Ε.Μ.Π ιάβρωση στο ιάστηµα

Transcript

1 Ε.Μ.Π ιάβρωση στο ιάστηµα Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Ναυπηγών Κουντράρος Κυριάκος

2 Η ύπαρξη διάβρωσης στο διάστηµα είναι ένα δύσκολα αποδεκτό γεγονός µιας και η δηµοφιλής άποψη ότι στο κενό του διαστήµατος δεν υπάρχει εξωτερική επίδραση υλικών κάνει την ύπαρξη διάβρωσης στο κενό ένα σχεδόν παράδοξο φαινόµενο. Στην πραγµατικότητα υφίστανται τρία στάδια στα οποία ένα οποιοδήποτε σκάφος µε χώρο δράσης το διάστηµα κινδυνεύει από την επίδραση διάβρωσης στα διάφορα µέρη του, όπως θα φανεί παρακάτω. Επίσης σηµαντικό ρόλο παίζει και η θέση λειτουργίας του σκάφους καθώς και το χρονικό όριο παραµονής σε αυτήν τη θέση, ενώ σηµασία έχει και ο χώρος από τον οποίο ξεκίνα την αποστολή του. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες καθιστούν ένα πολύπλοκο σύστηµα εκτίµησης των κινδύνων το οποίο µέσα από µελέτες αρµοδίων επιτροπών ελέγχεται και αντιµετωπίζεται η πιθανότητα διάβρωσης των σκαφών που ως περιβάλλον εργασίας έχουν το διάστηµα. Μια πρώτη προσέγγιση στο φαινόµενο είναι περισσότερο κατανοητή αν διασαφηνιστούν οι παραπάνω διαχωρισµοί. Ένας χρονικός διαχωρισµός της δράσης ενός σκάφους δίνει τρία στάδια: 1)Τον χρόνο παραµονής στην ατµόσφαιρα από την εκτόξευση του σκάφους µέχρι τον προορισµό του (Launching) 2)Τον χρόνο παραµονής του σκάφους στο διάστηµα 3)Την επανείσοδο του σκάφους στην Γη(reentry) Ακόµα το περιβάλλον εργασίας του σκάφους χωρίζεται σε: 1)Tροχιά κοντινή στην ατµόσφαιρα της Γης(Leo:Low Earth Orbit) 2)Tροχιά µη κοντινή στην ατµόσφαιρα της Γης 3)Περιβάλλον εργασίας κοντινό στην ατµόσφαιρα κάποιου άλλου πλανήτη Η κάθε µια από αυτές τις κατηγόριες εγκυµονεί διαφορετικούς κινδύνους για τα υλικά ενός σκάφους και για αυτόν τον λόγο θα εξεταστούν ξεχωριστά. Εντούτοις είναι απαραίτητη µια 'ξενάγηση' στα υλικά από τα οποία αποτελείται ένα σκάφος για την βαθύτερη κατανόηση αυτών των κινδύνων. Ένα λοιπόν σκάφος (σύµφωνα µε το µηχανολογικό τµήµα του JSC:Johnsοn Space Center,το οποίο είναι τοµέας ανήκων στην ΝΑSA) πρέπει να αποτελείται από τα εξής υλικά: 1)Kράµατα Αλουµινίου: Μερικά από αυτά σύµφωνα µε σειρά και κατεργασία είναι: 2)Xάλυβες (low alloy,high strenght,carbon)µε µεγαλύτερο όριο διαρροής από 180Ksi 3)Kράµατα τιτανίου 4)Μαγνήσιο(σε δοµές ελάχιστης πιθανότητας διαβρωτικού περιβάλλοντος) 5)Βηρύλλιο(ως στοιχείο κράµατωσης στο 4% του κράµατος) 6)Κάδµιο(σε θερµοκρασίες κάτω από 100 C) 7)Υπεκράµατα Νικελίου και Κοβαλτίου

