Self-healing materials for flexible space structures

Due to recent advances in space technologies, extended human missions on the Moon and Mars are likely to take place soon. The consequently related issue of prolonged exposure of crewmembers and devices to the threats of space environment will lead to stricter requirements on the spacecraft reliability, functionality, safety, and autonomy. As traditional architectures are typically unable to satisfactorily meet all these requirements, new solutions must be considered. Among them, self-healing inflatable and deployable structures are becoming increasingly interesting because they would ensure partially or totally autonomous and rapid functionality restoration after a damaging event such as an impact with micrometeoroids or orbital debris (MMOD). Furthermore, combining self-healing ability, high packing efficiency and light weight would result in higher safety and reliability and lower costs. Nevertheless, the understanding of the actual behavior and performance degradation of self-healing materials in space is currently limited. This research work, performed in collaboration with ESA, hence aims at laying the groundwork and paving the way for the design of innovative space systems through the development and characterization of self-healing materials. The first part of this thesis focuses on the baseline characterization of a set of self-healing polymers candidate for space applications. The action of space environment (UV, ATOX, gamma radiation) is then simulated through the ESA ESTEC facilities in the Netherlands to analyze how the considered materials respond to it. Thermal, spectroscopic, and rheological characterization after space conditioning is performed to assess the possible variations of mechanical, physical, and self-healing properties of the polymers. Puncture tests are also performed on neat, bilayer and nanocomposite configurations to reproduce impacts with micrometeoroids and orbital debris (MMOD). The self-healing response is assessed through flow rate measurements after puncture damage. For the neat materials, the same tests are then repeated on irradiated samples to study the variation in self-repairing performance after exposure to radiation. Preliminary material models are also developed for two of the analyzed materials starting from reference experimental data from tensile, stress relaxation and impact tests. The NASA HZETRN2015 (High Z and Energy TRaNsport, 2015 version) software is subsequently used to simulate the action of radiation in the case studies of a space suit and a habitat, and the shielding performance of the analyzed self-healing polymers applied to these examples. Reference multilayer layups are compared with configurations in which the standard bladder is replaced with a layer of each analyzed material (neat and nanocomposite) to identify the most promising candidates and determine if the addition of nanofillers can increase the shielding ability. Finally, considerations are made on the advantages and limitations of using self-healing materials in space suits, inflatable habitats and gossamer structures, and the topic of origami-inspired deployable structures is briefly introduced as a starting point for the future steps of the research started with this thesis.

Grazie al continuo miglioramento tecnologico nell’ambito delle applicazioni spaziali, missioni a lungo termine sulla Luna e su Marte saranno possibili in un futuro non troppo lontano. La conseguente esposizione prolungata di equipaggio e strumentazione ai pericoli dell’ambiente spaziale porterà a requisiti più stringenti sull’affidabilità, la sicurezza e l’autonomia dei satelliti utilizzati. Poiché le configurazioni tradizionali non sono tipicamente in grado di soddisfare tutti i requisiti associati, sarà necessario considerare nuove soluzioni. Tra queste, le strutture gonfiabili con capacità autoriparante stanno acquisendo popolarità, poiché garantirebbero il ripristino parziale o totale delle proprie funzionalità in maniera rapida ed autonoma a seguito di danni causati da eventi come impatti con micrometeoriti o detriti spaziali. Inoltre, la combinazione di capacità autoriparanti, alta efficienza di impaccamento and masse contenute porterebbe a un miglioramento delle condizioni di sicurezza ed affidabilità, e ad un abbassamento dei costi di missione. Tuttavia, le informazioni riguardo al comportamento effettivo e alla diminuzione delle prestazioni dei materiali autoriparanti nello spazio sono attualmente limitate. Lo scopo di questo lavoro di ricerca, svolto in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Europea (ESA), è quindi quello di gettare le basi e aprire la strada alla progettazione di sistemi spaziali innovativi attraverso lo sviluppo e la caratterizzazione di materiali autoriparanti. La prima parte della tesi si concentra sulla caratterizzazione di base di un set di polimeri autoriparanti considerati come possibili candidati per applicazioni spaziali. L’effetto dell’ambiente spaziale (raggi UV, ossigeno atomico, raggi gamma) viene poi simulato nei laboratori della sede ESTEC dell’ESA per analizzare la risposta dei materiali sotto analisi. I materiali vengono caratterizzati a seguito dell’esposizione all’ambiente spaziale per determinarne possibili variazioni dal punto di vista meccanico, fisico e delle proprietà autoriparanti. Vengono anche svolti dei test di foratura su configurazioni pure, bistrato e con nanocomposito per riprodurre gli impatti con micrometeoriti e detriti spaziali. La risposta autoriparante viene analizzata tramite misurazioni di portata a seguito della foratura del campione. Per i materiali puri, i test vengono poi ripetuti sui campioni irraggiati per analizzare la variazione delle prestazioni autoriparanti a seguito dell’esposizione alle radiazioni. Dei modelli preliminari sono in seguito sviluppati per due dei materiali analizzati, partendo da dati sperimentali disponibili da test a trazione, di rilassamento degli sforzi e prove d’impatto. Il codice NASA HZETRN2015 (High Z and Energy TRaNsport, 2015 version) viene poi utilizzato per simulare l’azione della radiazione considerando gli esempi di una tuta spaziale e di un habitat ed analizzare le capacità schermanti dei materiali considerati. Configurazioni multistrato di riferimento vengono confrontate con delle configurazioni in cui il bladder classico viene sostituito con uno strato di ogni materiale analizzato. La tesi si conclude con l’analisi dei vantaggi e limiti dei materiali autoriparanti applicati alle tute spaziali, agli habitat gonfiabili e alle strutture gossamer, e l’argomento delle strutture dispiegabili ispirate alla tecnica degli origami è brevemente introdotto come punto di partenza per i passaggi futuri della ricerca iniziata con questa tesi.