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Materiais Flexíveis para o Espaço: como a inovação em compósitos resulta em peças mais leves e com menor volume

04 maio 2021

Artigo de Nuno Correia, diretor da área de Materiais e Estruturas Compósitas, e Pedro Fernandes, investigador do INEGI.


O peso dos materiais é um dos fatores mais determinantes no desenvolvimento de componentes para o Espaço. Quanto mais leve for a estrutura dos veículos espaciais, menor é o custo de construção e lançamento, e mais carga útil – equipamentos, instrumentos científicos, ou tripulação - poderá carregar para o espaço.

No entanto, paralelamente ao peso, existe outro fator que afeta igualmente o tamanho do veículo e, por conseguinte, o custo do combustível necessário para a missão. Falamos do volume.

É precisamente para responder a este desafio – criar componentes com menor volume, mas igual desempenho - que as atividades de engenharia para aplicações espaciais se têm focado no transporte compacto de estruturas que que são abertas em operação.

Tratam-se de estruturas flexíveis, articuladas e deployable, projetadas para serem armazenadas e lançadas na sua forma compacta e para poderem ser abertas no espaço, com mecanismos e motores ou, mais recentemente, usando a energia de deformação acumulada durante o processo de retração (por exemplo, uma mola que é comprimida antes do lançamento para mais tarde ser libertada).

Apesar de sua simplicidade, estas estruturas elásticas e articuladas têm grande potencial para substituir mecanismos tradicionais. Com um peso e volume inferior, cumprem a mesma função de permitir movimentos com alta repetibilidade e precisão1, sem recurso a motores ou atuadores para criar o movimento.

Em geral, estas soluções formam uma subclasse de mecanismos a que nos referimos como elastic hinges. Podemos também dizer que, por sua vez, estas fazem parte de uma classe emergente de máquinas / mecanismos flexíveis (compliant mechanisms).

Tecnologia ainda está em desenvolvimento mas pode vir a ser transferida para o setor automóvel ou naval

A problemática do volume é não só um desafio do setor do Espaço, mas também para os setores automóvel e naval, onde o peso é igualmente uma prioridade, ainda que relacionada com o impacto ambiental destes meios de transporte. Existem hoje inúmeras tecnologias derivadas da exploração espacial, usadas nos mais variados setores, e as estruturas elásticas e articuladas têm potencial para se juntar a esta lista.

Para isto se tornar realidade, no entanto, temos de estar à altura dos desafios ainda associados a esta tecnologia.

O conceito de elastic hinges em materiais compósitos foi pela primeira vez implementado no espaço em 2018, na antena da sonda MARSIS - Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding (radar avançado para sondagem de superfície e ionosfera de Marte). Nesta missão, que levou à descoberta de água em estado líquido em Marte, as articulações elásticas tiveram um papel importante, mas também revelaram problemas de implementação.

Apesar deste conceito ter sido submetido a um extenso processo de qualificação para lançamento, que incluiu ensaios numéricos e experimentais, o longo período de armazenamento provocou uma falha na sequência de abertura das antenas que quase comprometeu a missão. Problemas que conduziram a uma investigação mais focada na caracterização e modelação numérica dos mecanismos de implantação 1.

Estão a nascer no INEGI novos modelos numéricos para melhorar performance da tecnologia

Estudos revelaram que o ambiente térmico e o envelhecimento afetaram severamente as propriedades da solução, diminuindo a resistência, e reduzindo a energia de deformação acumulada. Fatores inicialmente não considerado no desenvolvimento da sonda MARSIS 1.

Compreender e prever estes fatores e o seu efeito nos materiais, torna-se assim essencial para a futura implementação da tecnologia. Um desafio a que o INEGI, no âmbito do seu trabalho com a Agência Espacial Europeia, tem vindo a procurar responder.

O protótipo de um braço, uma espécie dobradiça "elástica”, desenvolvido no âmbito do projeto COMETH é um exemplo deste trabalho. Além da criação do protótipo, tivemos como objetivo validar os modelos numéricos que suportam a sua aplicação.

Para a produção das amostras e da estrutura, foi utilizado um pré-impregnado de fibra de carbono com uma matriz epoxídica de elevado desempenho, produzido em hand lay-up em autoclave. Posteriormente, foram realizados ensaios de tração, de compressão, de corte, de densidade, de volume de fibra aos espécimes, de acordo com as normas aplicáveis, para determinar as propriedades elásticas e de resistência do sistema compósito1.

Os modelos de elementos finitos utilizados nesta investigação foram implementados no software ABAQUS® e validados através da correlação com dados de ensaios experimentais. No processo de validação foi comparada a sequência de abertura prevista pelas simulações numéricas com um registo visual de ensaios experimentais obtidos com uma câmara de alta velocidade. Os resultados obtidos permitiram validar o modelo e prever a sequência de abertura de uma articulação sujeita a um armazenamento de até 2 anos1.

Com base nos resultados obtidos, foi possível projetar uma estrutura deployable em material compósito, ultraleve e de baixo custo, desenvolvida pelo INEGI. Uma conquista relevante quando consideramos que cada quilograma pode representar um custo de 20.000 €2 em combustível durante o lançamento. Abre também caminho a outros usos futuros, noutros sectores, tais como o automóvel, naval e construção3.


Referências

[1] Fernandes, P., Sousa, B., Marques, R., Tavares, J. M. R., Marques, A. T., Natal, J.R.M., Pinto, R., Correia, N. (2020). Influence of relaxation on the deployment behaviour of a CFRP composite elastic–hinge. Composite Structures, 113217.

[2] Naser, M. Z., & Chehab, A. I. (2018). Materials and design concepts for space-resilient structures. Progress in Aerospace Sciences, 98, 74-90.

[3] Lebée, A. (2015). From folds to structures, a review. International journal of space structures30(2), 55-74.