Espaço: como este setor impulsiona o desenvolvimento de materiais e estruturas compósitas (também no INEGI!)

20 novembro 2020

Artigo de Nuno Rocha, investigador coordenador para as atividades no setor Espaço, e Nuno Correia, responsável pela área de materiais compósitos do INEGI.

A exploração espacial é, desde que surgiu, um dos mais potentes motores do desenvolvimento tecnológico. Os desafios técnicos que impõe, desde o acesso ao Espaço até à operação em ambiente espacial, exigem novos conhecimento técnicos, e inovação em iniciativas no domínio das tecnologias futuras e emergentes realizadas em grande escala ("Big Sience”).

Perante a emergência destes desafios, o INEGI tem vindo a destacar-se através da sua atividade continuada neste setor, em grande parte desenvolvida no âmbito de projetos com a Agência Espacial Europeia (ESA), cobrindo várias áreas tecnológicas, como o desenvolvimento de materiais, processos de fabrico, projeto de estruturas, e teste e avaliação de sistemas para o Espaço.

Materiais de elevado desempenho contribuem para viabilidade económica das missões espaciais

A redução do peso das estruturas e sistemas lançados para o Espaço é um destes desafios, especialmente importante já que cada quilograma lançado pode custar 20.000 €1.

É precisamente como resposta a este desafio que surge o desenvolvimento de materiais compósitos, ou polímeros reforçados com fibra de carbono (em inglês, carbon fibre reinforced polymers - CFRP), que chegam a ser cinco vezes mais resistentes e mais rígidos do que os materiais que substituem2. Os materiais compósitos tornam-se assim viabilizadores económicos do acesso ao Espaço. Para além do elevado desempenho mecânico específico, estes materiais permitem ainda dotar as estruturas e sistemas espaciais de uma elevada estabilidade térmica3.

À medida que a tecnologia evoluiu, graças à conceção de produtos mais otimizados, ao desenvolvimento de novos processos de fabrico e à introdução de novos materiais (tais como novas polímeros, novas fibras ou incorporando na sua estrutura materiais emergentes, como é o caso dos nanomateriais), as estruturas compósitas para aplicações espaciais atingiram um desempenho ainda mais notável4,5,6,7.

INEGI também na linha da frente da inovação na europa

Considerando que as estruturas espaciais requerem o máximo desempenho e o menor peso possível, as fibras de carbono de muito alto módulo ganham especial relevância e são hoje um produto importante e orientado ao setor Espaço.

O Espaço é um setor estratégico para as diferentes nações, mas não existe ainda um fornecedor europeu deste tipo de fibras de carbono. Por essa razão, estas estão identificadas como um material crítico para a não dependência europeia no setor do Espaço.

É neste contexto que surge, em 2011, no âmbito do projeto FP7 EUCARBON8, a primeira unidade europeia (instalada na Fisipe, agora parte do grupo SGL) com a capacidade para fabricar fibras de carbono de alto módulo, um material crítico para o fabrico de estruturas para satélites. As propriedades das fibras de carbono foram alvo de um processo de melhoria, no âmbito de um projeto subsequente intitulado H2020 SpaceCarbon9, com o objetivo de alcançar módulos de elasticidade mais elevados. Adicionalmente este projeto implementando a capacidade de produzir fibras de módulo intermédio, utilizadas para o fabrico de estruturas de lançadores.

Durante o desenrolar do projeto, que conta com a participação das empresas AIRBUS Defense and Space e AVIO, o INEGI desenvolveu novos semi-produtos para compósitos (pré-impregnados), permitindo validar as fibras desenvolvidas e propondo novas matrizes para os compósitos do futuro. Estas envolvem a modificação com nanomateriais e incorporam novos compostos que permitem, por exemplo, melhorar as condutividades térmica e elétrica, a tenacidade à fratura e o seu comportamento a temperaturas criogénicas.

