Thermite-for-Demise (T4D): thermodynamic screening and characterization of DLP-printed Mg/SiO2 composites

The growing number of satellites launched into Low Earth Orbit has prompted international organizations to adopt debris mitigation guidelines promoting satellite re-entry at end-of-life. Since dense or heat-resistant components can survive re-entry and reach the ground, the Design-for-Demise (D4D) concept has emerged, integrating strategies that ensure, among other things, the disintegration of the most resilient components before ground impact. Within this framework, Thermite-for-Demise (T4D) exploits the exothermic reaction of a thermite charge, triggered by aerodynamic heating during re-entry, to assist component demise. Since past experiments with loose powders experienced poor heat transfer and entrainment related to gas production, this work investigates the consolidation of thermite into a freestanding Structural Reactive Material (SRM). The mechanical and thermal characterization of Mg/SiO2 charges manufactured by Digital Light Processing (DLP) 3D printing is presented. A thermodynamic screening of several thermite systems, carried out with a commercial thermochemical analysis software (FactSage(TM)) at ground-level and re-entry pressures, confirmed Mg/SiO2 as the reference composition. Uniaxial compression tests on the pure resin and the 60 wt% composite showed that the thermite loading markedly reduces stiffness and yield stress while preserving a repeatable response; tumbling and friability tests showed negligible mass loss and no surface damage, confirming excellent structural integrity for AIT phases. Ignition tests under atmospheric and vacuum conditions showed that pressure plays a marginal role in the initial ignition, although vacuum conditions hinder combustion propagation. High-speed recordings of printed specimens combustion revealed a distinctive multiple-ignition behaviour, unlike the single impulse of sintered pellets, likely because the polymer matrix acts as a heat sink. Finally, the formulation was validated on a printed M8 nut, which exhibited a coherent, repeatable response comparable to a commercial plastic fastener, showing that this technology can yield functional components within the T4D framework.

Il crescente numero di satelliti lanciati in orbita terrestre bassa ha spinto le organizzazioni internazionali ad adottare linee guida per la mitigazione dei detriti spaziali che promuovono il rientro dei satelliti al termine della loro vita. Poiché componenti ad alta densità o resistenti al calore possono sopravvivere al rientro e raggiungere il suolo, è emerso il concetto di Design-for-Demise (D4D), che integra strategie volte a garantire, tra le altre cose, la disintegrazione dei componenti più resistenti prima dell'impatto al suolo. In questo contesto, Thermite-for-Demise (T4D) sfrutta la reazione esotermica di una carica di termite, innescata dal riscaldamento aerodinamico durante il rientro, per assistere il demise dei componenti. Poiché esperimenti precedenti con polveri hanno mostrato uno scarso trasferimento di calore e fenomeni di trascinamento legati alla produzione di gas, questo lavoro indaga il consolidamento della termite in un Materiale Reattivo Strutturale autoportante. Viene presentata la caratterizzazione meccanica e termica di cariche Mg/SiO2 realizzate con stampa 3D Digital Light Processing (DLP). Uno screening termodinamico di diversi sistemi termitici, condotto mediante un software commerciale di analisi termochimica (FactSage(TM)) a pressioni rappresentative delle condizioni al suolo e di rientro, ha confermato Mg/SiO2 come composizione di riferimento. Prove di compressione uniassiale sulla resina pura e sul composito al 60 wt% hanno mostrato che il caricamento di termite riduce significativamente la rigidezza e la tensione di snervamento, preservando una risposta ripetibile; prove di tumbling e friabilità hanno evidenziato una perdita di massa trascurabile e l'assenza di danni superficiali, confermando un'eccellente integrità strutturale per le fasi di AIT. Prove di accensione in condizioni atmosferiche e di vuoto hanno mostrato che la pressione svolge un ruolo marginale nell'innesco iniziale, sebbene la condizione di vuoto ostacoli la propagazione della combustione. Le registrazioni ad alta velocità della combustione dei provini stampati hanno rivelato un caratteristico comportamento di accensione multipla, a differenza del singolo impulso osservato nei pellet sinterizzati, probabilmente perché la matrice polimerica agisce come un pozzo termico. Infine, la formulazione è stata validata su un dado M8 stampato, che ha mostrato una risposta coerente e ripetibile, paragonabile a quella di un elemento di fissaggio commerciale in plastica, indicando come questa tecnologia possa fornire componenti funzionali da integrare nell'ambito T4D.