Composieten weer actief op en boven het Mars-oppervlak
Geplaatst op 31 mei 2021 om 15:18 uur
De Mars 2020-missie, die op 18 februari van dit jaar de Perseverance Rover heeft afgezet op Mars, is nu alweer de vierde maal dat de composieten van Toray Advanced Composites een bezoek brengen aan de Rode Planeet. Toray is een samenwerking aangegaan met NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), Lockheed Martin en AeroVironment om de Mars 2020-missie te ondersteunen met geavanceerde composieten op de Perseverance Rover, de Ingenuity-helikopter en in de beschermende aeroshell van het ruimtevaartuig.
Erfgoed
Hun composietmaterialen hebben eerder al bijgedragen aan het succes van de MAVEN Orbiter die in 2014 aan zijn rondjes om Mars begon, de Curiosity Rover die in 2012 op Mars landde en de InSight Lander die sinds 2018 op Mars staat. Bovendien zijn de composieten van het bedrijf gebruikt in talloze satellieten en ruimtevoertuigen die in ons zonnestelsel hebben rondgevlogen en dat nog steeds doen."We voelen dat ons erfgoed in de ruimtevaartindustrie, evenals ons vermogen om samen te werken aan gespecialiseerde projecten zoals de Mars 2020-missie, onze positie versterkt als de 'go-to' composietenpartner voor ruimtevaarttoepassingen", zegt Scott Unger, chief technology officer van Toray Advanced Composites. "Samenwerken met innovatieve bedrijven als JPL, AeroVironment en Lockheed Martin om de verkenning van de ruimte voort te zetten, is een voorrecht." Een compliment is Amerikanen niet vreemd.
Vliegen op Mars een uitdaging
Ingenuity is de eerste helikopter/drone die buiten de dampkring van de aarde vliegt. Met de helikopter, die ook door JPL is gebouwd, wordt onderzocht of vliegen met een rotor een optie is om toekomstige missies en menselijke bezoeken aan Mars te ondersteunen. Door de extreem ijle atmosfeer van Mars - maar 1 procent van de onze - staat een eenvoudige vlucht op een paar meter van het Marsoppervlak gelijk aan die een helikopter die op pakweg 30 km hoogte boven onze aarde probeert te vliegen. Ingenuity weegt minder dan 1,8 kg, is 49 centimeter hoog met een rotordiameter van 1,2 meter. De rotor draait met 2.800 tot 3.000 omw/min. Op aarde zouden 400 tot 500 omw/min volstaan. Het is de bedoeling dat het vliegtuig een reeks van vijf vluchten uitvoert, elk met een toenemende moeilijkheidsgraad, om de haalbaarheid van toekomstige gemotoriseerde vluchten op Mars te testen. (Foto: NASA/JPL-Caltech)
Geschiedenis van succes
Om niet alleen de extreme omstandigheden van een ruimtereis en het betreden van een planeet te doorstaan, maar ook om hun kritieke missies met succes uit te voeren, zijn het Mars 2020-ruimtevaartuig en de voertuigen afhankelijk van beproefde kwalitatief hoogwaardige materialen. Toray-materialen hebben een lange traditie van succes in de ruimte, onder andere dankzij:
- een uitzonderlijke taaiheid en weerstand tegen micro-cracking;
- een hoge glasovergangstemperatuur;
- een lage uitzettingscoëfficiënt van vocht;
- een lage thermische uitzettingscoëfficiënt;
- weinig uitgassing;
- een hoge tolerantie voor blootstelling aan straling en thermische cycli.
Vanwege deze eigenschappen en de succesvolle toepassing in off-planet voertuigen is de keuze van NASA en partners niet zo moeilijk te begrijpen.
Complexe aeroshell
De aeroshell voor Mars 2020 is ontworpen door Lockheed Martin. Voor de aeroshell zijn sterke, hittebestendige materialen nodig om de payload - de Perserance Rover met Ingenuity - te beschermen tegen temperaturen van meer dan 2.093 °C en de druk dankzij de extreme snelheid van 19.312 km/u bij binnenkomst van de Mars-atmosfeer. De aeroshell voor Mars 2020 is met een diameter van bijna 4,5 m de grootste die ooit voor een planetaire missie is gebouwd en bestaat eigenlijk uit twee delen: het hitteschild en de conische achterzijde. Lockheed Martin koos voor Toray's cyanaatester prepreg met hoge modulus om de binnenkant van het hitteschild structureel te versterken. Aan de buitenzijde wordt het hitteschild beschermd door tegels van een met fenol geïmpregneerd carbon ablator thermisch beschermingssysteem.
