Quando Musk ha annunciato che la Starship sarebbe stata realizzata in acciaio inossidabile anziché in materiale composito, molti sono rimasti sorpresi. Era il 2018 ed era stato da poco presentato il programma DearMoon, accompagnato da nuovi render del prossimo razzo di SpaceX. Le immagini mostravano una Starship in composito, ma alla fine la scelta di utilizzare questi materiali è stata scartata. Ciò ha spinto l’azienda di Musk a realizzare qualcosa di innovativo praticamente da zero.
A Boca Chica sono stati effettuati moltissimi test, contraddistinti da molte esplosioni, e dall’utilizzo di diverse tecniche produttive.
Come mai questa decisione di sviluppare Starship partendo dall’acciaio inossidabile ? Quali sono le caratteristiche di questo materiale ? Lo abbiamo chiesto all’ingegnere meccanico Davide Ghellere, diagnosta dei difetti metallurgici presso la società AQM.
PERCHÉ SPACEX HA ABBANDONATO I COMPOSITI DI CARBONIO LEGGERI PER L’ACCIAIO INOSSIDABILE?
Ci sono fondamentalmente quattro ragioni principali: resistenza alle temperature criogeniche, caratteristiche alle alte temperature, facilità di sviluppo e prezzo.
Cominciamo con quello che sembra essere l’aspetto più controverso, il peso. Sì, se consideri un millimetro cubo di composito di carbonio e uno di acciaio inossidabile, il composito di carbonio è molto più leggero. Ma il peso è solo metà dell’equazione in un materiale strutturale. L’altra grande chiave è la resistenza meccanica. E ancora, su carta il composito di carbonio sembra vincere fino a quando non metti quei materiali in ambienti con temperature estreme. Non dimentichiamo che un razzo subisce incredibili differenze di temperatura.
L’ossigeno liquido che SpaceX mette all’interno di questi serbatoi sottili è incredibilmente freddo, a -207 °C e allo stesso tempo l’esterno può raggiungere temperature di diverse centinaia di gradi centigradi in salita. Non stiamo nemmeno a parlare delle brutali temperature di rientro in atmosfera.
Il vero motivo per cui l’acciaio inossidabile è vantaggioso è dovuto al fatto che un razzo opera anche a temperature criogeniche.
Cos’è un acciaio inossidabile e quali sono le sue caratteristiche ?
Possiamo definire acciai inossidabili quella famiglia di acciai resistenti alla corrosione, aventi un’ampia varietà di caratteristiche meccaniche e fisiche, in relazione alla loro composizione chimica. Formalmente sono definiti “inossidabili” quegli acciai che contengono tra gli elementi in lega un minimo di 10,5% di Cromo ed un massimo di 1% di Carbonio.
Il nome inossidabili è forviante. Il termine non corrisponde alla vera natura di questi metalli: essi, infatti, sono “ossidabilissimi”. La loro elevata resistenza alla corrosione deriva proprio dalla formazione di un film sottile ed incolore di ossido (prevalentemente Cr2O3 – triossido di dicromo), ben aderente alla superficie dell’acciaio e che rende il materiale virtualmente inerte nei confronti dell’ambiente aggressivo circostante.
Tra tutte le tipologie di acciai inossidabili, quali ha scelto di utilizzare SpaceX ? E perché ?
SpaceX ha reso noto che gli acciai che ad oggi ha intenzione di utilizzare nella versione definitiva della Starship sono in particolare due acciai inossidabili con struttura austenitica: AISI 301 e AISI 310S.
Il primo è stato scelto perché possiede ottime caratteristiche meccaniche in applicazioni criogeniche, prerogativa molto rara per la maggior parte degli acciai. Il secondo invece è stato scelto perché mantiene le sue caratteristiche meccaniche anche a temperature molto elevate.
