Outgassing nello spazio: materiali e soluzioni space-grade

Nel settore aerospaziale, scegliere un materiale significa guardare oltre la sua funzione principale. Un adesivo deve incollare, un incapsulante deve proteggere e un lubrificante deve ridurre attrito e usura, ma tutto questo deve continuare ad avvenire nel vuoto, tra variazioni di temperatura e in prossimità di elettronica, sensori e sistemi ottici sensibili.

È in questo contesto che l’outgassing, o degassamento, diventa un criterio di selezione fondamentale. I composti volatili rilasciati da un materiale possono infatti migrare nel vuoto e depositarsi su altre superfici, con conseguenze che in un satellite possono diventare difficili o impossibili da correggere dopo il lancio.

Il tema è oggi ancora più rilevante anche per la disponibilità di nuovi dati sugli adesivi strutturali: quattro sistemi ARALDITE® sono stati sottoposti a screening secondo ECSS-Q-ST-70-02C, rispettando i criteri generali di outgassing previsti dalla norma.

Che cos’è l’outgassing?

L’outgassing è il rilascio di composti volatili da parte di un materiale. In condizioni atmosferiche normali il fenomeno può avere un impatto limitato, ma in un ambiente sottovuoto le sostanze liberate possono allontanarsi dalla superficie di origine, attraversare il sistema e raggiungere altri componenti.

Il problema non riguarda quindi soltanto la perdita di una piccola parte della massa del materiale. Alcuni dei composti rilasciati possono condensare sulle superfici più fredde, generando depositi proprio dove la contaminazione dovrebbe essere mantenuta al minimo.

Da qui nasce il concetto di low-outgassing, che non indica l’assenza assoluta del fenomeno, ma la necessità di selezionare materiali il cui comportamento nel vuoto sia compatibile con l’applicazione e con i limiti richiesti dal progetto.

Un adesivo, un sigillante o un lubrificante possono quindi essere perfettamente adeguati dal punto di vista meccanico o funzionale, ma non necessariamente idonei a un sistema spaziale se il loro rilascio di composti volatili non è stato valutato.

Perché servono materiali low-outgassing nello spazio?

Un satellite riunisce in poco spazio componenti con esigenze molto diverse. Elettronica, sensori, ottiche, cablaggi, sistemi di gestione termica, cuscinetti e attuatori devono funzionare contemporaneamente in condizioni di vuoto spinto, forti variazioni di temperatura e cicli operativi prolungati.

In questo contesto, anche quantità ridotte di materiale rilasciato possono diventare rilevanti.

Se un composto volatile raggiunge una superficie più fredda e condensa, può generare micro-depositi. Su una parte strutturale l’effetto può essere trascurabile; su una lente, un sensore ottico o una superficie con una precisa funzione termica può invece interferire con le prestazioni previste.

Per questo i materiali low-outgassing non vengono scelti semplicemente perché “rilasciano meno”. Vengono selezionati perché devono ridurre il rischio che il materiale stesso diventi una sorgente di contaminazione per ciò che lo circonda.

C’è inoltre un secondo elemento che rende la scelta particolarmente delicata: una volta che il sistema è in orbita, le possibilità di intervento diventano estremamente limitate o inesistenti. La compatibilità del materiale con il vuoto, il ciclo termico e i componenti vicini deve quindi essere verificata prima del lancio.

Come viene valutato l’outgassing dei materiali?

Definire un prodotto “low-outgassing” senza conoscere il metodo con cui è stato valutato dice poco. Per confrontare materiali differenti vengono utilizzati metodi di prova che permettono di quantificare la perdita di massa e, soprattutto, la parte di materiale volatile che può condensare su altre superfici.

Due riferimenti centrali per il settore spaziale sono ASTM E595 e ECSS-Q-ST-70-02C.

Il primo punto da chiarire è che non sono semplici etichette commerciali. Il metodo di prova stabilisce come viene misurato il comportamento del materiale, mentre la specifica applicabile al progetto stabilisce quali valori devono essere rispettati.