3 Από αυτά τα τρία πρώτα καθώς και τα υπερκράµατα χρησιµοποιούνται σε δοµικά στοιχεία του σκάφους. Όσον αφορά τα µη µεταλλικά υλικά µερικά παραδείγµατα περιλαµβάνουν: 1)Eλαστοµερή (καουτσούκ) 2)Πολυβυνίλλια ενώ φυσικά χρησιµοποιούνται και σύνθετα υλικά. To καθένα από αυτά τα υλικά εκτίθεται σε διαφορετικό περιβάλλον και αντίστοιχα διατρέχει διαφορετικούς κινδύνους διάβρωσης. Τη µεγαλύτερη σηµασία όµως για την κατανόηση των µηχανισµών διάβρωσης έχουν οι δύο πρώτες κατηγορίες (περιβάλλον και χρόνος διαµονής σε αυτό) αφού αυτοί προµηθεύουν τις απαραίτητες συνθήκες για την διάβρωση των διαφόρων υλικών του σκάφους. Ας εξετάσουµε λοιπόν ξεχωριστά την καθεµία από αυτές τις κατηγορίες. Ξεκινώντας από την παραµονή του σκάφους στο γήινο περιβάλλον πριν την διαδικασία της εκτόξευσης χρειάζονται περίπου 31 ηµέρες πριν από την έναρξη της εκτόξευσης για τους τελικούς ελέγχους και την εγκατάσταση του πληρώµατος στο σκάφος κατά τις οποίες το ίδιο το σκάφος εκτίθεται σε συνεχή ζέστη υγρασία και ανέµου πλούσιου σε άλατα καθώς βρίσκεται µερικές εκατοντάδες µέτρα από τον Ατλαντικό ωκεανό. Αυτό είναι ένα άκρως διαβρωτικό περιβάλλον ειδικά για τα µεταλλικά στοιχεία του σκάφους το οποίο αντιµετωπίζεται µε καινούρια επικάλυψη βαφής. Αυτό το περιβάλλον ήδη δηµιουργεί τις πρώτες δυσµενείς συνθήκες(αποκάλυψη µεταλλικών στοιχείων σκάφους, καταστροφή βαφής). Ακολουθεί η εκτόξευση κατά την οποία η απελευθέρωση αερίων και οι κραδασµοί έχουν και αυτά επιβλαβείς επιδράσεις στα υλικά του σκάφους (µε τις οποίες θα ασχοληθούµε εκτενέστερα στην επανείσοδο του σκάφους στην ατµόσφαιρα καθώς τα δύο φαινόµενα έχουν παρόµοιους µηχανισµούς). Ακολουθεί η έξοδος του σκάφους από την ατµόσφαιρα µε ταχύτητα διαφυγής κατά τη οποία είναι εκτεθειµένο στην υγρασία των κατωτέρων στρωµάτων. Επίσης η σύγκρουση µε τα µόρια του ατµοσφαιρικού αέρα λόγω της µεγάλης ταχύτητας προκαλεί την οξείδωση των δοµικών υλικών του σκάφους αφού οδηγεί σε µερική καταστροφή του προστατευτικού επικαλύµµατος (µπογιάς). Εντούτοις πάρα την σύντοµη αναφορά στους παραπάνω παράγοντες ο αληθινός(διαβρωτικός) ρόλος του διαστήµατος ξεκινά σε αυτό ο σηµείο που ονοµάζουµε LEO (Low Earth Orbit) δηλαδή σε µια κοντινή απόσταση στην ατµόσφαιρα της Γης όπως αναφέρθηκε προηγουµένως. Σε απόσταση από την επιφάνεια της Γης ενώ δεν υπάρχει ατµόσφαιρα εντούτοις παρατηρείται παρουσία ατοµικού οξυγόνου (συµβολίζεται µε Ο) το οποίο προκύπτει από την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας σε µόρια οξυγόνου(ο 2 ) µε αποτέλεσµα τον ιονισµό τους και την διάσπασή τους σε µονατοµική µορφή. Το ατοµικό οξυγόνο αντιδρά µε οποιοδήποτε σχεδόν υλικό προκαλώντας την οξείδωση του µε αποτέλεσµα την σχεδόν βέβαιη διάβρωση των µετάλλων. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα της διάβρωσης από ατοµικό οξυγόνο είναι το πείραµα σε ελεγχόµενο περιβάλλον (κενό) που πραγµατοποιήθηκε στο

