Technology Transfer - Verslag

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Inhoud Inleiding.................................................................................................... 1 Eigenschappen van de ruimte ...................................................................... 2 Algemeen gebruikte materialen in de ruimtevaart .......................................... 3 Materiaal onderzoek in de ruimtevaart .......................................................... 5 Aerogel ..................................................................................................... 6 Transfer .................................................................................................... 8 Nawoord ................................................................................................... 9 Bronvermelding........................................................................................ 10

Ruimtevaart

0

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Inleiding De ruimtevaart is een high tech wereld op zich. De producten en technieken die ervoor worden ontwikkeld zijn bestemd voor een milieu dat in geen enkel aspect lijkt op dat in de bouw. Toch zijn er mogelijkheden om producten en technieken eventueel toe te passen in de bouw, om zo tot nieuwe concepten en ideeën te komen. Een technologie transfer van de ruimtevaart naar de bouwkunde.

Ruimtevaart

1

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Eigenschappen van de ruimte De ruimte is een zeer agressieve omgeving. Om te beginnen is het een vacuüm. De afwezigheid van luchtdruk is hier het grootste verschil met het milieu van de bouwkunde. Hierdoor moeten de constructies die de ruimte in gaan gigantisch grote druk aankunnen van binnen uit. In de ruimte treden ook zeer grote verschillen in temperatuur op. Het ene moment is 100 ºC en het andere moment is het -100 ºC. Dit heeft natuurlijk zijn uitwerking op de materialen. Ze zullen veel uitzetten en krimpen en misschien wordt het zelfs wel te warm of te koud voor de materialen om goed te kunnen functioneren. Bij het verlaten van en de terugkeer naar de aarde kunnen deze temperaturen nog verder oplopen. Zelfs ver boven de 1000 ºC. De atmosfeer zorgt voor erg veel wrijving. Zoveel zelfs dat het terugkeren met een verkeerde hoek, zal betekenen dat je er vanaf kaatst. Hiernaast vliegt er nog van alles door de ruimte, afval, microscopisch kleine deeltjes, radioactieve straling en puin. Deze kunnen allemaal de constructies in de ruimte erg veel schade berokkenen. Als laatste is natuurlijk de overduidelijke afwezigheid van zwaartekracht een groot verschil met de bouwwereld. Stapelbouw is bijvoorbeeld al niet mogelijk en er bestaat niet zoiets als verticaal transport ruimte, er is namelijk geen horizon. Dit alles heeft grote invloed op de materialen, producten, constructie methoden en andere technieken. Er is ook nog heel veel niet bekend en niet onderzocht. Hierom wordt er erg veel onderzoek gedaan naar innovatie op die gebieden.

Ruimtevaart

2

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Algemeen gebruikte materialen in de ruimtevaart Het bekendste ruimte vaartuig op dit moment in gebruik is de spaceshuttle. Dit ruimtevaartuig ontwikkeld door de NASA is al vele jaren in gebruik en door de jaren heen steeds verbeterd en beproefd. De spaceshuttle is een herbruikbaar ruimtevaartuig, een unicum op dit moment in deze branche. De shuttle kan terug keren naar de aarde, worden opgelapt en kan daarna weer op een volgende missie. Doordat het terugkeert en daarna weer bruikbaar moet zijn, worden er hoge eisen gesteld aan het vaartuig (zie vorig hoofdstuk). Het is op dit moment het meest geavanceerde bemande ruimtevaartuig dat wordt gebruikt voor missies door de NASA. De spaceshuttle heeft aluminium als hoofddraagconstructie. Het probleem hiervan is echter dat aluminium een maximum temperatuur heeft 350 ºC en dat de temperatuur veel hoger zou kunnen oplopen. Goede isolatie materialen zijn dus nodig. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen interne en externe isolatie. De externe isolatie zijn de zogenaamde tegels. Onderstaande afbeelding geeft aan welke soorten waar op de shuttle zitten (bron: www.centennialofflight.gov).

