Uma visão em tempo real do interior dos escudos térmicos de naves espaciais durante condições de calor extremo
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Quando uma nave espacial reentra na atmosfera da Terra a velocidades hipersónicas, o seu escudo térmico protector enfrenta condições extremas, incluindo temperaturas superiores a 1.650 graus Celsius (3.000 graus Fahrenheit). Para sobreviver, o escudo depende de materiais especializados que absorvem o calor à medida que se degradam num processo controlado chamado ablação, sacrificando as camadas exteriores do escudo para proteger o veículo e a tripulação no seu interior.
Projetar esses materiais requer entender exatamente como eles se degradam. Mas observar esse processo em nível microscópico com detalhes suficientes para capturar as informações necessárias tem sido um desafio, forçando os engenheiros a confiar em observações feitas antes e depois dos testes para desenvolver modelos computacionais.
Na Fonte de Luz Avançada (ALS) do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), os pesquisadores encontraram uma maneira de observar a ablação em tempo real. Eles usaram um ambiente de amostra em um instrumento de tomografia de raios X que controla independentemente a temperatura, a pressão e a mistura de gases para recriar condições de reentrada realistas e em evolução. As descobertas de um estudo recente realizado em parte no ALS oferecem imagens 3D detalhadas e com lapso de tempo desse processo, melhorando a forma como os engenheiros modelam e projetam sistemas de proteção térmica para missões espaciais, incluindo as recentes missões Artemis da NASA. A pesquisa foi publicada na revista npj Materials Degradation.
"Observar diretamente como os materiais do escudo térmico se degradam durante o aquecimento com esta técnica tem sido transformador para a pesquisa de entrada atmosférica, uma vez que nos dá insights únicos e nos ajuda a visualizar as mudanças estruturais internas que impulsionam a ablação à medida que ocorre", disse Vishnu Oruganti, que era pós-doutorado na Universidade de Illinois Urbana-Champaign na época do estudo e agora é pesquisador no Johnson Space Center da NASA em Houston. "Quase todos os principais materiais de escudo térmico ablativo da NASA foram estudados com esta técnica na Advanced Light Source, incluindo aqueles relevantes para as missões Artemis e de entrada em Marte."
Como parte de uma colaboração de longo prazo com a ALS, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e da NASA usou microtomografia computadorizada de raios X in situ, conhecida como micro-CT, para examinar o interior de uma classe de materiais de proteção térmica chamados abladores superleves, o mesmo tipo usado nas conchas traseiras das espaçonaves da NASA. A equipe levou a técnica mais longe do que nunca, aquecendo as amostras a 1.652 graus Fahrenheit (900 graus Celsius), o limite superior da faixa de temperatura em que os materiais começam a se decompor, e criando imagens deles na escala micrométrica em vários pontos de tempo.
Os pesquisadores estudaram dois abladores comerciais, SLA-220 e SLA-561V, que são usados em diferentes partes das conchas traseiras de espaçonaves e têm composições diferentes. Por meio de micro-CT, eles rastrearam como o aquecimento em alta temperatura semelhante à reentrada atmosférica afeta a decomposição química multifásica e a porosidade em tempo real.
Essas medições fornecem dados para o desenvolvimento e validação de modelos preditivos, reduzindo a incerteza no desempenho do escudo térmico, melhorando o planejamento da missão e, em última análise, ajudando a garantir a segurança e a confiabilidade de futuras missões de exploração tripuladas.
"Podemos realizar imagens 3D de amostras sob diferentes condições extremas, como calor, frio, pressão e tensão, e podemos observar a evolução da estrutura interna dos materiais e dar uma visão profunda da estrutura interna com grande detalhe à medida que suas propriedades mudam sob essas condições", disse a cientista da ALS, Liz Clark. "Esta colaboração tem sido uma aplicação perfeita desta técnica. Após a primeira missão Artemis, onde os escudos térmicos não funcionaram como a NASA esperava dos métodos computacionais, eles usaram o ALS para examinar os materiais destes escudos para compreender melhor como a estrutura interna evolui ao longo do tempo."
Para observar a evolução dos abladores, os cientistas tiveram que equilibrar um compromisso experimental entre a recolha rápida de imagens de áreas grandes e representativas em resolução mais baixa e a captura de detalhes estruturais em alta resolução. Para capturar grandes áreas de amostra rapidamente e, ao mesmo tempo, preservar detalhes microscópicos finos, os pesquisadores implantaram um método de super-resolução baseado em IA, impulsionado por redes adversárias generativas.
O fluxo de amplo espectro de alta intensidade da fonte de luz permitiu à equipe capturar rapidamente varreduras de grande volume e baixa resolução em intervalos curtos para rastrear mudanças estruturais rápidas. Enquanto isso, a mudança para um feixe de comprimento de onda único permitiu capturar instantâneos nítidos e de alta resolução das amostras estáticas antes e depois do aquecimento.
Ao treinar a IA nessas imagens de antes e depois, eles foram capazes de aprimorar toda a sequência de imagens em tempo real coletadas durante o experimento, produzindo um registro completo em alta resolução de como cada material mudou ao longo do processo de aquecimento.
A imagem aprimorada por IA revelou uma diferença marcante entre os dois materiais de proteção térmica. O SLA-561V contém cortiça – o mesmo material natural utilizado nas rolhas de garrafas de vinho – como enchimento estrutural. Quando aquecida, a cortiça decompõe-se quimicamente e desaparece, deixando bolsas abertas e vazias distribuídas por todo o material. SLA-220 não contém tal carga orgânica; em vez disso, sua matriz de silicone semelhante a borracha responde ao calor formando uma rede densa e ramificada de canais interconectados.
Estas não são apenas diferenças visuais. Bolsões abertos e isolados se comportam de maneira diferente de uma rede de canais interconectados quando o calor e o gás se movem através de um material sob condições de reentrada, e essas diferenças afetam o desempenho de cada material como escudo térmico.
“Este é um ótimo exemplo de como anos de trabalho conjunto para personalizar a técnica de imagem e integrar a IA estão nos ajudando a gerar dados de alta qualidade e a facilitar a análise, levando a insights científicos mais detalhados em uma fração do tempo”, disse Clark.
As descobertas dão aos engenheiros algo que eles não tinham antes: medições diretas de como os materiais do escudo térmico mudam em nível microscópico sob as condições térmicas de reentrada atmosférica. As medições reforçam estudos observacionais anteriores, melhoram o desenvolvimento de modelos e ajudam as missões a regressar a casa em segurança.
Collin W. Foster et al, Microestrutura super-resolvida de abladores superleves pirolisantes, npj Materials Degradation (2025). DOI: 10.1038/s41529-025-00556-z
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