ASTM E595: TML e CVCM

ASTM E595 viene utilizzato per valutare l’outgassing dei materiali sottoposti a condizioni controllate di vuoto termico.

Il campione viene mantenuto per 24 ore a 125 °C in un ambiente a vuoto spinto, inferiore a 7×10⁻³ Pa, così da poter misurare sia la perdita complessiva di massa sia la quantità di materiale volatile che può condensare su una superficie più fredda.

I due parametri principali sono:

• TML, Total Mass Loss, cioè la perdita totale di massa registrata durante il test.
• CVCM, Collected Volatile Condensable Material, cioè la quantità di materiale volatile condensabile raccolta.

La differenza è importante. TML dice quanto materiale viene perso; CVCM aiuta invece a capire quanta parte di ciò che viene rilasciato può trasformarsi in una possibile fonte di contaminazione per altri componenti.

Per le applicazioni NASA vengono utilizzate come soglie di riferimento:

ASTM E595 va quindi considerato un metodo di prova. Per stabilire se un materiale è utilizzabile occorre poi confrontare i risultati con i requisiti previsti dalla specifica o dal programma.

ECSS-Q-ST-70-02C e RML

Nel settore spaziale europeo, ECSS-Q-ST-70-02C è uno dei riferimenti utilizzati per la selezione dei materiali in relazione all’outgassing.

Le condizioni di prova sono simili a quelle previste da ASTM E595 e i risultati sono generalmente confrontabili per finalità di screening. Nella valutazione ECSS entra però in gioco anche RML, Recovered Mass Loss, che considera la perdita di massa dopo il post-condizionamento e il recupero dell’umidità.

I criteri generali utilizzati nella selezione dei materiali sono:

Questo passaggio è importante perché consente di arrivare alla scelta del materiale partendo da dati misurati, anziché da una generica definizione di “basso degassamento”.

Nuovi risultati ECSS per quattro adesivi ARALDITE®

Il controllo dell’outgassing riguarda anche gli adesivi strutturali. Quattro sistemi epossidici ARALDITE® sono stati recentemente sottoposti a screening secondo ECSS-Q-ST-70-02C:

• ARALDITE® 2013-2
• ARALDITE® 2014-3
• ARALDITE® AV 138M-1 / Hardener HV 998-1
• ARALDITE® AV 138M-2 / Hardener HV 998-1

Durante la prova sono stati misurati TML, RML e CVCM. Il dato più importante, ai fini della selezione, è che tutti e quattro i sistemi rispettano i criteri generali ECSS previsti per RML e CVCM.

I risultati relativi ai due parametri utilizzati nei criteri generali sono:

Tra i quattro prodotti, ARALDITE® 2014-3 assume particolare interesse per le applicazioni spaziali in cui alle prestazioni dell’incollaggio deve affiancarsi un comportamento documentato in termini di outgassing. I valori misurati, RML dello 0,616% e CVCM dello 0,010%, rimangono entro i criteri generali previsti dallo standard.

Il punto però non è individuare un prodotto “migliore” in assoluto. I quattro sistemi hanno superato lo screening rispetto ai criteri indicati e la scelta dell’adesivo deve continuare a tenere conto di:

• substrati,
• geometria del giunto,
• processo di applicazione,
• condizioni operative,
• requisiti specifici del programma.

I nuovi dati aggiungono quindi un ulteriore criterio tecnico alla selezione dell’adesivo, senza sostituire la valutazione dell’applicazione nel suo complesso.

Soluzioni low-outgassing per satelliti e sistemi spaziali

Il controllo dell’outgassing non termina con l’incollaggio. In un satellite possono essere presenti materiali con funzioni molto diverse e ciascuno deve essere valutato rispetto al rischio di rilascio e contaminazione.

Gli stessi principi interessano quindi incapsulanti e sigillanti.

