Perché l'alluminio è un cavallo di battaglia del volo spaziale
I veicoli spaziali devono sopravvivere alle violente vibrazioni del lancio, agli sbalzi di temperatura estremi e alle radiazioni, mantenendo il peso al minimo perché ogni chilogrammo di struttura costa propellente. Le leghe di alluminio offrono una combinazione di elevata rigidità specifica, buona stabilità termica, capacità di schermatura dalle radiazioni-e decenni di esperienza nel volo che pochi materiali possono eguagliare. A seconda della missione, dal 50 al 90% della massa secca di un satellite può essere costituita da lega di alluminio, utilizzata nella struttura primaria, nei serbatoi del propellente, nei pannelli, nelle staffe e negli strumenti. Il materiale funziona in modo affidabile nell'intervallo di temperature sperimentato in orbita e sulla superficie lunare.
Alluminio nei veicoli di lancio e nelle strutture dei veicoli spaziali
Gli stadi, gli adattatori e le carenature dei razzi utilizzano leghe di alluminio come 2219, 7075 e 6061 in lamiere, piastre, forgiati ed estrusioni. Le leghe di alluminio-litio sono ora comuni nei grandi veicoli di lancio perché sono più leggere e rigide delle leghe convenzionali. Le strutture dei veicoli spaziali costruite come pannelli sandwich a nido d'ape in alluminio forniscono elevata rigidità con un peso molto ridotto, e i serbatoi di propellente in alluminio vengono utilizzati sia per propellenti criogenici che immagazzinabili. Le stesse leghe compaiono nel telaio del rover e nel carrello di atterraggio, dove la leggerezza e la robustezza sotto carico d'urto sono fondamentali.
Schermatura contro le radiazioni con alluminio
Nello spazio, l’elettronica e gli equipaggi devono essere protetti dagli eventi delle particelle solari e dai raggi cosmici galattici. Gli scafi in alluminio assorbono una frazione significativa di queste radiazioni e il metallo è spesso combinato con materiali ricchi di idrogeno-, come il polietilene, per migliorare l'efficienza della schermatura. Le coperte isolanti multi-strato con pellicole polimeriche alluminate riflettono il calore solare e forniscono una schermatura secondaria. I moduli della stazione orbitale e le strutture del lander lunare utilizzano pareti di alluminio come barriera primaria contro le radiazioni, e i futuri habitat di superficie seguiranno lo stesso approccio, possibilmente aggiungendo materiali locali come la regolite come massa schermante aggiuntiva.
Trasformazione della regolite lunare in alluminio
La regolite lunare contiene circa il 10-18% in peso di ossido di alluminio, rendendola una potenziale fonte di metallo per le missioni future. I concetti di estrazione utilizzano l'elettrolisi del sale fuso o il processo FFC Cambridge per ridurre l'ossido in alluminio metallico utilizzando l'energia solare. L’alluminio potrebbe quindi essere utilizzato per strutture e si stanno testando tecniche di stampa 3D per costruire elementi di habitat direttamente dalla regolite lavorata. Produrre alluminio sulla Luna ridurrebbe drasticamente la massa che deve essere lanciata dalla Terra, che è la chiave per operazioni lunari sostenibili.
Alluminio nelle tute spaziali e nei sistemi di superficie
L’alluminio compare anche nei sistemi che mantengono in vita e in movimento gli astronauti. Gli strati alluminizzati riflettenti negli indumenti esterni delle tute spaziali deviano la radiazione solare e il nido d'ape in alluminio viene utilizzato nelle strutture delle piastre posteriori di supporto vitale per la resistenza con un peso ridotto. I cuscinetti articolari e i rivestimenti delle visiere del casco utilizzano l'alluminio in pellicole sottili e parti di precisione. In superficie, i telai dei pannelli solari, le strutture delle antenne e i componenti del rover sono realizzati con estrusioni e lamiere di alluminio, e i futuri concetti di habitat su Marte si basano su telai e cupole di alluminio con pannelli trasparenti o gonfiabili per lo spazio abitativo pressurizzato.
La strada verso la colonizzazione di Marte
Le missioni di lunga-durata dipenderanno dall'-utilizzo delle risorse in situ per ridurre i rifornimenti dalla Terra. L'alluminio prodotto dalla regolite marziana o lunare potrebbe essere utilizzato per strutture, serre che proteggono le piante dalle radiazioni e persino sistemi ossidanti di propellente-per i veicoli di ritorno. I leggeri telai in alluminio rendono i parchi solari pratici da implementare e le pellicole con supporto in alluminio-sono candidate per rivestimenti di habitat gonfiabili. Si prevede quindi che le stesse leghe che hanno servito l’industria aerospaziale per un secolo rimarranno il fondamento dell’espansione dell’umanità oltre la Terra.
Domande frequenti
D: Perché l'alluminio è preferito all'acciaio per i veicoli spaziali?
R: L'alluminio offre un rapporto resistenza-/-peso molto più elevato, quindi le strutture possono essere più leggere pur resistendo ai carichi di lancio. Le sue proprietà termiche e di fabbricazione sono adatte anche alla produzione aerospaziale.
D: È davvero possibile trasformare la regolite lunare in alluminio?
R: Sì, in linea di principio. Regolith contiene ossido di alluminio e processi come l'elettrolisi del sale fuso possono ridurlo in alluminio metallico utilizzando l'elettricità generata dall'energia solare, con un lavoro pilota in corso su materiali simulanti.
D: In che modo l'alluminio protegge dalle radiazioni spaziali?
R: L'alluminio assorbe e disperde le particelle di radiazioni, riducendo la dose dietro di esse. È più efficace se combinato con materiali ricchi di idrogeno-e le sue prestazioni sono ben caratterizzate da decenni di funzionamento dei veicoli spaziali.
D: Quali leghe di alluminio vengono utilizzate nei veicoli spaziali?
R: Le leghe comuni includono 2219 e 2195 per serbatoi e struttura primaria, 7075 per raccordi ad alta-resistenza e 6061 per struttura generale e staffe, selezionati per robustezza, saldabilità e resistenza alla corrosione.
D: L’alluminio è ancora rilevante per i futuri programmi spaziali?
R: Assolutamente. Nuovi veicoli di lancio, lander lunari, stazioni orbitali e concetti di habitat continuano a specificare leghe di alluminio e l'alluminio di origine lunare-è considerato una delle risorse in-situ più promettenti.