As contribuições do INEGI para o desenvolvimento tecnológico do setor antecedem, porém, estes projetos, destacando-se a participação num conjunto de projetos da ESA10,11, liderados pela HPS GmbH, com o intuito de explorar a utilização de nanotubos de carbono em estruturas para o Espaço. Iniciativas que culminaram, em 2018, com a aplicação num espelho ótico demonstrador12 que tira partido dos nanomateriais para melhorar as propriedades superficiais das estruturas compósitas, resultando numa melhor maquinação, capacidade de revestimento, menor rugosidade e melhores propriedades térmicas e elétricas superficiais.

Empresas nacionais e europeias apoiam criação de conhecimento

Entre os vários desafios abraçados pelo INEGI, está o projeto RTM E-BOX13, em que se desenvolveu uma caixa eletrónica para Espaço, recorrendo a material compósito e fabrico em processos sem uso de autoclave, permitindo reduzir peso na estrutura e energia no processo de fabrico. Os compósitos tradicionais não possuem dissipação térmica suficiente e, por isso, a equipa de especialistas do INEGI criou um novo material compósito, recorrendo a uma fibra de carbono altamente condutora. Ao mesmo tempo, trabalhou na arquitetura do material, de forma a garantir uma dissipação térmica adequada e produzida num processo de fabrico fora do autoclave, capaz de garantir uma geometria complexa e de elevada exigência.

Outros desafios incluem o desenvolvimento de compósitos com combinação de materiais e geometrias feitas à medida para um refletor de duas grelhas em compósito no projeto KuDGR14 (liderado pela HPS GmbH), e o projeto COMETH15, liderado pelo INEGI e contando com a participação da SONACA, no âmbito do qual está a ser desenvolvida uma nova estrutura desdobrável totalmente em material compósito capaz de ter uma redução de peso por eliminação dos componentes mecânicos necessários à estrutura.

Aqui o desafio passou por garantir uma estrutura suficientemente estável durante as 3 fases associadas (estrutura dobrada, durante o desdobramento e durante a operação), que foi alcançada através de uma apropriada definição de materiais e geometrias, suportada pela integração de modelos micromecânicos, tal como os descritos numa publicação recente da equipa de investigação focada no fenómeno de relaxação destas estruturas durante armazenamentos prolongados16. Estas estruturas desdobráveis são de enorme importância nos dias de hoje, já que permitem acomodar estruturas de grandes dimensões nos lançadores disponíveis. O INEGI tem trabalhado também no desenvolvimento de sistemas de suporte e teste a estas estruturas, em projetos de referência europeia na ESA e na EC (European Comission)17,18,19.

Portugal contribui para a «corrida espacial» nos compósitos

O desenvolvimento tecnológico na área dos materiais e estruturas compósitas para o setor Espaço tem sido promovido essencialmente num contexto Europeu, mas tem vindo a ganhar cada vez mais expressão no contexto nacional. Exemplos disso são os projetos em copromoção com as empresas Spinworks (projeto DIVER20, para dimensionamento de sistemas de proteção térmica em compósito para cápsulas de reentrada), FHP (projeto Filtube21, para desenvolvimento de estruturas tubulares compósitas) e com a Omnidea (projeto SSalut22, com o objetivo de desenvolver reservatórios de pressão compósitos com capacidade auto-sensorial).

A aposta na inovação continua, com a presença no INEGI, em projetos prestes a arrancar, como é o mobilizador VIRIATO23 (liderado pela Omnidea) que visa a criação de novos materiais e estratégias de fabrico para tanques criogénicos de microlançadores e o NewSat24 (liderado pela Stratosphere) onde o INEGI irá desenvolver arquiteturas inovadoras de estruturas para microssatélites, com base em estratégias de otimização topológica, tirando partido do fabrico aditivo e de novos semi-produtos compósitos.

Os materiais compósitos são por isso um importante aliado na exploração espacial, com desafios tecnológicos sempre presentes. A investigação e inovação prometem dar a resposta, e os caminhos futuros desenham-se com a utilização de novos materiais híbridos, caminhando no sentido da multifuncionalidade, processos de fabrico mais eficientes, automatizados e adequados a geometrias altamente complexas ou com o projeto de estruturas inovadoras, recorrendo a metodologias avançadas como a otimização topológica, algoritmos genéticos ou inteligência artificial.

