenti più efficienti, mentre i componenti riutilizzabili ridurranno costi e rifiuti». Le applicazioni potenziali dei compositi a matrice ceramica a temperatura ultra elevata si spingono ben oltre il volo supersonico. I nuovi materiali potrebbero essere utilizzati per prolungare il ciclo di vita dei materiali presenti nei reattori nucleari o nei sistemi a concentrazione solare di prossima generazione.
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