DOWSIL™ per incapsulamento e sigillatura low-outgassing

Proteggere un circuito elettronico significa isolare e stabilizzare il componente senza introdurre un nuovo fattore di rischio per sensori, ottiche o altre superfici sensibili.

DOWSIL™ 93-500 Space Grade Encapsulant è un incapsulante space-grade conforme alla specifica NASA SP-R-0022A, con un intervallo di impiego indicato tra -115 °C e +200 °C.

La gamma comprende anche materiali sviluppati per funzioni diverse. DOWSIL™ 6-1104 Controlled Volatility Sealant, ad esempio, è un sigillante a volatilità controllata valutato per applicazioni low-outgassing secondo ASTM E595.

In entrambi i casi il principio rimane lo stesso: la capacità di proteggere o sigillare il componente deve essere accompagnata da un comportamento compatibile con l’ambiente sottovuoto.

Applicazioni reali nel settore spaziale

I parametri di outgassing acquistano un significato molto più immediato quando vengono collegati a ciò che può accadere realmente all’interno di un satellite.

DOWSIL 93-500 per un satellite

Un produttore di moduli per satelliti di osservazione riscontra degradazione dei sensori ottici per micro-deposizioni di CVCM generate dall’outgassing degli incapsulanti convenzionali nel vuoto.

Sostituzione con DOWSIL 93-500, incapsulante space-grade certificato NASA SP-R-0022A, che supera i test ASTM E595 garantendo stabilità ottica ed elettrica per l’intera vita del satellite.

Il caso rende evidente il passaggio fondamentale: un incapsulante non può essere valutato soltanto sulla base della protezione che offre all’elettronica. Quando nelle vicinanze sono presenti sensori ottici, anche il suo comportamento low-outgassing diventa parte della prestazione richiesta.

SYLGARD 184 per ottica spaziale

Un istituto di ricerca astronomica deve incollare coppie di lenti di grande diametro per uno strumento in ambiente termicamente variabile, con zero stress meccanico e trasparenza tra 370 e 1700 nm.

Adozione di SYLGARD 184, adesivo ottico siliconico trasparente che minimizza lo stress da diverso coefficiente di dilatazione termica senza assorbimento ottico.

Questo terzo esempio aiuta anche a mettere il tema dell’outgassing nella corretta prospettiva. Low-outgassing è un requisito importante nelle applicazioni spaziali, ma non è l’unico: proprietà ottiche, compatibilità termica, caratteristiche elettriche e comportamento meccanico devono essere valutati insieme.

Domande frequenti sull’outgassing

Come scegliere un materiale low-outgassing

Non esiste un unico materiale low-outgassing adatto a qualsiasi applicazione spaziale.

La scelta cambia radicalmente se l’obiettivo è realizzare un giunto strutturale, proteggere un circuito elettronico, sigillare un componente o garantire la lubrificazione di un attuatore per l’intera missione.

I dati ottenuti attraverso ASTM E595 o ECSS-Q-ST-70-02C costituiscono quindi una parte del processo di selezione. Devono essere letti insieme a temperatura, livello di vuoto, durata operativa, vicinanza a ottiche e sensori, geometria del componente, materiali coinvolti e processo di applicazione.

Anche la documentazione deve essere verificata rispetto alla singola applicazione, perché specifiche, revisioni, lotto e packaging possono incidere sulle qualifiche disponibili.

È in questo quadro che si inseriscono soluzioni come gli adesivi ARALDITE®, gli incapsulanti e sigillanti DOWSIL™, ciascuno con un ruolo diverso all’interno del sistema.

Per applicazioni Aerospace & Defence, gli esperti Mascherpa possono supportare la verifica del materiale, della documentazione tecnica e della specifica più coerente con le condizioni reali del tuo progetto. Per maggiori informazioni contatta gli esperti Mascherpa o visita la nostra nuova sezione dedicata alle soluzioni per l’Aerospace & Defence.