[1] Naser, M. Z., & Chehab, A. I. (2018). Materials and design concepts for space-resilient structures. Progress in Aerospace Sciences, 98, 74-90.

[2] Bhat, Gajanan, ed. Structure and properties of high-performance fibers. Woodhead Publishing, 2016.

[3] Alemour, B., Badran, O., & Hassan, M. R. (2019). A Review of using conductive composite materials in solving lightening strike and ice accumulation problems in aviation. Journal of Aerospace Technology and Management, 11.

[4] Sudhin, A. U., Remanan, M., Ajeesh, G., & Jayanarayanan, K. (2020). Comparison of Properties of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic and Thermosetting Composites for Aerospace Applications. Materials Today: Proceedings, 24, 453-462.

[5] Zhang, X., Chen, Y., & Hu, J. (2018). Recent advances in the development of aerospace materials. Progress in Aerospace Sciences, 97, 22-34.

[6] Sairajan, K. K., Aglietti, G. S., & Mani, K. M. (2016). A review of multifunctional structure technology for aerospace applications. Acta astronautica, 120, 30-42.

[7] Gohardani, O., Elola, M. C., & Elizetxea, C. (2014). Potential and prospective implementation of carbon nanotubes on next generation aircraft and space vehicles: A review of current and expected applications in aerospace sciences. Progress in Aerospace Sciences, 70, 42-68.

[8] EUCARBON "European Space-Qualified Carbon Fibres and Pre-Impregnated Based Materials” (2011-2015) (FP7 Space - Technologies for European non-dependence and competitiveness)

[9] SpaceCarbon "European Carbon Fibres and Pre-Impregnated Materials for Space Applications” (2018-2021) (H2020 Space - Technologies for European non-dependence and competitiveness)

[10] NACO I "Non-conventional Matrix/Carbon Nanotubes Reinforced Composites for Applications in Space” (2007-2009) (ESA-GSTP)

[11] NACO II "Non-conventional Matrix/Carbon Nanotubes Reinforced Composites for Applications in Space” (2011-2013) (ESA-GSTP)

[12] NATAP "Carbon Nanotube Technology and Material Engineering for Various Space Applications” (2016-2018) (ESA-GSTP)

[13] RTM E-BOX "Thermally Conductive CFRP manufactured by Resin Transfer Moulding” (2013-2015) (ESA-TRP)

[14] KuDGR "Dual-Gridded Carbon Fibre Reinforced Plastic Reflector” (2011-2015) (ESA-ARTES)

[15] COMETH "Composite elastic hinge for Antenna Deployment Structures” (2017-2020) (ESA-ARTES)

[16] P. Fernandes, B. Sousa, R. Marques, João Manuel R.S. Tavares, A.T. Marques, R.M. Natal Jorge, R. Pinto, N. Correia, "Influence of relaxation on the deployment behaviour of a CFRP composite elastic–hinge”, Composite Structures, 2020, 113217.

[17] LEA "Large European Antenna” (2017-2021) (H2020)

[18] LEOB "Large Deployable Reflector for Earth Observation” (2019-2022) (ESA)

[19] CIMR "Copernicus Imaging Microwave Radiometer High Priority Candidate Mission” (2020-2025) (ESA)

[20] DIVER "Integrated Design of Re-Entry Vehicles” (2015-2018) (PT2020)

[21] Filtube "Non-conventional tubular composite material structures for space applications” (2016-2019)

[22] SSAluT3” Self-Sensing Aluminium Type III composite overwrapped pressure vessel” (2016-2019)

[23] Viriato "Reusable innovative vehicle for research and fostering orbital technology” (PT2020 Mobilizadores)

[24] NewSAT” Development of a compact integrated sensor and satellite for earth observation” (PT2020 / MIT Programme)