Il rientro in atmosfera (terrestre) è sicuramente la fase più rischiosa di ogni missione spaziale; il velivolo ha a disposizione un corridoio di pochi gradi, al di sotto dei quali rimbalzerebbe contro l’atmosfera ed al di sopra brucerebbe a causa delle temperature troppo elevate indotte dal contatto con l’atmosfera. Le temperature massime che sono state rilevate sulla superficie esterna di uno shuttle sono pari a 1260 °C, temperatura alla quale qualsiasi acciaio ha un decadimento delle caratteristiche meccaniche.
Ecco perché i veicoli che tornano dallo spazio hanno scudi termici, solitamente realizzati in materiale ceramico sinterizzato e reso idrorepellente. Tali materiali hanno lo scopo di ridurre sensibilmente le temperature a cui il corpo esterno di un veicolo spaziale sia è soggetto.
Probabilmente la scelta di utilizzare un acciaio inossidabile di tipo refrattario come l’AISI 310S potrebbe essere imputabile all’uso contestuale di un materiale refrattario studiato ad hoc, con differenti proprietà rispetto a quelle viste sugli shuttle. Il vantaggio più banale che potrebbe portare questo tipo di scelta è quello di avere uno scudo termico più leggero e più facile da manutenere.
Sappiamo che SpaceX cerca di tenere i costi bassi per rendere lo spazio sempre più conveniente. L’uso dell’acciaio è vantaggioso ?
Il prezzo dell’acciaio inossidabile ha un costo pari a circa 3÷5 $/kg, mentre il materiale composito ha un iter produttivo con alto tasso di scarto e complessivamente può arrivare a costare fino a 180 $/kg. Quindi complessivamente l’acciaio inossidabile è 60 volte più economico.
La possibilità di realizzare diverse sezioni cilindriche saldate su un’unica generatrice, rispetto ad un processo di produzione come quello portato avanti nei primi prototipi Mk (1 e 2) consente inoltre una serie di vantaggi:
- Riduzione sensibile delle tensioni residue dovute a molteplici saldature ravvicinate (ed eventuali distorsioni/deformazioni).
- Riduzione sensibile di possibili discontinuità legate al processo di saldatura (meno saldature, meno problemi).
- Maggiore velocità produttiva.
- Maggiore resistenza complessiva della struttura
Di recente è stato reso noto che l’azienda di Musk è passata all’utilizzo dell’AISI 304, quali sono le differenze con il 301 ?
Iniziamo analizzando i differenti costi. Mentre l’acciaio inossidabile 301 e 304 usano il ferro come loro “ingrediente” principale, le due leghe presentano un paio di differenze chiave nella loro composizione chimica, che puoi vedere nella tabella seguente (i numeri indicano la percentuale dell’elemento in peso):
| 301 | 304 | |
| Designazione simbolica | X10CrNi18-8 | X5CrNi18-10 |
| Designazione numerica | 1.4310 | 1.4301 |
| Carbonio (C) in % | 0.05 – 0.15 | ≤ 0.07 |
| Silicio (Si) in % | ≤ 2 | ≤ 1 |
| Manganese (Mn) in % | ≤ 2 | ≤ 2 |
| Fosforo (P) in % | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| Zolfo (S) in % | ≤ 0.015 | ≤ 0.030 |
| Cromo (Cr) in % | ≤ 16-19 | ≤ 17.5-19.5 |
| Molibdeno (Mo) in % | ≤ 0.80 | ≤ / |
| Nichel (Ni) in % | ≤ 6-9.5 | ≤ 8-10.5 |
| Azoto (N) in % | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
Come si può vedere nella tabella sopra, molti dei composti nelle due leghe di acciaio sono analoghi. Tuttavia, l’acciaio inossidabile di grado 304 possiede più cromo e nichel rispetto al grado 301. Ciò tende a rendere l’acciaio inossidabile di grado 304 più costoso rispetto al grado 301. Quanto più costoso? Ciò dipende dal prezzo del cromo e del nichel al momento dell’acquisto.