4 πανεπιστήµιο της Florida όσον αφορά την επίδραση Ο σε Νικέλιο(Νi). Oι συνθήκες περιλαµβάνουν 36ωρη θέρµανση του θαλάµου πειράµατος υπό κενό αφαίρεση τυχών καταλοίπων υδρογόνου(η) και εισροή µε κατάλληλη βαλβίδα µοριακού οξυγόνου και στη συνέχεια παρατήρηση της δηµιουργίας στρωµάτων οξείδωσης στην επιφάνεια του νικελίου ώστε να δηµιουργηθεί ένα διάγραµµα επίδρασης του Ο 2 πάνω στην επιφάνεια του νικελίου. Τα αποτελέσµατα οδήγησαν στο παρακάτω διάγραµµα: Η θερµοκρασία το πειράµατος είναι 300Κ, ο άξονας Χ παριστάνει την έκθεση του δοκιµίου (Νi 100) σε Langmuir όπου 1 Langmuir=10-6 Torr/sec δηλαδή µια περίπου ατοµική επιφάνεια Ο 2 που έρχεται σε επαφή µε το δοκίµιο ενώ ο άξονας Υ παριστάνει το ποσοστό απορρόφησης του οξυγόνου σε ατοµική κλίµακα από τα επιφανειακά άτοµα νικελίου (η κορυφή παριστάνει την 1-1 κατανοµή µορίων οξυγόνου νικελίου) η οποία όπως παρατηρούµε δεν προσεγγίζεται από την καµπύλη καθώς τα στρώµατα οξείδωσης που δηµιουργούνται αποτελούν µια επιπλέον προστασία όπως ήταν αναµενόµενο. Τώρα η επανάληψη του πειράµατος µε ατοµικό οξυγόνο δίνει την παρακάτω καµπύλη:

5 Όπως βλέπουµε η επίδραση του ατοµικού οξυγόνου σε µια πρώτη προσέγγιση είναι πολύ πιο έντονη στο δοκίµιο ενώ τώρα οι άξονες παριστάνουν ενέργεια διάσπασης και απορρόφηση η οποία φτάνει σε αυτήν την περίπτωση το 1-1 δηλαδή η διάβρωση του υλικού είναι άµεση. Τα δείγµατα πάρθηκαν σε 8 Langmuir που αν συγκριθούν µε την προηγούµενη καµπύλη δείχνουν πόσο δραστικό είναι το ατοµικό οξυγόνο. εδοµένου ότι τυπική ταχύτητα ενός σκάφους σε τροχιά µιλίων την ώρα τα ενεργά άτοµα του οξυγόνου βοµβαρδίζουν την επιφάνειά του µε περίπου 5eV κινητικής ενέργειας. Ιδιαίτερα επίσης επιβλαβής είναι η επίδραση του ατοµικού οξυγόνου στα πολυµερή. Ο δεύτερος µεγάλος κίνδυνος που προσφέρει το διαστηµικό περιβάλλον είναι αυτός των αιωρούµενων (συνήθως κινούµενων µε µεγάλη ταχύτητα) σωµάτων (µικροµετεωρίτες, σκόνη)τα οποία βοµβαρδίζουν το σκάφος (οι προαναφερθείσες ταχύτητες φτάνουν ακόµα και τα Κm την ώρα). Στην περίπτωση λοιπόν που δεν προκαλέσουν κάποια άµεση βλάβη στα δοµικά στοιχεία του σκάφους προκαλούν διάβρωση συνήθως µε βελονισµό (pitting corrosion), η οποία φυσικά είναι άµεσο αποτέλεσµα της επίδρασης του ατοµικού οξυγόνου στις επιφάνειες σύγκρουσης. ιαβρωτική επίσης επίδραση έχει και η υπεριώδης ακτινοβολία ειδικά σε πολυµερή όπως αυτό της παρακάτω φωτογραφίας:

