Projekt

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Design and manufacturing of heterogeneous photonic composites for aerospace applications

Titel Englisch Design and manufacturing of heterogeneous photonic composites for aerospace applications
Gesuchsteller/in Leuthold Juerg
Nummer 160184
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Institut für elektromagnetische Felder ETH Zürich
Hochschule ETH Zürich - ETHZ
Hauptdisziplin Elektroingenieurwesen
Beginn/Ende 01.09.2015 - 28.02.2019
Bewilligter Betrag 344'013.00
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Alle Disziplinen (3)

Disziplin
Elektroingenieurwesen
Materialwissenschaften
Astronomie, Astrophysik und Weltraumforschung

Keywords (11)

photonics; heatshield; atmospheric reentry; metamaterial; electromagnetic radiative heating ; heat balance; optical properties; protection coatings; multi scale systems; photonic composites; aerospace applications

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Die Oberflächenstruktur und Beschaffenheit hat einen grossen Einfluss auf dieWirkung von elektromagnetischen Feldern auf Materialien. Durch die Verwendungvon sogenannten photonischen Kristallstrukturen (PKS) kann z.B. die Absorption vonelektromagnetischer Strahlung beim Eintritt von Weltrumschiffen währen desWiedereintritts in die Erdatmosphäre verringert werden. Die gleichenOberflächenbeschichtungen können aber auch Gasturbinen vor einer Übererhitzungschützen. In diesem Projekt sollen neue PKS Materialien entwickelt werden, welchenicht nur wärmeresistent sondern auch wärmeabweisend sind.
Lay summary

Titel des Forschungsprojekts

Aufbau und Herstellung von heterogenen photonischen Materialien fur

Raumfahrtanwendungen

Conception et production de composites hétérogènes photoniques pour

applications aérospatiales

Progettazione e produzione di materiali compositi eterogenei fotonici per

applicazioni aerospaziali

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Neue PKS Materialen werden am Institut fur Elektromagnetische Felder (IEF) der

ETH Zurich theoretisch untersucht und am Laboratorium fur Komplexe Materialien

der ETH hergestellt. Die optischen Eigenschaften der neuen PKS Materialien werden

auf Ihre Eigenschaften im Heissgasspektrum und im UV-Spectralbereich untersucht. Der

Energieausgleich auf der PKS Oberfläche wird analysiert und mögliche neue

Mechanismen des PKS Schutzes diskutiert.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

PKS Materialien könnten eine Anwendung bei zukunftigen Missionen zu entfernten

Planeten (Jupiter) eingesetzt werden und die Kosten von bemannten Missionen zu Mond und

Mars reduzieren. PKS Materialien sind aber fur die schweizerische Energieindustrie

von Bedeutung, weil das Projekt neue Ansätze fur Oberlfächenstrukturierungen

liefern könnte.

 

8. Juni 2015

 

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 08.06.2015

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Abstract

Photonic crystal structures (PCS) allow control of the response to electromagnetic irradiation by structural design. A proper design enables many important applications. So, high-temperature stable PCS have a high potential as heat protection coatings for space vehicles during atmospheric reentry, and also offer useful coatings for gas turbine blades or selective emitters for thermophotovoltaics (TPV). Thermal protection systems (TPS) in space vehicles are of relevance because electromagnetic radiation from ionized gas in the shock layer at reentry to the Earth atmosphere can constitute up to 30-50% of the overall heat flux, albeit for relatively short times. For Jupiter entries, almost the entire heating is due to electromagnetic radiation. Ideally, the design of PCS for TPS should be tuned to the radiation spectra to the frequencies that are specific to the specific reentry conditions. In previous work along our ETH-NASA Agreement, several photonic TPS (pTPS) types were theoretically studied at the Institute of Electromagnetic Fields (IEF) of ETH. All of them were optimized for the spectral range comprising the highest power part of the shock gas irradiation. As candidates for pTPS, multilayer stacks, inverse opals, woodpiles, porous reflectors, and guided-mode resonance (GMR) structures were identified. In this project, the suggested pTPS will be further refined at the IEF and ultimately fabricated at the Laboratory of Complex Materials (CM) at ETH. Optical properties of selected pTPS materials will be tailored to reflect a broader part of the hot gas spectrum, including a VUV/UV part. Further, the energy balance on pTPS surface will be studied and possible new photonic mechanisms of protection will be considered. The optimization based on the inclusion of photonic “flakes” in bulk TPS will be performed. The fabrication of pTPS is the core of this project. The fabrication work will be based on revisited theoretical photonic designs (with a critical assessment of all permittivity data), starting with inverse opals but will include also multilayer stacks, woodpiles, woven structures (major NASA activity now), porous reflectors, and other pTPS. We are going to explore photonic paint approach as the main pTPS implementation method and investigate paths towards a large-scale pTPS implementation. For this, we will first study the assembly of inverse opals on alumina platelets as a model system to provide reflectivity at the wavelengths of interest. Then assembling on refractory micro platelets will be studied and photonic paints will be fabricated using suspensions of refractory micro platelets. After fabrication and optical characterization, studies on integration of pTPS into a bulk TPS matrix will follow, supported by Monte Carlo ray tracing simulations originally developed in-house. Photonic paints will be modified for phenolic infiltration/curing process, typical for ablative TPS materials. Optical, thermo-mechanical, oxidation studies will be performed in D-ITET and D-MATL of ETH, NASA Ames Research Center and Alstom AG. The ETH team will work closely and collaboratively with the NASA, having a long historical expertise in TPS systems. Although the project’s focus is on atmospheric re-entry (which - besides NASA is also of interest for SpaceX, Sierra Nevada Corporation, RUAG Space), our pTPS fabrication and incorporation methods may also find applications in gas turbines, high power laser optics and TPV elements.
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