Come reagiscono alla corrosione ? Hanno comportamenti molto differenti ?
La maggior parte delle leghe di acciaio inossidabile hanno una buona o eccellente resistenza alla corrosione in condizioni normali.
In ambienti leggermente corrosivi a temperature ambiente normali, la resistenza alla corrosione del grado 301 e del grado 304 non è molto diversa. In generale, il grado 301 tende ad essere un po’ meno resistente alla corrosione del grado 304 perché la lega 301 ha un contenuto di cromo inferiore e un livello più elevato di carbonio. A temperature più elevate la differenza nella resistenza alla corrosione è più pronunciata.
Ad esempio, se si dovesse saldare o tagliare al laser un pezzo di acciaio inossidabile 301, sarebbe più probabile vedere segni di corrosione nelle zone interessate dal calore rispetto a un pezzo di lega 304 trattato allo stesso modo. Ciò è dovuto alla precipitazione del carburo di cromo, che esaurisce il cromo nelle aree surriscaldate.
Quali sono le differenze strutturali tra questi due acciai ?
Una differenza chiave in questi due gradi di acciaio inossidabile è relativo al carico di rottura che ciascuno può sopportare prima di subire un guasto meccanico.
L’acciaio inossidabile di grado 301, con il suo più alto contenuto di carbonio (0,15% rispetto allo 0,08% di 304 in peso), può resistere meglio alla forza meccanica. In condizioni di temperatura ambiente, l’acciaio inossidabile di grado 301 può richiedere fino a 825 Mpa.
L’acciaio inossidabile di grado 304, al confronto, può sopportare fino a 620 MPa di pressione prima di subire guasti meccanici. Ciò significa che a temperatura ambiente il grado 301 può sopportare fino al 33% in più di stress rispetto a un componente realizzato in lega di grado 304.
Quindi per Starship, meglio 301 o 304 ?
Per applicazioni in cui il materiale non sarà esposto a temperature elevate, acqua salata o altre condizioni di alta corrosione e che necessiti di una resistenza alla trazione superiore, il grado 301 sarà probabilmente la scelta giusta.
Tuttavia, per applicazioni che dovranno sostenere un carico ad alte temperature o saranno esposti a condizioni molto corrosive, il grado 304 sarà di solito l’opzione migliore per la vita utile e la convenienza a lungo termine.
SpaceX ha recentemente testato un serbatoio, SN 7, realizzato con acciaio 304L. Qual è la differenza con l’acciaio inossidabile di grado 304 ?
L’esistenza di queste varianti di acciaio inossidabile può creare confusione, soprattutto quando i nomi e le formulazioni di due leghe di acciaio inossidabile sono quasi gli stessi. Questo è il caso dell’acciaio inossidabile di grado 304 e 304L.
Queste due leghe sono notevolmente simili, ma c’è una differenza fondamentale. Nell’acciaio inossidabile di grado 304, il contenuto massimo di carbonio è fissato allo 0,08%, mentre l’acciaio inossidabile di grado 304L ha un contenuto massimo di carbonio dello 0,03%. La “L” in 304L sta per Low Carbon Steel. Questa differenza del 0,05% di contenuto di carbonio produce una leggera, ma marcata, differenza nelle prestazioni delle due leghe.
Perché quindi, utilizzare il 304L?
La risposta è che il basso contenuto di carbonio della lega 304L aiuta a minimizzare / eliminare la precipitazione di carburi durante il processo di saldatura. Ciò consente all’acciaio inossidabile 304L di essere utilizzato nello stato “come saldato”, anche in ambienti corrosivi gravi. Se si usasse l’AISI 304 allo stesso modo, si degraderebbe molto più velocemente sui giunti saldati.
Fondamentalmente, l’utilizzo di 304L elimina la necessità di ricottura dei giunti saldati, risparmiando tempo e fatica.
