Cosa ci vuole per fare una tuta spaziale? Qual è il materiale migliore per una capsula da mandare in orbita? La scienza dei materiali è quella disciplina che può dare risposte a domande simili, portando alla creazione di nuove strutture che poi, spesso e volentieri, dallo spazio scendono sulla terraferma e trovano posto in oggetti che usiamo tutti i giorni.
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Ciò che ci ha reso possibile e ci rende possibile esplorare l'Universo sono i materiali compositi avanzati, vale a dire l'unione di due o più materiali. Possono essere di diversi tipi e forme: a strati, tessuti o leghe - queste ultime hanno la caratteristica di essere un composto uniforme.
Grande protagonista di questa scienza è la ceramica. Tendiamo a pensarla come una materiale duro ma molto fragile, ma se, per esempio, la scaldiamo a temperature altissime possiamo ottenerne delle fibre flessibili che non prendono fuoco. Vengono usate per realizzare coperture in grado di assorbire gli urti, e sono anche un efficace ritardante di fiamma. E ci si possono fare dei tessuti.
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Se alla ceramica uniamo il vetro otteniamo la vetroceramica, un materiale che molti di noi hanno in tasca. È infatti alla base del Gorilla Glass, il vetro super resistente che protegge molti smartphone. Si realizza unendo vetro fuso a particelle di ceramica droganti, solubili ad alte temperature. Quando si raffredda si ottiene un materiale cristallino fino al 99%. Abbiamo quindi la trasparenza del vetro e la resistenza della ceramica. Ritroviamo un materiale simile usato per i finestrini delle navette e della Stazione Spaziale Internazionale.
Il drogaggio è un processo che consiste nell'inserire una piccola percentuale di un materiale diverso. In questo modo si alterano le proprietà chimiche, ottenendo un diverso comportamento elettrico, meccanico o chimico. Questo procedimento permette di sfruttare una o più caratteristiche del materiale drogante, evitando però le difficoltà o i costi che comporta l'uso del materiale puro.
Proprio le finestre delle navette spaziali è il campo in cui la scienza dei materiali ha dato un grande contributo. Si usa molto il silice (diossido di silicio), un materiale relativamente noto e diffuso. Alcuni di noi invece ritengono che sia ancora fantascienza l'alluminio trasparente, un materiale che invece esiste ed è prodotto da alcune aziende del mondo - ognuna ha la sua "ricetta". Può servire per le finestre spaziali, ma anche per fare bottiglie infrangibili o protezioni antiproiettile leggere e, appunto, trasparenti.
Quando si mischiano diversi metalli si parla di realizzare delle leghe - la maggior parte di noi ne ha almeno sentito parlare a proposito dei cerchioni delle auto o il telaio della bicicletta. Una lega è una fusione omogenea di due o più metalli. Come il bronzo per esempio, che unisce rame a un altro metallo ed è forse la lega più antica conosciuta dall'uomo - il suo nome è usato anche per indicare un periodo storico (3.500 - 1.200 a.c., in Europa).
In ambito spaziale è notevole l'uso di una lega Alluminio-Niobio, che ha una temperatura di fusione talmente alta da resistere al calore generato dai motori di Falcon 9 - grazie anche a un notevole sistema di raffreddamento, ovviamente. Le leghe a base di metallo e ottone, invece, si rivelano utili perché non si ossidano - non arrugginiscono - qualsiasi sia la condizione a cui le possiamo esporre.
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Le tecniche di drogaggio oggi sono diventate incredibilmente precise, al punto che è possibile inserire variazioni grandi un solo atomo. Questa enorme precisione è determinante per creare leghe ad alta entropia, materiali scoperti di recente e che di solito sono l'unione di almeno 5 diversi elementi. Estremamente resistenti e duttili, sono ideali per realizzare oggetti che devono resistere a un lancio e poi restare in orbita.
Nel caso della sonda Juno, per esempio, sono stati usati il tantalio e il tungsteno come elementi droganti nella realizzazione di una speciale camera antiradiazioni. Uno spazio che ospita circuiti che altrimenti sarebbero danneggiati e non potrebbero funzionare nello Spazio.
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La camera antiradiazioni di Juno è quasi interamente in titanio, e anche questo dettaglio rappresenta un esperimento importante per la sonda che sta osservando Giove. Perché se è chiaro che non si può costruire un'astronave senza metterci dentro dei computer, lo è anche il fatto che l'elettronica va protetta dalle radiazioni se vogliamo sperare di costruire mezzi che restino nello Spazio a lungo e che siano anche di dimensioni sufficienti per trasportare un equipaggio umano.
Questi materiali permettono anche di realizzare isolamenti multi livello (MLI), che proteggono sia termicamente che elettricamente. Sono quel tipo di isolamento che danno un aspetto "dorato" ai veicoli che mandiamo nello spazio.
SpaceX usa materiali compositi rigidi che uniscono fibra di carbonio e metallo in una struttura a nido d'ape molto resistente. Gli stessi materiali compositi però non devono essere necessariamente rigidi, come dimostra il modulo gonfiabile BEAM della ISS. Una struttura flessibile e gonfiabile realizzata con un materiale che si chiama beta cloth, una fibra a base di silice. Il modulo BEAM include persino delle finestre, che a loro volta sono fatte di diversi materiali - principalmente fibra di vetro e teflon. È praticamente impossibile tagliare o anche solo graffiare il beta cloth del BEAM, che resiste alla corrosione dell'ossigeno atmosferico. Gli scienziati sono riusciti a intaccarlo sparandoci contro un laser.
Per le tute spaziali più recenti si preferisce invece il più simile Chromel-R, un tessuto che è sostanzialmente fatto di fili metallici, per la precisione una lega di nickel, cromo, ferro e silicio. E sono proprio le tute spaziali il terreno più fertile per lo sviluppo di materiali compositi flessibili: sovrapponendo alcuni strati di materiali diversi si ottiene un prodotto finale che può resistere a molte cose ma che è allo stesso tempo flessibile e relativamente leggero.
Ceramica flessibile (flexiramic), Darlexx, un cuscino ottenuto con un fluido non newtoniano, uno strato ceramico antiurto: questi e altri materiali uno sopra all'altro creano una tuta spaziale che è praticamente un'armatura a prova d'incendio, a cui manca solo il casco. Ed è possibile oggi.