Ruimtevaart

3

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Op de neus kan men het Reinforced Carbon Carbon vinden (RCC). Dit kan de hoogste temperaturen van alle materialen opnemen. Dan vinden we op de romp bij de cockpit en een heel gebied daarachter de Low-Temperature Reusable Surface Insulation (LRSI) en de Advanced Flexible Reusable Surface Insulation (AFRSI). Deze tegels kunnen temperaturen aan van 370 tot 650 ºC en hebben een witte keramische coating om de zonnestraling te reflecteren. Op de onderkant en de voorkant van de vin (ook nog gedeelte LRSI en AFRSI) zijn bekleed met High-Temperature Reusable Surface Insulation (HRSI) en FFibrous Refractory Composite Insulation (FRCI). De HRSI zijn harde tegels met een zwarte keramische coating om warmte gemakkelijk af te kunnen staan. FRCI worden ook wel de zachte tegels genoemd. Deze kunnen net als de HRSI temperaturen aan van 650 tot 1260 ºC. Het nadeel van deze tegels is dat ze erg broos zijn. Dit gecombineerd met uitzettingen van aluminium en grote trillingen tijdens het opstijgen, zorgt voor de noodzaak van secure detaillering. Daarom wordt op de constructie eerst vilt aangebracht waarop een kleefmiddel op silicone basis wordt aangebracht. Hier worden vervolgens de tegels tegen aangedrukt om ze te bevestigen aan de shuttle. Men is constant opzoek naar verbeterde kleefmiddelen. De reden hiervoor is recentelijk duidelijk geworden toen een team van astronauten gestrand waren in de ruimte omdat bij het opstijgen een aantal tegeltjes van het hitteschild ware losgelaten. Voor speciale locaties in het ruimtevaartuig waar de isolatie bemoeilijkt wordt, heeft men gebruik gemaakt van een metaal legering, Iconel. Dit is een legering van nikkel chroom en ijzer (NiCrFe) en heeft een zeer hoge warmteweerstand waardoor het uitermate geschikt is voor bijvoorbeeld de scharnieren van de motoren. De internet isolatie wordt onder andere door Q-felt gerealiseerd. Dit is een micro kwarts vezel die in dekenvorm tegen de beplating wordt aangebracht en de bemanning in de cockpit beschermd.

Ruimtevaart

4

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Materiaal onderzoek in de ruimtevaart Zoals al eerder aangemerkt is het onderzoek naar nieuwe technieken, producten en materialen cruciaal voor de ruimtevaart. Daardoor is het een zeer productieve en innovatieve branche geworden die dan ook de aandacht van velen trekt. De ruimtevaart laboratoria hebben al veel technologie transfers mogelijk gemaakt met hun onderzoeken. Dit is niet alleen een manier om andere bedrijfstakken te ondersteunen, maar het is ook een zeer lucratieve aangelegenheid. Veel onderzoeken worden voor een deel bekostigd uit baten van neven- en hoofdproducten en materialen die resulteren uit ruimtevaartkundig onderzoek. Dit geeft ook aan dat er veel mogelijkheden zijn voor transfers.

Ruimtevaart

5

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Aerogel Een voorbeeld van een geslaagde transfer is Aerogel. Dit is een isolatie materiaal dat werd ontwikkeld voor de Stardust missie van de NASA door het laboratorium van de NASA, het Jet Propulsion Laboratory. In deze missie werd met een aluminium tennisracket (zie afbeelding), gevuld met Aerogel, getracht om deeltjes op te vangen uit de staart van de komeet Wild 2. De uiteindelijk geslaagde missie was de aanleiding tot de ontwikkeling van dit materiaal, maar het gebruik ervan was niet voor isolatie. Het materiaal moest de deeltjes opvangen en opsluiten. Later bleek dat het materiaal uitstekende isolerende eigenschappen heeft. Aerogel wordt geproduceerd door een hydrogel, veelal gebaseerd op Silicium, tot een superkritieke toestand te brengen. Dit houdt in dat de druk dusdanig wordt opgevoerd dat er geen verschil meer is tussen de vloeibare fase en de gasfase (zie diagram). In deze toestand die wordt bewerkstelligd in de autoclaaf, is het mogelijk om de vloeistoffen uit het materiaal te halen en op die manier een vaste stof over te houden na afkoeling. Deze vaste stof, Aerogel, heeft een aantal merkwaardige en bijzondere eigenschappen. Het bestaat uit een 3 dimensionale ketenstructuur van Silicium dioxide deeltjes van 2 tot 5 nanometer met een ruimte ertussen die verschilt van enkele micrometers tot 10 nanometer. Dit maakt het een erg poreus materiaal. Het zorgt ook voor een zeer lage dichtheid. Zo laag zelfs dat het materiaal het record voor lichtste vaste stof heeft behaald. Er is zelfs een variant die een dichtheid heeft van minder dan die van lucht: 1 mg/cm3. De hoogste dichtheid tot nu toe is 350 mg/cm3. Zoals al eerder vermeld, heeft het materiaal een zeer goede warmteweerstand. De warmtegeleidingcoëfficiënt is 0,011 W/mK. Hier zal ik later op terug komen. Ook bijzonder is de lage refractie index van het materiaal. Deze zit tussen de 1.0 en 1.05, wat extreem laag is voor een vaste stof (bedenk hierbij dat glas geen vaste stof is).

