Métodos avanzados de caracterización y modelización de los materiales para ablación

Uno de los principales desafíos para el transporte espacial es el retorno de las aeronaves a la Tierra o lograr una entrada y un aterrizaje seguros en otros planetas. Durante la fase del vuelo de entrada en la atmósfera, el vehículo se expone a cargas térmicas extremas. En la atmósfera densa de un gigante de gas como Júpiter o Saturno, estas cargas pueden ser dos e incluso tres órdenes de magnitud mayores que en una reentrada en la Tierra. El desarrollo de materiales más eficientes es esencial para poder hacer realidad misiones interplanetarias como ExoMars o misiones de retorno con muestras.

Una forma de gestionar las cargas térmicas provocadas por la gran velocidad de reentrada en una aeronave es proteger su estructura con un material de protección térmica suficiente. El método más eficiente es el de ablación térmica, que bloquea la transferencia de calor debido al cambio de estado sólido a líquido y gas. Los productos gaseosos de la ablación eliminan el calor de la superficie durante el proceso de desgasado.

Sin embargo, la mayoría de materiales para ablación disponibles actualmente son el resultado de investigaciones que se llevaron a cabo hace más de veinte años. Recientemente, Europa ha intensificado su labor de desarrollo de una nueva generación de materiales para ablación. El objetivo principal del proyecto «Advanced ablation characterization and modelling» (ABLAMOD), financiado por la Unión Europea, es mejorar la caracterización de los materiales, la modelización física y las técnicas de medición.

El equipo de ABLAMOD estudió tres materiales principales para ablación a base de composites de fenólico y carbono, fenólico y silicio y corcho. Se utilizaron nuevas técnicas espectroscópicas para caracterizar las propiedades de flujo de alta entalpía y el comportamiento de los materiales en ambientes aerotérmicos extremos. Técnicas de medición complementarias permitieron determinar propiedades de los materiales como la densidad, la conductividad térmica, la capacidad calorífica y la expansión térmica con distintos niveles de proceso de ablación.

Los datos experimentales recopilados sirvieron como punto de partida para desarrollar y validar modelos realistas del proceso de ablación. Los investigadores de ABLAMOD desarrollaron módulos sobre la interacción gas-superficie, los fenómenos de transporte y la radiación. La modularidad de la herramienta de acoplamiento entre estos módulos y el código principal sobre ablación permitió disponer de una simulación muy flexible en distintas escalas de tiempo.

El enfoque de ABLAMOD sobre la modelización de la ablación es único en Europa. Mediante un conocimiento más profundo de la física subyacente, se espera dar un paso adelante importante para lograr un marco de modelización predictivo para la ablación, lo cual permitiría obtener materiales a medida de misiones específicas.