6 H τελευταία φωτογραφία είναι του ίδιου πολυµερούς µετά από τρία χρόνια παραµονής σε Γεωσύγχρονη τροχιά. Όπως φαίνεται η ακτινοβολία έχει ολοκληρωτικά καταστρέψει το υλικό που είναι ακατάλληλο πλέον για χρήση. Αυτή η κατάσταση του υλικού οφείλεται σε χαµηλής ενέργειας-υψηλής συχνότητας βοµβαρδισµούς από ηλεκτρόνια. Μεγάλο ρόλο παίζει επίσης και η θερµοκρασιακή κατάσταση στο διάστηµα η οποία λόγω κενού δεν επιτρέπει την διάχυση της θερµότητας του σκάφους οπότε οποιαδήποτε υλικά ευαίσθητα στην θερµότητα είναι ακόµα και όταν δεν αποτελούν επιφάνεια επαφής σε δυσµενή θέση. Μια ακόµα µορφή διάβρωσης όπως είναι προφανές είναι η γαλβανική διάβρωση λόγω της συνεχής ακτινοβολίας που δέχονται τα δοµικά υλικά ενός σκάφους. Φυσικά η κόπωση των υλικών από την στιγµή της εκτόξευσης σε συνδυασµό µε την θερµοκρασία και όλους τους παραπάνω παράγοντες οδηγούν στο λεγόµενο stress corrosion cracking (αστοχία λόγω θραύσης από µηχανική καταπόνηση). Οι µεγαλύτερες εντούτοις θερµοκρασιακές λαµβάνουν τόπο κατά την επανείσοδο του σκάφους στην ατµόσφαιρα (reentry). To ινστιτούτο Max-Plank της Στουτγάρδης έκανε µια µελέτη πάνω στα σύνθετα υλικά επικάλυψης τα οποία αποτελούνται από SiC (Πυρίτιο-Άνθρακα) και χρησιµοποιούνται συχνά ως προστατευτικές επικαλύψεις ενός σκάφους. Η προστασία σε χαµηλή πίεσηθερµοκρασία από την αντίδραση µε το οξυγόνο οφείλεται φυσικά στην δηµιουργία ενος στρώµατος SiO 2 (οξείδιο του Πυριτίου).Αυτό το στρώµα µετά από πειράµατα σε ταχύτητες 333m/sec=Mach 1 και πίεση 1 Bar δίνουν ένα ρυθµό διάβρωσης περίπου 2mm/sec που σηµαίνει ότι όλο το στρώµα SiC θα εξαχνωθεί µε αποτέλεσµα την άµεση διάβρωση των εκτιθέµενων υλικών. Από αυτό το παράδειγµα διαπιστώνεται ότι σε ακραίες καταστάσεις ταχύτητας θερµοκρασίας η επίδραση των αερίων του LEO (Low earth orbit) έχουν άµεσο οξειδωτικό-διαβρωτικό χαρακτήρα µεγενθυµένο από τις συνθήκες (η πρόταση για την αντιµετώπιση του παραπάνω προβλήµατος είναι ένα σύνθετο SiC µε