"De door Toray Advanced Composites geleverde composietmaterialen voor hoge gebruikstemperaturen maken de fabricage mogelijk van extreem lichte en vormvaste structuren voor landingsvoertuigen voor planeetverkenning", stelt David Scholz, Mars 2020 aeroshell principal engineer bij Lockheed Martin Space.
Zoeken naar buitenaards leven
Het belangrijkste doel van Mars 2020 is het zoeken naar bewijs dat Mars ooit leven heeft gekend. De Perseverance Rover is gebouwd door NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), heeft het formaat van een kleine SUV en weegt 1.025 kilo. De Rover zal de 45 km brede Jezero-krater verkennen, ooit een oude rivierdelta. Gedurende twee jaar zal worden gezocht naar tekenen van voormalig microscopisch leven met nieuwe scan- en analysetechnologie. Ook worden gesteente- en sedimentmonsters genomen, die mogelijk in de toekomst naar de aarde kunnen worden gebracht. Perseverance zal ook nieuwe technologie testen voor toekomstige robot- en bemande missies, zoals een UV-spectrometer voor beeldvorming op kleine schaal en een UV-laser om mineralogie en organische verbindingen in kaart te brengen. Ook aan boord: het Mars oxygen in situ resource utilization experimient (MOXIE), om koolstofdioxide uit de atmosfeer om te zetten in zuurstof. Als het experiment slaagt, zouden astronauten hier in de toekomst op Mars gebruik van kunnen maken.
Perseverance
Na zeer succesvolle resultaten met Toray Advanced Composites-materialen op de Curiosity Rover, keerde JPL terug naar Toray voor een groter aantal toepassingen op Perseverance. Een verscheidenheid van prepregs en uni-directionele tapes is gebruikt om verschillende structurele delen van de Rover te versterken en te beschermen, met inbegrip van het landingsdek en de structuurdelen uit honingraat sandwichpanelen. De composieten zijn gekozen vanwege hun lange en succesvolle ervaring in de ruimte, lage thermische uitzettingscoëfficiënt en geringe gasontwikkeling. Cyanaatester prepregs vertonen kenmerken die vergelijkbaar zijn met die van epoxy, maar zijn speciaal ontwikkeld voor gebruik in vacuüm als alternatief voor epoxy, dat hygroscopischer (waterabsorberend) is en de neiging heeft te ontgassen in vacuüm.
De achterkant van de aeroshell met op de achtergrond het hitteschild. De aeroshell heeft Perseverance en Ingenuity veilig op het Mars-oppervlak helpen zetten. (Foto: Lockheed Martin)
Rotorbladen Ingenuity
De composieten van Tory zijn ook gebruikt in misschien wel het belangrijkste onderdeel van Ingenuity: de rotorbladen. De rotorbladen van het toestel zijn heel anders dan die van helikopters op aarde en vereisen zeer gespecialiseerde en beproefde materialen. Het unieke ontwerp is langer en dikker dan dat van bladen op aarde om zo goed mogelijk te profiteren van de ijle atmosfeer. De bladen moeten ook zo licht mogelijk zijn en veel stijver dan hun aardse tegenhangers om stabiliteit te behouden bij afwezigheid van een dikkere atmosfeer.
Om aan deze eisen te voldoen heeft AeroVironment, de onderaannemer van JPL die de rotorbladen heeft gemaakt, gekozen voor de cyanaatester unidirectionele prepreg, die optimale mechanische eigenschappen, een hoge stralingsbestendigheid, een lage vochtabsorptie en een lage uitgassing biedt, terwijl het toch een ongeëvenaarde taaiheid behoudt. Dit lichte composiet blinkt uit in zijn vermogen in weerstand tegen micro-cracking, zelfs wanneer het wordt onderworpen aan thermische cycli en blootstelling aan hoge stralingsniveaus. Het heeft een ook lage diëlektrische waarde en lage verlieswaarden en kan vrijstaand worden uitgehard om de thermische prestaties voor temperatuurkritieke structuren te verhogen. Hoe de materialen, Perseverance en Ingenuity het de komende twee jaar doen is uitgebreid te volgen op de speciale Mars 2020-website van NASA .