La Commissione Europea, nell’ambito del programma Horizon 2020-SPACE, ha finanziato con 3 milioni di euro il progetto, coordinato dal Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano (Prof. Mario Guagliano), “ATLAS” (Advanced Design of High Entropy Alloys Based Materials for Space Propulsion, GA n. 101004172), che punta a sviluppare nuovi materiali in grado di assicurare proprietà superiori in condizioni ambientali estreme, consentendo un importante avanzamento nella progettazione e costruzione dei propulsori spaziali.
Uno dei maggiori problemi legati a queste missioni è, infatti, la necessità di realizzare sistemi capaci di lavorare senza cedimenti in ambienti estremi, con temperature variabili da valori profondamente sottozero a picchi termici di centinaia di gradi. In particolare, i sistemi di propulsione sono severamente sollecitati e necessitano di dimensionamenti adeguati a resistere in tali condizioni, il che non va nella stessa direzione del massimo contenimento dei pesi. La soluzione a questo problema è lo sviluppo di materiali ad hoc, capaci di coniugare le diverse proprietà richieste e mantenerle in ambienti estremi, quali quelli in cui le missioni spaziali si svolgono.

Il progetto ATLAS vuole dare una risposta a questi problemi e si pone come obiettivo lo sviluppo di nuovi materiali, basati sulle leghe ad alta entropia (High Entropy Alloys, HEA), in grado di coniugare, in condizioni estreme, bassa densità, alta resistenza e duttilità, resistenza all’ossidazione, buone proprietà a fatica e al creep.
Le HEA sono una classe di materiali relativamente nuova che si propone di sostituire le superleghe per applicazioni estreme, grazie a proprietà superiori a queste ultime. Tuttavia, la loro applicazione non ha ancora avuto un reale seguito a causa di aspetti ancora irrisolti, ai quali ATLAS ambisce a dare una risposta, e rimuovere i motivi che ancora limitano l’impiego di questi materiali.

Attraverso un approccio multidisciplinare, reso possibile dalla complementarità dei partner, si intende progettare e realizzare leghe ad alta entropia e materiali compositi con le HEA come matrice e materiali ceramici come rinforzo, in grado di ottimizzare le proprietà richieste per l’applicazione in camere di combustione di propulsori spaziali.
I passi previsti per arrivare a questo ambizioso risultato sono: definizione e classificazione delle proprietà di interesse, progettazione delle leghe HEA attraverso approcci multiscala e multidisciplinari, definizione delle soluzioni ibride/composite attraverso la combinazione di HEA con materiali ceramici e/o con compositi a matrice ceramica per creare materiali funzionali leggeri, resistenti in temperatura.
Per la costruzione di rivestimenti e componenti con tali materiali si utilizzeranno due tecniche di manifattura additiva tra loro diverse e complementari; una di natura termica (PBD, Powder Bed Fusion), l’altro di natura dinamica, il Cold Spray.

Il ruolo del Dipartimento di Meccanica, oltre a quello di coordinare il progetto, si concentra proprio sull’applicazione del Cold Spray. Questo processo sfrutta il fenomeno dell’adesione delle polveri allo stato solido, ottenuto accelerando il flusso di polveri a velocità supersoniche superiori a un valore critico. Oltre questo limite si attiva il fenomeno di adesione per effetto delle elevate deformazioni plastiche e dell’elevata velocità di deformazione, costruendo, per strati successivi, rivestimenti superficiali o pezzi tridimensionali. La sfida è particolarmente ambiziosa, in quanto sono rari i tentativi fatti per depositare con il cold spray le HEA, e ancora nessuno si è cimentato con compositi a base di HEA.
Sarà, quindi, di grande interesse seguire la messa a punto dei parametri di processo ottimali e i risultati, le proprietà che i nuovi materiali mostreranno, la loro applicazione su un propulsore spaziale curato da uno dei partner e il confronto con quanto ottenuto con le altre tecnologie studiate.

Oltre al Politecnico, il consorzio include il Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), ben noto centro di ricerca aerospaziale tedesco, l’Università di Derby (UK), e le SME ad alto contenuto tecnologico Arceon (NL), Dawn Aerospace (NL), Questek Europe (SE), Tisics (UK). YourscienceBC (UK) si occuperà della disseminazione dei risultati.