Experimental Study on Silicon Carbide Passivation in High-Enthalpy Oxygen Flows

L'interesse crescente per la Very Low Earth Orbit (VLEO) nelle applicazioni di osservazione terrestre, telecomunicazioni e missioni scientifiche sta stimolando la ricerca sul mantenimento delle operazioni satellitari sotto un aumento della resistenza atmosferica. A quote di altitudine inferiore a 450 km, le missioni satellitari affrontano sfide significative, tra cui il rapido decadimento orbitale dovuto alla resistenza atmosferica e la degradazione dei materiali causata dall'erosione da ossigeno atomico (AO). La tecnologia di Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP) offre una soluzione promettente utilizzando le particelle atmosferiche come propellente, il che potrebbe consentire una durata indefinita delle missioni senza la necessità di carburante a bordo. Questa tesi indaga l'uso del silicon carbide (SiC) come materiale di rivestimento nei sistemi ABEP, concentrandosi sulla sua passivazione in flussi di ossigeno ad alta entalpia. Il SiC è stato scelto per la sua elevata stabilità chimica e termica, che supporta la durabilità nell'ambiente ostile della VLEO. Il potenziale del materiale di formare uno strato protettivo di silicon dioxide (SiO₂) aumenta la sua resistenza all'ossidazione, mitigando l'erosione da AO. Questo studio indaga il comportamento del SiC nel plasma di ossigeno esponendolo all'inductively driven plasma wind tunnel PWK3 presso l'Institute of Space Systems (IRS) dell'Università di Stoccarda, simulando le condizioni della VLEO. Regolando il tempo di esposizione come parametro variabile, viene valutata la passivazione del SiC, misurandone le prestazioni sotto un'esposizione prolungata ad ossigeno ad alta entalpia. Un'analisi superficiale dettagliata è stata condotta prima e dopo l'esposizione presso il German Aerospace Center (DLR) utilizzando la microscopia Nomarski, l'interferometria a luce bianca (WLIM) e la microscopia a forza atomica (AFM) per valutare i cambiamenti morfologici e l'efficacia della passivazione. Questa tesi mira a fornire approfondimenti sull'idoneità del SiC per i sistemi ABEP nella VLEO esplorando le sue variazioni superficiali, la resistenza all'ossidazione e i potenziali processi di degradazione. I risultati contribuiscono al campo della propulsione satellitare sostenibile informando la selezione dei materiali per i sistemi ABEP, ottimizzando sia le prestazioni che la longevità negli ambienti VLEO.