Dalla fantascienza alla realtà: strutture spaziali autoriparanti grazie a questo materiale composito

L'Agenzia Spaziale Europea sta studiando nuovi materiali compositi in grado di rilevare e riparare autonomamente i danni strutturali nei veicoli spaziali. Il progetto si chiama Cassandra (Composite Autonomous SenSing AnD RepAir) e nasce dalla collaborazione tra le aziende svizzere CompPair e CSEM e la società belga Com&Sens.

L'iniziativa rientra nel programma FIRST! – Future Innovation Research in Space Transportation, dedicato allo sviluppo di tecnologie innovative che possano migliorare l'infrastruttura europea per il trasporto spaziale.

Nelle strutture dei veicoli spaziali si utilizzano sempre più spesso polimeri rinforzati con fibra di carbonio, materiali compositi che uniscono peso contenuto, elevata resistenza meccanica e protezione dalla corrosione. Nonostante questi vantaggi, tali materiali restano sensibili ai danni: anche piccole crepe possono estendersi nel tempo, soprattutto nei sistemi riutilizzabili che affrontano numerosi cicli di lancio e rientro.

Per affrontare questo problema CompPair ha sviluppato HealTech, un materiale composito progettato per autoriparare i danni iniziali provocati da impatti o stress meccanici. All'interno della matrice polimerica è presente un agente di riparazione che, quando viene attivato dal calore, rifluisce nella zona danneggiata e contribuisce a ripristinare la continuità della struttura.

Il prototipo sviluppato nel progetto Cassandra combina diverse tecnologie in un'unica struttura. Nei compositi HealTech è stata integrata una rete di sensori in fibra ottica, progettata per individuare con precisione eventuali danni strutturali. Quando i sensori rilevano una crepa o una deformazione anomala, entra in funzione un sistema di riscaldamento basato su griglie di alluminio stampate in 3D.

Questo sistema porta il materiale a temperature comprese tra 100°C e 140°C, intervallo necessario per attivare l'agente di riparazione presente nella matrice polimerica. In queste condizioni il materiale può rifluire e contribuire alla chiusura delle microfratture generate durante l'utilizzo.

Durante la fase iniziale del progetto i ricercatori hanno realizzato diversi campioni del materiale, con dimensioni comprese tra 2×10 centimetri e 40×40 centimetri. I test hanno valutato la capacità dei sensori di monitorare l'integrità strutturale, l'efficacia del sistema di riscaldamento e il comportamento del materiale durante il processo di autoriparazione.

Le prove includono anche test di shock termico, utili per simulare le condizioni operative tipiche dei serbatoi criogenici utilizzati per lo stoccaggio del propellente nei lanciatori spaziali.

La fase successiva del progetto prevede l'adattamento della tecnologia a componenti molto più grandi. L'obiettivo consiste nella realizzazione di strutture complete come serbatoi criogenici per carburante, un elemento critico per i veicoli di lancio.

Secondo i ricercatori coinvolti, i compositi HealTech dimostrano un'elevata resistenza alle microfratture e la capacità di monitorare autonomamente il proprio stato di salute strutturale. L'applicazione di questa tecnologia potrebbe contribuire allo sviluppo di veicoli spaziali più leggeri, più semplici da mantenere e progettati per essere riutilizzati più volte, con una conseguente riduzione dei costi operativi delle missioni spaziali europee.