CETSOL1 es uno de los experimentos de la Agencia Espacial Europea (ESA) perteneciente a la serie de Transparent Alloys, que tiene como meta estudiar diferentes fenómenos físicos que se producen durante las solidificaciones direccionales en condiciones de microgravedad. “En particular, el objetivo de este nuevo experimento es identificar los regímenes de crecimiento de las estructuras columnares (dendríticas), de granos equiaxiales y la formación mixta de ambas estructuras, así como los mecanismos físicos que permiten su desarrollo”, explican desde el E-USOC, centro delegado de la ESA para para la preparación y ejecución de experimentos en la Estación Espacial Internacional (EEI).
Este experimento fue propuesto por los investigadores de Access e.V. (RWTH Aachen University), Gerhard Zimmermann y Laszlo Sturz a la Agencia Espacial Europea (ESA) y se ejecutará en el periodo de marzo-mayo de 2022 dentro del Microgravity Science Glovebox (MSG), tras llegar a la estación en la cápsula Cygnus NG-17. El E-USOC de la Universidad Politécnica de Madrid es responsable de todos los experimentos que la ESA hace en este laboratorio de la NASA.
“Las condiciones de microgravedad de la ISS permiten estudiar fenómenos tridimensionales que no se ven afectados por la convección natural, por lo que solo el proceso de solidificación se desarrolla en condiciones puramente difusivas”, sostiene José Javier Fernández Fraile, del E-USOC.
El instrumento a utilizar es un Horno Bridgman que permite el seguimiento y control de los procesos de solidificación-fusión en muestras de plástico confinadas en cartuchos experimentales con una resolución a microescala. El ajuste de la temperatura tiene como objetivo lograr un gradiente térmico deseado en la zona adiabática donde se produce la solidificación. Se realizará un estudio de la dependencia de los distintos crecimientos según los parámetros científicos de velocidad de solidificación y gradiente térmico aplicado.
Responsables de la campaña científica
Como preparación de la campaña científica que se llevará a cabo en la Estación Espacial Internacional, el E-USOC y los investigadores principales han definido el protocolo científico necesario para la ejecución del experimento. “Los ensayos de tierra se hacen para poner a punto el experimento que se llevará a cabo en la ISS, para estar seguros de que se hará exactamente todo lo que queremos. Los astronautas solo hacen la instalación y desinstalación del instrumento en el MSG de la NASA, tal y como nosotros les explicamos. Una vez instalado, el experimento se controla desde tierra, siendo el E-USOC el responsable de ello”, afirman los investigadores del E-USOC. Tras los ensayos, los científicos disponen de una selección de experimentos con los que comparar los resultados que se obtendrán en la Estación Espacial Internacional.
Actualmente participan en este proyecto cuatro estudiantes de doctorado de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (ETSIAE) de la UPM preparando los experimentos, desarrollando scripts de vuelo y validándolos en el laboratorio. Además, todos ellos se forman como operadores de la ISS a través del proceso de certificación de la NASA.
Cinco experimentos interrelacionados
CETSOL1 es el cuarto experimento de los cinco que conforman la serie Transparent Alloys que pasa por el EUSOC. El uso de aleaciones transparentes permite observar in situ la formación de las estructuras de solidificación típicas de metales durante los procesos de solidificación, que, de otra forma, tendrían que ser observadas con técnicas destructivas o de rayos X tras completarse la solidificación.
Los cinco experimentos de la serie tienen el mismo trasfondo, conocer el comportamiento de los materiales y adquirir experiencia sobre los fenómenos físicos que implica el proceso de aleaciones metálicas, pero cada uno de ellos pretende unos objetivos científicos específicos:
- SEBA1 (2018), Solidificación a lo largo de una trayectoria eutéctica en aleaciones binarias: Estudiar la formación y la relajación de los defectos en las estructuras tipo varilla, y la transición varilla-lámina en los patrones de crecimiento eutéctico. Análisis de los efectos de forzamiento debidos al gradiente térmico.
- SETA (2020), Solidificación a lo largo de una trayectoria eutéctica en aleaciones ternarias (SETA): Observación de la formación de microestructuras para analizar diferentes aspectos. Mejora y validación de las simulaciones numéricas de la formación de microestructuras eutécticas en una aleación ternaria utilizando el código interno de campos de fase MICRESS.
- METCOMP (2021), Solidificación metaestable de materiales compuestos: Nuevas estructuras peritécticas y compuestos in situ. Estudiar la influencia del efecto gravitacional en la evolución de las microestructuras y determinar mapas de selección de microestructuras, correlacionados con el tamaño de las partículas, la dinámica de crecimiento y los parámetros de los procesos de flujo de fluidos. Mejorar el control de la solidificación peritéctica de relevancia industrial.
- CETSOL 1 y 2 (2022), Transición columnar a equiáxica en el procesamiento de la solidificación 1&2. Investigar la tasa de solidificación dependiente del tiempo en los regímenes columnar y equiaxiado, incluyendo el gradiente de temperatura y la temperatura de la interfaz sólido/líquido. Estudiar la aparición de eventos de nucleación y el mecanismo de fragmentación.