Laboratorio de Ciencia de los Materiales

El Laboratorio de Ciencia de Materiales (MSL, por sus siglas en inglés) de la Agencia Espacial Europea es una carga útil a bordo de la Estación Espacial Internacional para realizar experimentos de ciencia de materiales en condiciones de baja gravedad.

Está instalado en el primer bastidor de investigación de ciencia de materiales de la NASA , ubicado en el laboratorio Destiny a bordo de la ISS. Su propósito es procesar muestras de materiales de diferentes maneras: solidificación direccional de metales y aleaciones, crecimiento de cristales de materiales semiconductores, propiedades termofísicas y experimentos de difusión de aleaciones y materiales formadores de vidrio, e investigaciones sobre polímeros y cerámicas en la transición de fase líquido-sólido . ^{[ 1 ]}

El MSL fue construido para la ESA por EADS Astrium en Friedrichshafen, Alemania. Su operación y monitorización están a cargo del Centro de Soporte al Usuario de Microgravedad (MUSC) del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en Colonia, Alemania.

El MSL fue lanzado con el transbordador espacial Discovery en su misión STS-128 a finales de agosto de 2009. Fue transferido del Módulo Logístico Multipropósito al Laboratorio Destiny poco después de que el transbordador se acoplara a la Estación Espacial Internacional, aproximadamente dos días después del lanzamiento. Posteriormente, comenzaron las actividades de puesta en marcha para comprobar la funcionalidad del Bastidor de Investigación de Ciencia de Materiales y del MSL dentro del MSRR. La puesta en marcha incluyó el procesamiento de las dos primeras muestras, que tuvo lugar a principios de noviembre. Tras traer estas dos muestras de vuelta a la Tierra para su análisis por parte de los científicos, el resto de las muestras del lote 1 se procesarán a principios de 2010.

El Laboratorio de Ciencia de Materiales (MSL) es la contribución de la Agencia Espacial Europea al programa MSRR-1 de la NASA. Ocupa la mitad de un bastidor de carga útil estándar internacional .

El MSL consta de una Instalación Central , junto con subsistemas de soporte asociados. La Instalación Central consiste principalmente en un cilindro de acero inoxidable hermético al vacío ( Cámara de Procesamiento ) capaz de albergar diferentes Insertos de Horno (IF), dentro del cual se lleva a cabo el procesamiento de muestras. La cámara de procesamiento proporciona un entorno de procesamiento controlado con precisión y la medición de los niveles de microgravedad. Puede albergar varios Insertos de Horno diferentes . Durante el primer lote de experimentos, se instala el Horno de Bajo Gradiente (LGF) . Otro horno, el Horno de Solidificación y Enfriamiento (SQF), ya está fabricado y listo en tierra para futuras operaciones. El IF se puede mover con un mecanismo de accionamiento específico, para procesar cada muestra según los requisitos de los científicos. El procesamiento normalmente se lleva a cabo al vacío.

La Instalación Central admite FI con hasta ocho elementos calefactores y proporciona la infraestructura mecánica, térmica y eléctrica necesaria para manipular los FI, el Conjunto de Cartuchos de Muestras (SCA) , junto con cualquier componente electrónico asociado dedicado al experimento que pueda ser necesario.

Un FI es un conjunto de elementos calefactores, zonas de aislamiento y zonas de refrigeración contenidos en un conjunto de aislamiento térmico. En la envoltura exterior de este conjunto hay una cubierta metálica refrigerada por agua que forma la interfaz mecánica con la Instalación Central .

Las principales características de los dos insertos para horno producidos son:

• Horno de bajo gradiente (LGF)

El LGF está diseñado principalmente para el crecimiento de cristales de materiales semiconductores mediante el método Bridgman. Consta de dos cavidades calentadas separadas por una zona adiabática. Este conjunto permite establecer gradientes bajos y controlados con precisión entre dos niveles de temperatura muy estables.

• Horno de solidificación y temple (SQF)

El SQF está diseñado principalmente para la investigación metalúrgica, con la opción de enfriar rápidamente la interfaz de solidificación al final del proceso mediante el desplazamiento de la zona de enfriamiento. Consta de una cavidad calentada y una zona de enfriamiento refrigerada por agua, separadas por una zona adiabática. Permite establecer gradientes de temperatura de moderados a pronunciados a lo largo de la muestra experimental. Para crear gradientes grandes, un anillo de metal líquido mejora el acoplamiento térmico entre el SCA y la zona de enfriamiento. ^{[ 2 ]}

Las muestras que se van a procesar se encuentran en cartuchos experimentales, denominados SCA, que constan de un tubo hermético, un crisol, sensores para el control del proceso, una sonda de muestreo y la base del cartucho (es decir, la interfaz mecánica y eléctrica con la cámara de procesamiento). El concepto de seguridad MSL exige que las muestras experimentales que contienen compuestos tóxicos se almacenen en SCA que permitan la detección de posibles fugas. El espacio entre la muestra experimental y el tubo del cartucho se llena con una cantidad predefinida de criptón, lo que permite la detección de fugas mediante espectrometría de masas. Sin embargo, el primer lote de experimentos no contiene sustancias tóxicas.

