Quando si pensa ai materiali coinvolti nelle missioni spaziali è legittimo immaginare materiali di ultima generazione e incredibilmente sofisticati. Questo spiega l’utilizzo di particolari leghe, ceramiche e compositi impiegati per soddisfare i requisiti termici e strutturali di ciascun sotto-sistema. Il denominatore comune per ogni materiale è la ricerca dell’ottimale rapporto costo-prestazione. Abbattimento dei costi e massimizzazione della performance rimangono gli obiettivi principali delle fasi di progettazione. Anche in un campo all’avanguardia come quello dell’esplorazione spaziale, è possibile trovare casi in cui la semplicità del materiale si adatti alle caratteristiche necessarie di uno specifico sotto-sistema e rappresenti la scelta primaria per gli ingegneri. E’ proprio il caso del sughero, che grazie alle sue particolari proprietà rappresenta uno dei materiali utilizzati da sempre nel campo delle protezioni termiche per l’esplorazione spaziale.
Lanciatori, satelliti e capsule di rientro richiedono prestazioni estremizzate per sopravvivere all’ambiente spaziale e alle fasi critiche di una missione. Una domanda sorge dunque spontanea: come mai un materiale semplice come il sughero rappresenta una scelta molto efficace per le protezioni termiche? Andiamo a scoprirlo!
Il sughero viene prelevato dal rivestimento della quercia da sughero. Infatti, rappresenta il suo tessuto vegetale e funge da epidermide rivestendo fusto e radici. La sua facile reperibilità costituisce uno dei primi valori aggiunti. Grazie alla sua struttura alveolare viene definito “schiuma naturale”. La sua struttura e la sua geometria lo rendono un materiale particolarmente adatto alle applicazioni spaziali. Effetivamente, è formato da una configurazione a nido d’ape generata da molteplici celle microscopiche riempite di aria e circondate da suberina e lignina: per un centimetro cubo di materiale si trovano quaranta milioni di celle.
Grazie alle sue caratteristiche strutturali è un materiale molto leggero, impermeabile, a tenuta d’aria, resistente ad acidi/oli e non degrada nel tempo. La leggerezza del materiale è particolarmente apprezzata in un progetto per l’esplorazione spaziale in quanto ogni kilogrammo aggiunto o tolto dalla struttura complessiva può cambiare in modo decisivo il design. Questo perché nei veicoli spaziali è importante cercare di ridurre il peso in modo tale da vincere la gravità terrestre e raggiungere lo spazio.
I professionisti raccolgono il sughero prelevando la corteccia in modo sostenibile. L’albero ha la capacità di creare nuovamente questo strato di epidermide vegetale, pertanto i tecnici specializzati adottano procedure per evitare danneggiamenti durante l’estrazione. Una volta cresciuto il nuovo strato, questo può essere nuovamente estratto seguendo le procedure citate. Durante la vita di una quercia, che dura in media duecento anni, il processo di prelievo avviene circa diciassette volte. Questo fa di esso non solo un materiale completamente naturale, ma anche rinnovabile e riciclabile.
Il compito del sughero è quello di isolare termicamente la parte su cui viene applicato. Il suo utilizzo deriva dalle sue interessanti proprietà termico-strutturali. Infatti, ha una conduttività termica di 0,07 W/(m·K), un calore specifico di 2500 J/(Kg·K) e una densità di 320 Kg/m3. Questi valori lo rendono adatto alle applicazioni spaziali dato il suo peso specifico competitivo e le sue proprietà di resistenza termica. Il controllo termico è uno dei punti salienti della progettazione di un sistema che deve sopravvivere in condizioni estreme. Inoltre, la riduzione dello stress termico è fondamentale per evitare danni anche fatali.
Una bassa conduttività come quella del sughero indica una bassa attitudine da parte del materiale di trasferire calore per conduzione. Il calore specifico indica invece la quantità di calore necessaria ad innalzare di una fissata temperatura una certa quantità di sostanza. Nel caso in analisi questo valore è piuttosto alto. Queste sono caratteristiche essenziali alla base dell’isolamento termico. Inoltre, per migliorare le prestazioni strutturali, può essere integrato con polimeri sintetici.
Per ragioni di chiarezza è utile riportare e comparare le specfiche tecniche di un materiale noto a tutti che ha però una natura differente. Stiamo parlando dell’alluminio che presenta una conduttività termica di 237 W/(m·K), un calore specifico di 896,9 J/(kg·K) e una densità di 2700 Kg/m3. Questo metallo ha dunque un peso specifico comprensibilmente più alto (quasi nove volte superiore al sughero); le sue caratteristiche termiche (alta conduttività e basso calore specifico) lo rendono un materiale conduttore, all’opposto del sughero che è intrinsecamente isolante. Grazie alle sue proprietà termo-meccaniche, l’alluminio ha utilizzi ben diversi ed è impiegato nelle strutture per sopportare sforzi meccanici.
Nonostante le schiume polimeriche sintetiche abbiano prestazioni ancora migliori, il sughero ha sempre avuto un vasto utilizzo nel campo dei voli spaziali. Questo materiale inizia ad essere utilizzato dalla Nasa già negli anni 60 nelle navicelle Mercury, Gemini e nel lanciatore Saturn V, figura iconica del programma Apollo. Lo sviluppo delle tecnologie e dei materiali non ha tuttavia frenato il suo utilizzo e anche nei progetti Ariane e Titan è stato riconfermato solidamente. In tempi più recenti, conta applicazioni nel programma Shuttle, Vega, Falcon 9 e in diverse sonde.
In particolare, il sughero è stato applicato come rivestimento della gonna protettiva dei Solid Rocket Boosters (Boosters dello Space Shuttle), del boattail di SLS, dei piccoli lanciatori di Vector Launch, della sonda Schiapparelli. Durante il rientro in atmosfera, lo scudo termico di una capsula può sperimentare temperature nell’ordine delle migliaia di gradi Celsius. Per questo motivo la struttura deve essere ben isolata termicamente per evitare danni dovuti alle alte temperature. Questo materiale, in collaborazione con altri materiali specifici, può aiutare nell’isolamento e garantire il corretto controllo termico anche in una fase così critica.
Protezioni per fairings, frustrums, ugelli, serbatoi esterni e anelli possono essere garantite. Insomma, sono innumerevoli i casi in cui il sughero trova applicazione efficientemente nell’esplorazione spaziale. Tuttora, come in passato, rappresenta una delle scelte più interessanti che esistono sul mercato delle protezioni termiche in ambito spaziale.