NASA testează noi materiale rezistente la foc pentru misiuni pe Marte

Cercetătorii de la NASA au publicat recent rezultate critice privind testarea inflamabilității pentru materialele textile de tip chingi (webbings) disponibile comercial, care îndeplinesc standardele stricte de siguranță pentru utilizarea în medii cu concentrații ridicate de oxigen. Aceste medii sunt anticipate pentru viitoarele misiuni de explorare spațială cu echipaj uman, unde condițiile atmosferice din interiorul modulelor de locuit și al costumelor spațiale vor fi diferite de cele de pe Pământ.

Studiul, coordonat de Meagan Chappell și publicat sub egida NASA Engineering and Safety Center (NESC), subliniază importanța dezvoltării unor materiale care să nu întrețină arderea în atmosfere îmbogățite cu oxigen. În mod specific, testele s-au concentrat pe o chingă compusă dintr-un amestec de 60% Kevlar® și 40% polibenzimidazol (PBI), produsă de Sturges Manufacturing Company, Inc. Rezultatele indică faptul că varianta naturală a acestui material a trecut cu succes testele de inflamabilitate conform standardului NASA-STD-6001B.

Contextul misiunilor către Lună și Marte

Pentru viitoarele misiuni pe Lună și Marte, NASA plănuiește implementarea unei „atmosfere de explorare” specifice. Aceasta presupune un mediu cu o presiune totală mai scăzută, dar cu o concentrație de oxigen mai mare (aproximativ 37% oxigen la o presiune de 8,2 psia). Această strategie este esențială pentru a reduce timpul de „pre-respirație” (prebreathe) necesar astronauților înainte de a ieși în afara vehiculului spațial pentru activități extravehiculare (EVA).

În prezent, pe Stația Spațială Internațională (ISS), atmosfera este similară cu cea terestră, însă trecerea la presiunea scăzută din costumele spațiale necesită perioade lungi de denitrogenare pentru a preveni boala de decompresie. Prin menținerea unei atmosfere de 37% oxigen în habitat, acest risc este diminuat, iar eficiența operațională crește. Totuși, un mediu îmbogățit cu oxigen crește exponențial riscul de incendiu, deoarece materiale care sunt considerate ignifuge în aerul normal pot arde violent în aceste condiții.

Provocările materialelor textile tradiționale

Chingile și benzile țesute înguste sunt componente fundamentale în ingineria spațială. Ele sunt utilizate pentru o varietate de aplicații „softgoods”, cum ar fi ajutoarele pentru mobilitatea echipajului (mânere de susținere), plasele de reținere a încărcăturii și mânerele genților de depozitare. În mod tradițional, aceste componente sunt fabricate din nailon sau meta-aramide (precum Nomex).

Problema identificată de inginerii NASA este că aceste materiale standard nu mai îndeplinesc cerințele de siguranță împotriva incendiilor atunci când concentrația de oxigen depășește pragul atmosferic obișnuit. Nailonul, de exemplu, se topește și arde rapid în prezența oxigenului suplimentar. Din acest motiv, NESC, în colaborare cu Mars Campaign Office și Johnson Space Center, a demarat o strategie de evaluare a materialelor comerciale (COTS - commercial-off-the-shelf) care au potențialul de a servi drept blocuri de construcție pentru hardware-ul de zbor.

Metodologia de testare NASA-STD-6001B

Testarea a fost efectuată la White Sands Test Facility (WSTF) din New Mexico. Procedura principală utilizată a fost „Testul 1” din standardul NASA-STD-6001B, care determină inflamabilitatea materialelor prin aplicarea unei flăcări directe. Configurația utilizată a fost una de tip „J” neecranată, unde flacăra este aplicată pe suprafața frontală a materialului, incluzând marginea laterală liberă, dar fără a expune direct marginea tăiată a țesăturii.

Scopul a fost determinarea Concentrației Maxime de Oxigen (MOC - Maximum Oxygen Concentration) la care materialul nu arde pe o distanță mai mare de 6 inci (aprox. 15 cm) și nu produce resturi aprinse care să cadă. Pentru ca un material să fie considerat conform, cel puțin cinci mostre trebuie să treacă testul la o presiune fixă de 8,2 psia. Pe lângă testele de ardere, varianta naturală a materialului a fost supusă și testelor de degajare de gaze (offgassing), pentru a se asigura că nu elimină compuși toxici în atmosfera închisă a unei nave spațiale.

Rezultate și specificații tehnice

Rezultatele au arătat diferențe subtile, dar importante, între variantele de culoare ale aceluiași material. Chingile din amestec de Kevlar și PBI de la Sturges Manufacturing au prezentat următoarele performanțe:

1. Chinga de culoare naturală (aurie): A atins un MOC de 37% oxigen la 8,2 psia. Aceasta a trecut și testele de degajare de gaze, fiind considerată cea mai sigură opțiune pentru aplicațiile interne.
2. Chinga de culoare neagră: A prezentat un MOC ușor mai scăzut, de 35% oxigen. Această diferență sugerează că pigmenții sau procesele de vopsire pot influența proprietățile termice ale fibrelor sintetice.

Aceste chingi sunt disponibile în lățimi variind de la 0,25 la 8 inci, oferind o flexibilitate mare pentru designeri. Totuși, NASA avertizează că aceste rezultate sunt punctuale. Orice variație a produsului final — cum ar fi densitatea țesăturii, tratamentele chimice aplicate ulterior, adăugarea de sisteme de prindere tip „arici” (hook and loop) sau uzura fizică — poate modifica drastic comportamentul la foc. Prin urmare, produsul final, în configurația sa completă de zbor, trebuie testat separat.

Importanța amestecului Kevlar/PBI

Alegerea amestecului de 60% Kevlar și 40% PBI nu este întâmplătoare. Kevlarul oferă rezistență mecanică excepțională și stabilitate structurală la temperaturi înalte, în timp ce PBI (polybenzimidazole) este una dintre cele mai rezistente fibre organice la foc disponibile pe piață, care nu se topește și nu picură. Combinația celor două creează un material care își păstrează integritatea chiar și sub stres termic extrem, o condiție sine qua non pentru siguranța vieții în spațiu.

Aceste descoperiri reprezintă un pas înainte esențial pentru arhitectura misiunilor Artemis și, ulterior, pentru explorarea planetei Marte. Ele oferă inginerilor o bază de date solidă pentru selectarea materialelor „softgoods”, asigurând că mediul în care vor trăi astronauții este cât mai sigur posibil în fața riscului de incendiu.