Ingegneria Energetica

Fattori di degrado: ossigeno atomico

L’ossidazione non riguarda tutti i dispositivi inviati nello spazio, ma interessa unicamente i dispositivi “stazionanti” nella “low Earth orbit” (chiamata LEO), ovvero l’orbita più vicina alla Terra. Per LEO si intende l’orbita circolare nello spazio intorno alla terra che va dai 500 ai 2000 km circa dalla Terra stessa.

L’ossigeno atomico, in LEO, è formato dalla foto-dissociazione dell’ossigeno biatomico residuo che è esposto alla radiazione ultravioletta del sole di lunghezze d’onda inferiori a 243 nm, in un ambiente in cui la densità atmosferica è troppo bassa per competere con i processi di ricombinazione che formano ozono, ossigeno biatomico o ossidi di azoto.

Il risultato è che l’ossigeno in forma atomica è l’elemento più presente nell’ambiente LEO.

L’ossigeno atomico presente nel LEO è una forma di ossigeno altamente reattiva che possiede anche energia sufficiente per rompere i legami chimici.

Di conseguenza, si ritiene che abbia una probabilità di circa il 14% per reagire all’impatto iniziale con materiali come ad esempio materiali aventi il carbonio (si osserva che il carbonio in forma di cristallo singolo non erode a causa dell’ossigeno in forma atomica).

Vengono ampiamente utilizzati polimeri quali il Kapton per rivestire le strumentazioni per le sue buone proprietà di isolante.

L’ossidazione non va ad interessare direttamente le celle solari ma interessa, appunto, i polimeri utilizzati per proteggere i circuiti elettrici dei dispositivi spaziali.

La quantità di erosione dei polimeri è uguale al prodotto della resa di erosione (coefficiente di erosione) del polimero e del flusso atomico dell’ossigeno.

La resa di erosione indica il numero di centimetri cubi di polimero che vengono erosi in seguito all’incidenza di un atomo di ossigeno (cm3/atom) mentre il flusso atomico è il numero di atomi incidenti in un’area di un centimetro quadro (atomi/cm2).

Immagini al microscopio elettronico a scansione di grafite pirolitica, poliimmide Kapton e Teflon

Ridurre i danni da corrosione

La velocità di erosione dei polimeri come la poliimmide Kapton è estremamente alta, questo comporta la necessità di utilizzo di rivestimenti coprenti resistenti all’ossigeno atomico, per prevenire o ridurre il tasso di attacco dei polimeri sottostanti.

Tali rivestimenti sono tipicamente costituiti da ossido di metallo o film sottili di metallo che sono resistenti all’ossigeno atomico ed impediscono quindi all’ossigeno atomico di raggiungere il sottostante polimero.

La durata di tali rivestimenti è fortemente legata alla densità e alla dimensione e alla presenza di impurità (come ad esempio graffi) nel rivestimento protettivo stesso.

Eventuali agenti contaminanti dei rivestimenti superficiali insieme a microscopici solchi, graffi e crepe causa l’incompleta copertura superficiale del polimero che comporta l’attacco atomico del polimero stesso.

L’ossigeno atomico erode i polimeri esposti nelle piccole cavità in prossimità del difetto dello strato superficiale, causando il cedimento graduale strutturale del polimero.

L’evidenza sperimentale ha mostrato il formarsi di “piccole sacche” di ossigeno all’interno del rivestimento protettivo che erodeva il polimero sottostante.

sacche di ossigeno atomico dovute alle crepe del Kapton rivestito di alluminio recuperato dal Long Duration Exposure Facility

Un esempio può essere mostrato dalla figura 31 dove i difetti nel rivestimento di alluminio vaporizzato sulla superficie del Kapton sottostante, che copriva il un blocco di celle solari, ha intrappolato l’ossigeno nello strato tra il rivestimento ed il polimero, ossidando così il rivestimento stesso di Kapton.

Come si osserva, il rivestimento di alluminio si è quasi totalmente staccato dalla zona che doveva proteggere, a causa della vera e propria “scomparsa” della zona di contatto tra rivestimento e polimero.

solar array blanket box della Stazione Spaziale Internazionale dopo un anno in LEO che mostra solo la presenza del rivestimento di alluminio depositato sottovuoto in seguito alla totale ossidazione del Kapton sottostante

Per evitare questo fenomeno di “cattura” degli atomi di ossigeno (ovvero di atomi insinuati nel rivestimento che non riescono a “scappare”) si è previsto l’utilizzo di un rivestimento completo del polimero e non solo della parte “a contatto” con lo spazio.

Fonti:

  • Bruce A. Banks, Kim K. de Groh, and Sharon K. Miller, Glenn Research Center, Cleveland, Ohio “Low Earth Orbital Atomic Oxygen Interactions With Spacecraft Materials” November 29–December 3, 2004
  • Miria M. Finckenor, Dr. John Carr, Michael SanSoucie, Darren Boyd,” Simulated Space Environmental Effects on Thin Film Solar Array Components”
  • https://ntrs.nasa.gov
Umberto Paloni
Laureato in Ingegneria Energetica presso l'Università di Roma Tor Vergata. Appassionato di sport e di musica. Sin da piccolo interessato all'energia e agli scambi energetici in tutte le sue forme, affascinato dall'energia solare e dalle tipologie di strumenti in grado di sfruttarla e convertirla.

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