Ruimtevaart

6

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Daarnaast heeft Aerogel zeer grote temperatuur toleranties. Het kan temperaturen aan van -273 tot 500 ºC (smeltpunt ligt boven 1200 ºC). Dit maakt het natuurlijk uitermate geschikt voor de spaceshuttle, maar ook voor bijvoorbeeld een smeltoven in de staalindustrie. Doordat het materiaal het licht breekt net zoals de hemel, ontstaat er een blauwe gloed (zie onderstaande afbeelding).

Ruimtevaart

7

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Transfer Aerogel wordt al toegepast in andere branches dan de bouwwereld. De olie industrie, scheepvaart, buitensport, het leger en keuken apparatuur zijn daar voorbeelden van. Aspen Aerogel heeft ook een doek weten te maken van Aerogel. Deze isolatie deken heeft superieure isolatie capaciteit als men het vergelijk met reguliere isolatie materialen (zie diagram). Dit bedrijf heeft dit product ontwikkeld voor de bouwmarkt, maar voor zover ik weet is het nog niet toegepast. Een kosten en baten analyse zal ook uitwijzen dat het nog niet rendabel is om dit materiaal toe te passen. Wie weet wat de toekomst zal brengen op dit gebied. De hoge kosten zitten hem voor in het productie proces van Aerogel zelf en in mindere mate in dat van de isolatie deken van Aspen.

Men is ook bezig geweest met het vervaardigen van een vervanger voor glas uit Aerogel. Het probleem is echter dat de doorzichtigheid niet die van het huidige glas haalt. Men komt echter wel steeds dichterbij. Dit zou een grote stap voorwaarts zijn in het complementeren van de thermische schil. Tot nu toe waren de vensters altijd nog een onderbreking hiervan. Mogelijk met de komst van Aeroglass, is dit verleden tijd. Een andere mogelijkheid tot een transfer zit hem in de innovativiteit van de markt. Als er iets is dat er ontbreekt in de bouwmarkt is een gemakkelijke integratie van innovatieve materialen, producten en technieken. De markt is erg conservatief. Als we er in slagen om een het onderzoek naar innovatieve producten op hetzelfde niveau te krijgen als dat van de ruimtevaart, dan zal dit ook wel veranderen.

Ruimtevaart

8

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Nawoord Ik had verwacht dat er wat betreft constructie materialen behoorlijk wat te halen viel in de ruimtevaart, voor de bouwmarkt, maar dat valt behoorlijk tegen. Men gebruikt een hoogwaardige vorm van aluminium voor de constructies, maar het blijft toch aluminium, wat op dit moment al veelvuldig wordt gebruikt in de bouw. Het kan heel goed zijn dat ik nog maar het topje van de ijsberg heb ontdekt. De ruimtevaart blijft toch ook een branche met staatsgeheimen die zeker niet al haar informatie zomaar prijs geeft.

Ruimtevaart

9

Technology Transfer

Daniël Tulp 0510902

Bronvermelding Internet bronnen: Airforce Research Laboratory Technology Horizons www.afrlhorizons.com/Briefs/Feb04/ML0226.html Airglass www.airglass.se Aspen Aerogels www.aspenaerogels.com NASA Technical Memorandum 100059: High-Temperature Properties of Ceramic Fibers and Insulations for Thermal Protection of Atmospheric Entry and Hypersonic Cruise Vehicles ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19880008359_1988008359.p df Jet Propulsion Laboratory jpl.nasa.gov Lawrence livermore national laboratory www.llnl.gov Trendwatchers voor innovatie en technologie www.twanetwerk.nl/default.ashx?DocumentID=5883 Spacedaily www.spacedaily.com Spaceflight Now www.spaceflightnow.com U.S. Centennial off Flight Commission www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/TPS/Tech41.htm Wikipedia nl.wikipedia.org/wiki/Aerogel nl.wikipedia.org/wiki/Inconel

Ruimtevaart

10