Hasta 12 termopares científicos proporcionan el perfil de temperatura de la muestra y permiten el análisis térmico diferencial. ^{[ 2 ]}

El Laboratorio de Ciencia de Materiales - Transición Columnar a Equiaxial en el Procesamiento de Solidificación (CETSOL) y Formación de Microestructuras en la Fundición de Aleaciones Técnicas bajo Condiciones Convectivas Difusivas y Controladas Magnéticamente (MICAST) son dos investigaciones que examinarán diferentes patrones de crecimiento y evolución de las microestructuras durante la cristalización de aleaciones metálicas en microgravedad.

MICAST estudia la formación de la microestructura durante la fundición de aleaciones técnicas bajo condiciones difusivas y convectivas controladas magnéticamente. Los resultados experimentales, junto con estudios paramétricos mediante simulaciones numéricas, se utilizarán para optimizar los procesos de fundición industriales. MICAST identifica y controla experimentalmente los patrones de flujo de fluidos que afectan la evolución de la microestructura durante los procesos de fundición, y desarrolla modelos analíticos y numéricos avanzados. El entorno de microgravedad de la Estación Espacial Internacional es de especial importancia para este proyecto, ya que solo allí se eliminan todas las convecciones inducidas por la gravedad y prevalecen condiciones bien definidas para la solidificación que pueden ser perturbadas por el flujo de fluidos artificiales bajo el control total de los experimentadores. Se proporcionarán soluciones de diseño que permitan mejorar los procesos de fundición y, en especial, las aleaciones de aluminio con propiedades bien definidas. MICAST estudia la influencia de las condiciones puramente difusivas y convectivas en las aleaciones fundidas de aluminio-silicio (AlSi) y aluminio-silicio-hierro (AlSiFe) sobre la evolución de la microestructura durante la solidificación direccional con y sin campo magnético rotatorio.

El objetivo principal de CETSOL es mejorar y validar el modelado de la Transición Columnar-Equiaxial (TCE) y de la microestructura del grano en el proceso de solidificación. Esto busca brindar a la industria confianza en la fiabilidad de las herramientas numéricas introducidas en sus modelos numéricos integrados de fundición, y su relación. Para lograr este objetivo, se profundizará en la caracterización cuantitativa de los fenómenos físicos básicos que, desde la escala microscópica hasta la macroscópica, rigen la formación de la microestructura y la TCE. La TCE ocurre durante el crecimiento columnar cuando nuevos granos crecen por delante del frente columnar en el líquido subenfriado. Bajo ciertas condiciones, estos granos pueden detener el crecimiento columnar y, entonces, la microestructura de solidificación se vuelve equiaxial. Los experimentos deben realizarse en la ISS debido a la larga duración requerida para solidificar muestras con el objetivo de estudiar la TCE. De hecho, la escala de longitud de la estructura del grano cuando tiene lugar el crecimiento columnar es del orden de la escala de fundición, más que de la escala de la microestructura. Esto se debe a que, en una primera aproximación, es el flujo de calor el que controla la transición, en lugar del flujo de soluto. Se están llevando a cabo programas experimentales con aleaciones de aluminio-níquel y aluminio-silicio. ^{[ 3 ]}

• Schaefer D, Henderson R. Concepto para una instalación de investigación en ciencia de materiales. 38.ª Reunión y Exposición de Ciencias Aeroespaciales. Reno, NV. 12-15 de enero; AIAA-1998-259. 1998
• Cobb SD, Higgins DB, Kitchens L. Capacidades y características de diseño de los bastidores del Primer Centro de Investigación en Ciencia de Materiales. Resúmenes de la IAF, 34.ª Asamblea Científica de COSPAR, Segundo Congreso Mundial del Espacio; J-6-07. 2002
• Carswell W, Kroeger F, Hammond M. QMI: un horno para el procesamiento de metales y aleaciones en la Estación Espacial Internacional. Actas de la Conferencia Aeroespacial IEEE de 2003; 1:1-74. 2003
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Investigación científica en la ISS

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  Módulo terrestre MSRR-1 en configuración de lanzamiento. El lado derecho del bastidor contiene el modelo de ingeniería del MSL. El lado izquierdo contiene los subsistemas de soporte del bastidor MSRR-1 (parte inferior) y el contenedor de almacenamiento (parte superior). El lado izquierdo dispone de las conexiones/interfaces para alojar un módulo de horno adicional, si fuera necesario.
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  El horno de bajo gradiente de MSL y el conjunto del cartucho de ampolla de muestra en 2004.
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  Vista de cerca del horno de bajo gradiente (LGF) y del horno de solidificación y temple (SQF) desarrollados por la Agencia Espacial Europea, ubicados en el lado derecho del MSRR-1.
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  Imagen de la NASA: ISS020E037829 El astronauta de la Agencia Espacial Europea Christer Fuglesang (primer plano superior) y el astronauta de la NASA Tim Kopra, ambos especialistas de la misión STS-128, instalan un bastidor de investigación de ciencia de materiales-1 (MSRR-1) en el laboratorio Destiny de la Estación Espacial Internacional.

• Sitio web de MSL de DLR
• Sitio web de MSL de la ESA