Numerical analysis of shielding properties of self-healing polymers and nanocomposites through different HZETRN space radiation environments

In the space exploration history, human safety has been constantly put in the foreground, trying to improve technologies and materials to guarantee the protection of astronauts to the best of ability. The opportunity to introduce self-repairing materials within structures such as space suits and habitat modules is drawing, in recent decades, the attention of scientists and researchers. Self-healing of materials, following damages caused by impacts with space debris and micrometeorites, would make human activity in space safer and it would increase the operational life of components and structures thus reducing replacement costs and relieving astronauts from maintenance activities. The integration of self-healing materials in structures that protect man from the space environment is a fundamental step for the realization of long-lasting planetary exploration missions. The operating environment in which these materials would be placed is hostile from many points of view, indeed they contrast with different situations that can lead to degradation, such as: interaction with micrometeorites, atomic oxygen, contamination and outgassing, extreme thermal cycles and radiation. This work was carried out with the aim of investigating how candidate self-healing materials for space applications can be affected by space radiation, which is extremely dangerous for the human body and the integrity of materials. Since the effect of radiation on self-healing materials is still largely unknown, it is necessary to study how exposure to these phenomena can modify the mechanical and self-healing properties of these materials. For this purpose a numerical analysis was carried out using the HZETRN2015 software developed by the Langley Research Center of the National Aeronautics and Space Administration. The software has been used to simulate the insertion of the selected materials in different environmental conditions of irradiation, such as galactic cosmic rays (GCR), solar proton events (SPE) and low earth orbit (LEO). The analyzed results are based on values of absorbed dose, total equivalent dose and per particle in the depth of material. In a first phase a comparison between several candidates of self-healing materials has been made to identify which one had the best intrinsic properties. Subsequently tests have been carried out to characterize the multilayer of a spacesuit, in standard configuration and with the insertion of a layer of self-healing material, on the surface of the Moon and Mars. Finally, several options for the increase in the shielding capabilities of the material have been deepened, with the purpose to reduce as much as possible the dose absorbed by the same material. First the possibility of increasing the thickness of the layers of materials with better shielding capacities and the modification of the lay-up of the multilayer have been valuated to then move on to the study of the insertion of nano-fillers in the self-healing matrix, thus creating a nanocomposite. In this last phase the simulations have been carried out to evaluate the contribution of the nano-fillers to the shielding properties of the pristine material in different environmental conditions, deepening the relation with the nature of the filler and its concentration in the host matrix.

Nella storia dell'esplorazione spaziale la sicurezza dell'uomo è stata messa costantemente in primo piano, cercando sempre di migliorare tecnologie e materiali al fine di garantire la protezione degli astronauti in tutte le fasi della permanenza nello spazio. La possibilità di introdurre materiali autoriparanti all'interno di strutture come tute spaziali e moduli abitativi sta attirando, negli ultimi decenni, l'attenzione di scienziati e ricercatori. L'autorigenerazione dei materiali, a seguito di danni provocati da impatti con detriti spaziali e micrometeoriti, renderebbe l'attività umana nello spazio più sicura e aumenterebbe la vita operativa di componenti e strutture riducendo così costi di sostituzione e sgravando gli astronauti da attività di manutenzione. L'integrazione di materiali autoriparanti in strutture che proteggono l'uomo dall'ambiente spaziale è un passo fondamentale per la realizzazione di missioni di esplorazione planetaria di lunga durata alle quali si sta guardando con grande interesse. L'ambiente operativo nel quale tali materiali verrebbero inseriti è ostile sotto più punti di vista. Oltre a danni causati dall'interazione meccanica con detriti spaziali e micrometeoriti, i materiali utilizzati per applicazioni spaziali si confrontano con diverse situazioni che possono portare a degradazione; come: interazioni con ossigeno atomico, contaminazione e outgassing, cicli termici estremi e radiazioni. Questo lavoro è stato svolto con lo scopo di approfondire il fenomeno che caratterizza e rende l'ambiente spaziale tanto pericoloso per la vita umana e per l'integrità dei materiali, le radiazioni. L'effetto delle radiazioni sui materiali autoriparanti è pressoché sconosciuto, per questo motivo si vuole studiare in quale modo l'esposizione a tali fenomeni possa modificare le proprietà meccaniche e autorigeneranti dei materiali stessi. A tale scopo è stata svolta un'analisi numerica tramite l'utilizzo del software HZETRN2015 sviluppato dal Langley Research Center della National Aeronautics and Space Administration. Il software è stato utilizzato per simulare l'inserimento dei materiali selezionati in diverse condizioni ambientali di irraggiamento, legate a raggi cosmici (GCR), eventi protonici solari (SPE) e orbite terrestri basse (LEO). I risultati analizzati si basano sui valori di dose assorbita, dose equivalente totale e per particella nello spessore di materiale a seguito di irraggiamento. In una prima fase è stato fatto un confronto tra diversi candidati di materiali autoriparanti al fine di identificare quale avesse le migliori proprietà intrinseche. Successivamente i test sono stati svolti per caratterizzare il multilayer di una tuta spaziale, in configurazione standard e con l'inserimento di uno strato di materiale autoriparente, sulla superficie della Luna e di Marte. In fine sono state approfondite diverse opzioni per l'incremento delle capacità schermanti del materiale. In primo luogo sono state valutate la possibilità di ispessimento degli strati di materiali con migliori capacità schermanti e la modifica del lay-up del multistrato per poi passare allo studio dell'inserimento di nano-filler nella matrice autoriparante, con la realizzazione così di un nanocomposito. In quest'ultima fase le simulazioni sono state svolte per valutare il contributo dei nano-filler alle proprietà schermanti del materiale puro in diverse condizioni ambientali, in relazione alla natura del filler e alla concentrazione dello stesso nella matrice ospite.