Echtzeit-Tomografie offenbart Hitzschild-Abbrand unter Hitze

Forschende des Lawrence Berkeley National Laboratory, der Universität Illinois Urbana-Champaign und der NASA haben erstmals das Echtzeit-Verhalten von Hitzeschildmaterialien unter extremen Wiedereintrittsbedingungen im Mikrometerbereich dokumentiert. Die Untersuchung am Advanced Light Source der US-Energieministerie eliminiert bisherige Unsicherheiten bei der Simulation von Abationsprozessen und liefert direkte dreidimensionale Einblicke in die Materialdegradation während des hypersonischen atmosphärischen Wiedereintritts. Bei der Rückkehr in die Erdatmosphäre werden Hitzeschildtemperaturen von über 1.650 Grad Celsius erreicht. Um Besatzung und Nutzlast zu schützen, unterliegen diese Schilde kontrolliertem Abbau, einer als Ablation bekannten Prozedur. Bislang konnten Ingenieurinnen und Ingenieure diesen Vorgang nur vor und nach Tests beobachten, was komplexe computergestützte Modelle notwendig machte. Um dieses Problem zu lösen, implementierte das Forschungsteam ein In-situ-Röntgen-Mikro-Computertomographieverfahren am Advanced Light Source. Eine speziell entwickelte Probenumgebung erlaubt die unabhängige Steuerung von Temperatur, Druck und Gaszusammensetzung, um realistische Wiedereintrittsszenarien präzise nachzubilden. Die Proben wurden auf bis zu 900 Grad Celsius erhitzt, während die Mikrostruktur in mehreren Zeitstufen aufgezeichnet wurde. Um den Zielkonflikt zwischen schneller Erfassung großer Probenvolumina und hoher räumlicher Auflösung zu überwinden, setzten die Wissenschaftler auf KI-basierte Super-Resolutionsverfahren generativer adversarieller Netzwerke. Durch Training mit Vorher-Nachher-Aufnahmen wurden Echtzeit-Scans hochaufgelöst interpoliert. Dies offenbarte signifikante strukturelle Unterschiede zwischen den untersuchten kommerziellen Ablatormaterialien SLA-220 und SLA-561V. Das Material SLA-561V enthält Naturkork als Füllstoff, der bei Hitzeeinwirkung chemisch zerfällt und isolierte Hohlräume hinterlässt. SLA-220 hingegen bildet durch seine silikonbasierte Matrix ein dichtes, verzweigtes Kanalnetzwerk aus. Da diese Mikrostrukturen das Verhalten von Wärme- und Gasströmen unter Wiedereintrittsbedingungen direkt bestimmen, beeinflussen sie die Schutzleistung entscheidend. Die Erkenntnisse fließen direkt in die Validierung und Optimierung prädiktiver Modelle für thermische Schutzsysteme ein. Besonders relevant ist dies für die Artemis-Programme, nachdem Hitzeschilder des ersten Testflugs von Orion nicht vollständig den computergestützten Erwartungen entsprachen. Die am Advanced Light Source gewonnenen Daten ermöglichten eine gezielte Nachanalyse und verbesserten das Verständnis der inneren Strukturevolution über die Zeit. Vishnu Oruganti vom NASA Johnson Space Center und die ALS-Wissenschaftlerin Liz Clark betonen, dass die Kombination aus angepasster Bildgebungstechnik und künstlicher Intelligenz wissenschaftliche Erkenntnisse in einem Bruchteil der bisherigen Zeit generiert. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal npj Materials Degradation veröffentlicht und erweitern das Fundament für die Planung zukünftiger bemannter Raumfahrtmissionen sowie Landeoperationen auf dem Mars. Durch die direkte Abbildung der Abationsdynamik können Ingenieurteams die Zuverlässigkeit von Hitzeschildern signifikant steigern und damit die Sicherheit künftiger Tiefraummissionen nachhaltig erhöhen.