Revoluce v ochraně vesmírných lodí: 3D tisk snižuje hmotnost pancíře až o 70 %

Konstruktéři kosmických lodí se potýkají s rostoucí výzvou, jak ochránit svá zařízení před mikrometeoroidy a orbitálním smetím (MMOD). Tyto nekontrolované částice mohou způsobit hyperrychlostní nárazy, které výrazně ovlivňují rozpočet mise na hmotnost.

Konstruktéři kosmických lodí se potýkají s rostoucí výzvou, jak ochránit svá zařízení před mikrometeoroidy a orbitálním smetím (MMOD). Tyto nekontrolované částice mohou způsobit hyperrychlostní nárazy, které výrazně ovlivňují rozpočet mise na hmotnost. Nová studie, kterou provedli Binkal Kumar Sharma z Univerzity v Brémách a nezávislá výzkumnice Harshitha Baskar, přináší podrobný přehled špičkových možností obrany proti těmto nebezpečným částicím.

Existují dvě hlavní hrozby. Mikrometeoroidy, malé kameny z vesmíru, představují dominantní riziko v nižších (pod 270 km) a vyšších (nad 4800 km) oběžných drahách. Mohou se pohybovat rychlostí až 72 km/s. Mezi těmito výškami je hlavním problémem orbitální smetí, tedy lidmi vytvořené úlomky, které se mohou srazit se satelitem rychlostí až 15 km/s. Tyto srážky navíc generují další nebezpečné úlomky, což vede k rostoucímu problému známému jako Kesslerův syndrom.

Současným průmyslovým standardem je takzvaný Whippleův štít – obětovaný hliníkový nárazník, který má za úkol odpařit dopadající materiál dříve, než se dostane k cenným vnitřním částem satelitu. Moderní varianty, jako jsou „stuffed“ a „multi-shock“ štíty, vyplňují prostor mezi štítem a citlivými komponenty vysoce pevnými tkaninami, například Kevlarem nebo keramickou tkaninou Nextel, které dále drtí úlomky.

Výzkumníci však hledají způsoby, jak snížit hmotnost těchto ochranných systémů, neboť hmotnost přímo souvisí s náklady na vesmírný průzkum. Jednou z nejslibnějších technologií je aditivní výroba, známá jako 3D tisk, konkrétně laserové tavení práškového lože (LPBF), které umožňuje výrobu kovových dílů. Odhady naznačují, že použití dílů vyrobených technologií LPBF by mohlo vést k úspoře hmotnosti až o 70 %, což je pro konstruktéry kosmických lodí velmi lákavé. I když současné LPBF díly mohou být porézní, další vývoj se zaměřuje na 3D tištěné kovové mřížky v kombinaci s pokročilými polymerními deskami.

Nejslibnějším z těchto polymerů je polyethylen s ultra vysokou molekulovou hmotností (UHMWPE). Ten by fungoval jako kinetická houba, pohlcující zbytkovou energii projektilu, který byl původně roztříštěn kovovou mřížkou. Tyto materiály mají navíc potenciál sloužit jako tepelné a radiační štíty, pokud jsou kombinovány s přísadami, jako jsou přírodní grafenové vločky a karbid boru. Díky těmto vylepšením se možnosti materiálů pro konstruktéry kosmických lodí výrazně posouvají vpřed. I když tyto pasivní technologie nemusí zcela zastavit potenciální nebezpečí MMOD, jejich vývoj dává naději na bezpečnější a efektivnější vesmírné mise.