7 σιλικόνη). Επίσης δεν πρέπει να παραληφθεί η ύπαρξη στο διάστηµα αερίων όπως το υδρογόνο και σε περίπτωση που το σκάφος εκτελεί κάποια αποστολή κοντινή σε πλανήτη η υπάρχουσα ατµόσφαιρα του εκάστοτε η οποία στην πληθώρα των περιπτώσεων έχει διαβρωτικό χαρακτήρα. Το φαινόµενο της διάβρωσης µε βελονισµό επαναλαµβάνεται συχνά στα εξωτερικά υλικά του σκάφους και προέρχεται από τοπικές συγκρούσεις µε σωµατίδια (καταστροφή επικάλυψης) και στη συνέχεια αντίδραση µε ατοµικό οξυγόνο. Στην διάβρωση πέφτει το βάρος της ευθύνης και για το τραγικό ατύχηµα του σκάφους Columbia του οποίου κατά την επανείσοδο στην ατµόσφαιρα έσπασε το αριστερό φτερό του καθώς ανακαλύφθηκαν µετά από έλεγχο µικρές εσοχές και εστίες διάβρωσης σε εκείνη την περιοχή. Συµφώνα επίσης µε την γνώµη του στρατηγού Barry(John Barry Air force General), υπάρχει πιθανότητα η διάβρωση να προήλθε από οξείδιο ψευδαργύρου που προήλθε από την µεγάλης χρονικής διάρκειας µπογιάς στον τόπο εκτόξευσης. Μια συνοπτική αναφορά από το Orbiter Corrosion Control Review Board της ΝASA για τα διάφορα µέρη του σκάφους που αντιµετώπισαν προβλήµατα καθώς και για τους τρόπους αντιµετώπισής τους ακολουθεί παρακάτω. Τυπικά προβλήµατα στα δοµικά υλικά των σκαφών: 1)Άκρες φτερών: Aποτελούνται από κράµατα αλουµινίου η υλικά sandwich µε βάση το αλουµίνιο.έχει παρατηρηθεί στην εσωτερική περιοχή του φτερού διάβρωση µε βελονισµό. Συνίσταται καθαρισµός µε GN2 Το Columbia στην εξέδρα εκτόξευσης µε σηµειωµένο το επίµαχο σηµείο του φτερού που οδήγησε στο ατύχηµα. 2)Σύστηµα πέδησης του σκάφους (Rudder Speed Brake). Στο µεταλλικό µέρος

8 της κατασκευής παρατηρείται διάβρωση µε βελονισµό. Για την αντιµετώπιση του φαινοµένου θεωρείται απαραίτητη η αποκάλυψη του καθαρού αλουµινίου κάθε 6 χρόνια και η βαφή του µε πολυουραιθάνη.

9 3)'Ασπιδες' προστασίας απο την θερµότητα: Το σύνηθες πρόβληµα σ'αυτό το σηµείο ήταν επιφανειακή διάβρωση που αντιµετωπιζόταν µε καθαρισµό µε ισοπροπυλική αλκοόλη. Τελευταία όµως παρουσιάστηκαν και φαινόµενα SCC(stress corrosion cracking), οπότε αντικαθίστανται και επιθεωρούνται ανά 4 πτήσεις. 4)Θύρες εξωτερικών δεξαµενών (External Tank Doors ET): Aποτελούνται από Βηρύλλιο το οποίο έρχεται σε επαφή µε Ιnconel 718. ιαβρωση από βελονισµό παρατηρείται στην επιφάνεια επαφής τους. Συνίσταται επικάλυψη µε Κοropon.

10 5) Bοηθητικές αντλίες του σκάφους. Αν και εσωτερικές εντούτοις αντιµετωπίζουν κίνδυνο διάβρωσης από εσωτερικού χώρου συνθήκες. Είναι προφανές λοιπόν από αυτήν την σύντοµη αναφορά ότι οι µεγαλύτερες αιτίες διάβρωσης στα εξωτερικά δοµικά υλικά του σκάφους είναι η σύγκρουση µε µικροσωµατίδια και η επίδραση του ατοµικού οξυγόνου σε αυτά τα υλικά. εν είναι λίγες οι λύσεις που προτείνονται για την αντιµετώπιση του αφιλόξενου περιβάλλοντος του διαστήµατος, κάνοντας την ερευνά σε αυτόν τον τοµέα µια από τι πιο 'ακριβές' ανθρώπινες απασχολήσεις αλλά σίγουρα προωθώντας ταυτόχρονα αρκετούς τοµείς µηχανολογικής έρευνας πράγµα που βρίσκει αρκετές εφαρµογές και εκτός 'κενού'. Πηγές: