Nauka napędza rozwój przemysłu kosmicznego

Naukowcy pełnią rolę kluczowych aktorów w rozwoju technologii dla przemysłu kosmicznego. Ich wiedza i doświadczenie stanowią fundament dla tworzenia nowoczesnych, bardziej efektywnych, bezpiecznych i ekologicznych rozwiązań, takich jak zaawansowane, odporne na działanie czynników zewnętrznych materiały, sztuczna inteligencja, czy nowoczesne systemy komunikacji.

Ośrodki innowacyjnej myśli technologicznej, takie jak Łukasiewicz – Warszawski Instytut Technologiczny (Łukasiewicz-WIT), dzięki interdyscyplinarnym zespołom badawczym i nowoczesnym laboratoriom, przyczyniają się do rozwoju m.in. branży kosmicznej, efektywnie wspomagając realizację międzyplanetarnych misji.

Ekstremalna odporność urządzeń w skrajnych warunkach przestrzeni kosmicznej

W skrajnie wymagających warunkach przestrzeni kosmicznej niezawodność materiałów i urządzeń staje się priorytetem. Tu doskonale sprawdzą się cermetale i rozwiązania z zakresu inżynierii powierzchni, opracowywane w Centrach Badawczych Łukasiewicz - WIT.

Cermetale o wysokiej odporności mechanicznej i termicznej zwiększają wytrzymałość komponentów lądowników, poddanych działaniu ekstremalnych warunków przy wejściu w atmosferę, części narzędziowej robotycznych ramion, wykorzystywanych w eksploracji kosmicznej czy osłon termicznych silników rakietowych.

Łukasiewicz-WIT prowadzi badania wytrzymałości mechanicznej cermetali na zginanie i ściskanie, twardość, odporność na ścieranie, jak również badania kriogeniczne pod kątem odporności tych materiałów na szok termiczny, a także stabilność fazową i strukturalną. W przypadku pozytywnego wyniku wspomnianych powyżej testów, Instytut planuje dalsze specjalistyczne badania tych materiałów we współpracy z jednostkami badawczymi, prowadzącymi badania aplikacyjne.

Warto podkreślić, że kompozytowy charakter cermetali nadaje im unikalne właściwości, wynikające z połączenia twardości ceramiki z plastycznością materiałów metalowych. Zawartość ceramiki sprawia, że cermetale wyróżniają się niższą rozszerzalnością cieplną niż metale. Ta cecha gwarantuje stabilność wymiarową w warunkach przestrzeni kosmicznej.  

Cermetale cechuje również ponadprzeciętna odporność na szok termiczny. Część metaliczna uplastycznia się pod wpływem gwałtownej zmiany temperatury podczas wejścia w atmosferę, co przeciwdziała postępowaniu pęknięć i uszkodzeń powierzchni. Ze względu na swoje właściwości cermetale znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle narzędziowym. Sprawdzą się zatem między innymi w wytwarzaniu końcówek czerpaków łopatki narzędziowej, które służą do zbierania próbek z podłoża obiektów kosmicznych.

Dzięki swoim właściwościom, które łączą cechy ceramiki i metalu, cermetale znajdują zastosowanie również w produkcji elementów konstrukcyjnych silników rakietowych, w tym dysz rakietowych, elementów turbin i pokryć ochronnych  powierzchni narażonych na wysoką temperaturę. Dzięki metalowej strukturze materiały te wyróżniają się również wytrzymałością mechaniczną i odpornością na pękanie, co sprawia, że są idealnym materiałem do wytwarzania elementów narażonych na obciążenia dynamiczne.

W projektowaniu skutecznych osłon termicznych i radiacyjnych satelitów oraz ochronie delikatnych komponentów mechanicznych przed działaniem mikrometeorytów i pyłu kosmicznego sprawdzą się rozwiązania z zakresu obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, a także powłoki ochronne odporne na promieniowanie kosmiczne, ekstremalne temperatury czy ścieranie.

Powłoki minimalizujące tarcie w ekstremalnych warunkach to również doskonałe zabezpieczenie mechanizmów obrotowych satelitów i paneli słonecznych czy elementów systemów dokowania orbitalnego.

Technologie azotowania i inne procesy obróbki cieplno-chemicznej modyfikującej właściwości materiałów pozwolą na wzmocnienie powierzchni krytycznych elementów mechanicznych w satelitach i sondach czy komponentach mechanicznych dla systemów dokowania na orbicie. W zwiększeniu wytrzymałości powierzchni struktur nośnych rakiet pomocne będą również wytwarzane przez inżynierów Łukasiewicz – WIT powłoki ochronne i funkcjonalne metodą natryskiwania cieplnego.

Eksploracja planet, takich jak Mars czy Wenus, wymaga jeszcze bardziej zaawansowanych technologii. Łukasiewicz – WIT opracowuje lekkie, a jednocześnie wytrzymałe materiały kompozytowe i stopowe, które mogą być wykorzystywane w konstrukcjach satelitów, paneli słonecznych czy obudowach elektronicznych. Technologie te znajdują zastosowanie również w zasobnikach kriogenicznych, niezbędnych do przechowywania i transportu paliw w skrajnych warunkach kosmosu.

Ekstremalne warunki panujące w przestrzeni kosmicznej wiążą się z koniecznością użycia zaawansowanych materiałów, odpornych na szok termiczny, niską temperaturę, promieniowanie, a także uderzenia kosmicznych śmieci. Atomizer wraz z urządzeniami peryferyjnymi, nowy sprzęt zakupiony przez Łukasiewicz – WIT w ramach dotacji celowej MNiSW, umożliwi wytwarzanie proszków do produkcji stopów o wysokiej entropii (ang. High Entropy Alloys, HEA), które mogą zostać wykorzystane do tworzenia powłok w procesie natryskiwania cieplnego czy w druku 3D.

HEA to nowoczesne materiały metaliczne, składające się z co najmniej pięciu głównych pierwiastków o zbliżonych do równoważnych udziałach atomowych (zwykle od 5% do 35%), co zapewnia tzw. „coctail effect”, umożliwiając osiągnięcie zupełnie nowych właściwości, wynikających z synergii  każdego z nich. Stanowią przez to idealny materiał do zastosowania wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka odporność elementów na działanie czynników zewnętrznych, w takich branżach jak energetyka, lotnictwo czy przemysł kosmiczny.

Stopy o wysokiej entropii w warunkach kriogenicznych osiągają unikalne właściwości – ich wytrzymałość rośnie w miarę obniżania się temperatury. Odznaczają się również wysoką stabilnością strukturalną w szerokim zakresie temperaturowym, stanowiąc idealny materiał do konstrukcji silników rakietowych, osłon termicznych oraz elementów statków kosmicznych.

Dzięki swojej strukturze atomowej HEA cechują się ponadto wysoką twardością i odpornością na ścieranie, co sprawia, że wytwarzane z nich powłoki ochronne skutecznie zabezpieczą przed uszkodzeniem elementy wystawione na uderzenia mikrometeoroidów, pyłu kosmicznego i kosmicznych śmieci. Zwiększą też trwałość części mechanicznych w ramionach robotycznych łazików marsjańskich, a także struktur modułów mieszkalnych wykorzystywanych w misjach długoterminowych, np. na Marsa.

Warto dodać, że lekkie HEA oparte na aluminium i tytanie mogą z kolei zostać wykorzystane w konstrukcjach kadłubów rakiet i satelitów. W lotach kosmicznych, gdzie każdy kilogram jest istotny, ich zastosowanie pomoże obniżyć koszty wynoszenia ładunków na orbitę. Dzięki szerokiej gamie możliwych składów chemicznych, kompozycje HEA można dostosować do specyficznych wymagań misji kosmicznych.

Przyspieszenie procesów produkcyjnych, możliwe również w przestrzeni kosmicznej

Instytut od dłuższego czasu rozwija technologię druku 3D w obszarze inżynierii biomedycznej, w tym wytwarzania nowych materiałów do produkcji implantów medycznych, a także w przemyśle obronnym do tworzenia lekkich i odpornych wkładów balistycznych. Rozwijana przez inżynierów Łukasiewicz - WIT technologia druku 3D pozwoli też na szybką produkcję prototypów komponentów satelitarnych i tworzenie niestandardowych elementów strukturalnych bezpośrednio w przestrzeni kosmicznej.

Wspomniany już wcześniej atomizer, umożliwiający wytwarzanie stopów o wysokiej entropii, znacząco zwiększy potencjał Instytutu w tym zakresie w najbliższych latach, umożliwiając projektowanie materiałów „na miarę”, w sposób dopasowany do potrzeb aplikacji, tworzenie lekkich, ale wytrzymałych struktur o zoptymalizowanej konstrukcji, przy jednoczesnym ograniczeniu strat materiałowych.

Współpraca z Łukasiewicz - WIT

Łukasiewicz – Warszawski Instytut Technologiczny koncentruje się na dostarczaniu rozwiązań technologicznych, które zwiększą potencjał polskich firm, umożliwiając im efektywne zaspokajanie potrzeb rynkowych, a także budowanie przewagi konkurencyjnej w Polsce i w Europie. Ten cel przyświeca Instytutowi również w przypadku rozwiązań dedykowanych przemysłowi kosmicznemu.

Łukasiewicz – WIT to także partner międzynarodowych projektów badawczych i komercyjnych, co umożliwia mu dostarczanie skutecznych rozwiązań wspierających misje eksploracyjne, rozwój satelitów komunikacyjnych i obserwacyjnych, czy konstrukcję pojazdów kosmicznych.

Celem Instytutu jest zapewnienie partnerom biznesowym wsparcia w postaci specjalistycznej wiedzy ze strony kadry inżynieryjnej i zaplecza technologicznego, w tym laboratoriów czy ośrodków testowych do tworzenia konkurencyjnych rozwiązań w zakresie komponentów do satelitów, rakiet, czy poszukiwania nowych źródeł energii.

„Dzięki ośrodkowi Enterprise Europe Network, działającemu w ramach struktur Instytutu, Łukasiewicz – WIT pragnie również ułatwić polskim firmom współpracę z partnerami międzynarodowymi w obszarze finansowania projektów kosmicznych, tworzenia partnerstw publiczno-prywatnych, umożliwiających szybszy rozwój innowacyjnych technologii, a także wprowadzanie produktów i usług na rynki międzynarodowe, zwiększając konkurencyjność polskiego sektora kosmicznego.” - poinformował Instytut.

Ważnym elementem działalności Instytutu jest również promocja korzyści płynących z inwestycji w przemysł kosmiczny w społecznej świadomości oraz wzbudzanie zainteresowania kosmosem wśród młodych ludzi, poprzez współorganizowanie wydarzeń, konkursów i warsztatów, takich jak m.in. międzynarodowe zawody łazików marsjańskich.

Kosmos stawia przed nauką wyzwania, które jeszcze niedawno wydawały się nieosiągalne. Dzięki takim instytucjom jak Łukasiewicz – WIT, granice możliwości ludzkich przesuwają się coraz dalej, a Polska odgrywa coraz istotniejszą rolę w odkrywaniu tajemnic wszechświata.

Materiał opracowany we współpracy z Łukasiewicz – Warszawski Instytut Technologiczny

Materiał sponsorowany