Environmental impact of aerospace-grade traditional and innovative composites through Life Cycle Assessment: a cradle-to-grave approach

Composite materials, particularly Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP), are widely used in aerospace applications for their lightweight mechanical properties. However, traditional thermoset matrix composites present challenges in end of life scenarios due to limited recyclability. This thesis focuses on conducting a comprehensive environmental impact analysis using Life Cycle Assessment (LCA) to evaluate the entire life cycle of aerospace composite materials, with a specific emphasis on innovative matrix solutions. The research assesses the environmental footprint of CFRP with different matrices, considering production, use and disposal phases, building a specialized database for accurate data representation. The objective of this work is to analyze a component of an electric Vertical Takeoff and Landing (eVTOL) aircraft, modelling its use phase, to identify the breakeven point between different traditional and innovative matrix materials in terms of environmental impact. The methodology involves a combination of literature review, database construction, and LCA modeling using specialized software like SimaPro. Scenario analyses and sensitivity studies are conducted to assess the reliability of predictions and identify optimal material choices to minimize environmental impact. The findings are particularly relevant to underline the importance of sustainability within the aerospace industry, aligning with the growing demand for eco-friendly technologies. Reducing the gap between innovative materials and future goals, this thesis aims to push a positive change in aerospace manufacturing towards a more environmentally conscious future.

I materiali compositi, in particolare i polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP), sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni aerospaziali per il loro peso ridotto e le loro eccellenti proprietà meccaniche. Tuttavia, i tradizionali compositi a matrice termoindurente presentano problematiche nella fase di fine vita a causa della loro limitata riciclabilità. Questa tesi si concentra sulla conduzione di una valutazione completa dell'impatto ambientale, utilizzando l'Analisi del Ciclo di Vita (LCA), di diversi materiali compositi con applicazione aerospaziale, con un'enfasi specifica sulle possibili soluzioni innovative per le matrici. La ricerca prevede di valutare l'impatto ambientale di svariati CFRP, considerando le fasi di produzione, utilizzo e smaltimento. L'obiettivo è quello di analizzare un componente di un velivolo eVTOL (decollo e atterraggio verticale elettrico), modellandone la fase di utilizzo, per identificare il punto di pareggio in termini di impatto ambientale dei diversi materiali considerati. La metodologia impiegata comprende una combinazione di revisione della letteratura, costruzione del database e modellazione LCA utilizzando software appositi come SimaPro. Analisi di scenario e studi di sensibilità sono condotti per valutare l'affidabilità delle previsioni e giustificare le scelte dei materiali ottimali per minimizzare l'impatto ambientale. I risultati mirano a promuovere la sostenibilità, allineandosi alla crescente domanda di tecnologie ecocompatibili. Riducendo la distanza tra materiali innovativi e obiettivi futuri, questa tesi incoraggia un cambiamento positivo nella produzione aerospaziale verso un futuro più rispettoso dell'ambiente.